CN105651319A - 一种光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置，包括底座、可调式工作台、光纤夹紧机构、预应力调节装置、固定安装板，其中可调式工作台、预应力调节装置、固定安装板均设置在底座上，预应力调节装置位于底座的一侧，固定安装板位于底座的另一侧，可调式工作台位于预应力调节装置与固定安装板之间，光纤放置在可调式工作台上；光纤的一端通过光纤夹紧机构定位在预应力调节装置上，另一端通过光纤夹紧机构定位在固定安装板上。该装置结构简单、体积小、成本低、操作方便、工作稳定可靠和连续可调预应力的光纤光栅传感器施加预应力的封装装置，能够对光纤施加恒定的预应力，以提高光纤光栅传感器测量的准确性、重复性以及一致性。

Description

一种光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置。

背景技术

光纤Bragg光栅中心波长能够直接受应变、温度等因素调制，并有着良好的线性响应，是十分理想的应变、温度测量元件。光纤光栅具有抗电磁干扰能力、灵敏度高、体积小、重量轻、耐腐蚀、测量范围广、易集成、结构简单、便于复用等许多优点，且可组成智能化分布式传感器网络。近几年来，基于光纤Bragg光栅的测量技术得到快速发展，已被逐步应用到大型土木工程结构、能源化工、制造业以及航空航天等工程领域。

光纤光栅经过不同的封装形式，可以制作成温度、应变、压力、位移、加速度、电流、电压、磁场、频率和浓度等参量的光纤光栅传感器。其传感机理都是通过将封装结构对被测物理参量的感应传递给光纤光栅，引起光纤光栅的中心波长漂移。因此，光纤光栅与封装结构之间的结合状态直接影响着光纤光栅传感器测试的准确性、重复性和一致性。

光纤光栅未受预应力时处于相对自由的状态，会有一定的弯曲，且弯曲的方向不确定，此时将光纤光栅固定在封装基体上，其中心波长的漂移不能真实反映封装基体被测物体参量的感应，导致传感器测试信号的失真。若采用可施加预应力的封装装置，在封装过程中对光纤光栅施加一定的预应力，再将光纤光栅固定在封装基体上，可保证光纤光栅与封装基体之间稳定可靠的结合，从而有利于提高光纤光栅传感器测量的准确性、重复性和一致性。

目前，封装光纤光栅传感器时，对光纤光栅轴向施加预应力大都采用挂砝码等方式，这些方式不能连续控制外力的大小，因而无法满足封装技术要求所需要施加的预应力。现有中国专利200810150477.2公开了一种光纤光栅传感器施加预应力的封装装置，通过两对螺纹夹紧机构将光纤光栅两端夹紧，然后同样通过另一螺纹结构对光纤光栅施加预定力。该装置螺纹夹紧机构操作不便，同时该装置无预应力显示装置，难以确定所施加预应力的大小，对光纤光栅传感器进行批量封装时，不能实现各传感器所施加的预应力一致，降低了光纤光栅传感器测量的一致性。因此迫切需要设计一种光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置，在裸光纤光栅封装时施加恒定的预应力并保持，以提高光纤光栅传感器测量的准确性、重复性和一致性。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提供一种光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置，该装置结构简单、体积小、成本低、操作方便、工作稳定可靠和连续可调预应力的光纤光栅传感器施加预应力的封装装置，在光纤光栅传感器大批量封装时能够施加恒定的预应力，以提高光纤光栅传感器测量的准确性、重复性以及一致性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置，包括底座、可调式工作台、光纤夹紧机构、预应力调节装置、固定安装板，其中可调式工作台、预应力调节装置、固定安装板均设置在底座上，预应力调节装置位于底座的一侧，固定安装板位于底座的另一侧，可调式工作台位于预应力调节装置与固定安装板之间，光纤放置在可调式工作台上；光纤的一端通过光纤夹紧机构定位在预应力调节装置上，另一端通过光纤夹紧机构定位在固定安装板上。

按上述技术方案，预应力调节装置包括丝杆、牵引滑块、导杆一、导杆二、导杆三、导杆四、从动滑块、拉力计、支撑板一、支撑板二、支撑板三，其中支撑板一、支撑板二、支撑板三彼此平行，均固定在底座上；丝杆与支撑板一相互垂直，导杆一、导杆二、导杆三、导杆四均与丝杆平行，丝杆的两端分别通过轴承一、轴承二安装在支撑板一、支撑板二上，导杆一、导杆二固定在支撑板一、支撑板二之间，牵引滑块位于支撑板一、支撑板二之间，牵引滑块沿着导杆一、导杆二水平滑动，丝杆与牵引滑块之间通过螺纹连接；导杆三、导杆四固定在支撑板二、支撑板三之间，从动滑块位于支撑板二、支撑板三之间，从动滑块沿着导杆三、导杆四水平滑动，拉力计的一端与牵引滑块固定，另一端与从动滑块固定。旋转丝杆，驱动牵引滑块沿着导杆一、导杆二水平移动。牵引滑块通过安装板一与拉力计连接，从动滑块通过安装板二与拉力计连接，拉力计的两端分别用锁紧螺套一、锁紧螺套二固定在安装板一、安装板二上，牵引滑块水平移动时将会通过拉力计带动从动滑块沿着导杆三、导杆四水平移动，拉力计可以实时显示当前对光纤所施预应力的大小。

按上述技术方案，可调式工作台包括水平工作台、竖直升降杆和方形筒，方形筒固定在底座上，竖直升降杆设置在方形筒中，并且与方形筒配合实现竖直升降，水平工作台调整到合适高度后，通过锁紧螺钉将竖直升降杆与方形筒固定。水平工作台固定在竖直升降杆的顶端。

按上述技术方案，光纤夹紧机构包括2个结构相同的夹紧装置，其中一个夹紧装置固定在从动滑块的顶面上，对光纤的一端进行夹持，另一个夹紧装置固定在固定安装板的顶面上，对光纤的另一端进行夹持。

按上述技术方案，夹紧装置包括导向板、弹簧、滑动夹持板、固定夹持板连接构成；弹簧的一端与导向板连接，弹簧的另一端与滑动夹持板连接，弹簧处于压缩状态，弹簧的一端与导向板的内腔的一侧固定，另一端与滑动夹持板连接，弹簧推动滑动夹持板将光纤夹紧；光纤置于滑动夹持板和固定夹持板之间。

按上述技术方案，还包括弹性垫片一、弹性垫片二、滑动夹持板和固定夹持板的相对表面分别用粘接剂粘接弹性垫片一、弹性垫片二。弹性垫片一粘接在滑动夹持板的表面，弹性垫片二粘接在固定夹持板的表面，弹性垫片一、弹性垫片二材质相同，均可耐300℃的高温，弹性垫片一和弹性垫片二用于保护光纤，光纤被夹持在弹性垫片一和弹性垫片二之间，以防损坏。

本发明产生的有益效果是：本发明装置结构简单、体积小、成本低、操作方便、工作稳定可靠和连续可调预应力的光纤光栅传感器施加预应力的封装装置，在光纤光栅传感器大批量封装时能够施加恒定的预应力，以提高光纤光栅传感器测量的准确性、重复性以及一致性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的俯视图；

图3是本发明实施例中夹紧装置的结构示意图；

其中，1-底座，2-丝杆，3–支撑板一，4-轴承一，5-导杆一，6-导杆二，7-牵引滑块，8-锁紧螺套一，9-安装板一，10-拉力计，11-支撑板二，12-轴承二，13-从动滑块，14-前端的夹紧装置，141-导向板，142-弹簧，143-滑动夹持板，144-弹性垫片一，145-弹性垫片二，146-固定夹持板，15-安装板二，16-锁紧螺套二，17-导杆三，18-导杆四，19-支撑板三，20-水平工作台，21-光纤光栅，22-竖直升降杆，23-锁紧螺钉，24-方形筒，25-固定安装板，26-末端的夹紧装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置，包括底座、可调式工作台、光纤夹紧机构、预应力调节装置、固定安装板，其中可调式工作台、预应力调节装置、固定安装板均设置在底座上，预应力调节装置位于底座的一侧，固定安装板位于底座的另一侧，可调式工作台位于预应力调节装置与固定安装板之间，光纤放置在可调式工作台上；光纤的一端通过光纤夹紧机构定位在预应力调节装置上，另一端通过光纤夹紧机构定位在固定安装板上。

进一步地，预应力调节装置包括丝杆、牵引滑块、导杆一、导杆二、导杆三、导杆四、从动滑块、拉力计、支撑板一、支撑板二、支撑板三，其中支撑板一、支撑板二、支撑板三彼此平行，均固定在底座上；丝杆与支撑板一相互垂直，导杆一、导杆二、导杆三、导杆四均与丝杆平行，丝杆的两端分别通过轴承一、轴承二安装在支撑板一、支撑板二上，导杆一、导杆二固定在支撑板一、支撑板二之间，牵引滑块位于支撑板一、支撑板二之间，牵引滑块沿着导杆一、导杆二水平滑动，丝杆与牵引滑块之间通过螺纹连接；导杆三、导杆四固定在支撑板二、支撑板三之间，从动滑块位于支撑板二、支撑板三之间，从动滑块沿着导杆三、导杆四水平滑动，拉力计的一端与牵引滑块固定，另一端与从动滑块固定。旋转丝杆，驱动牵引滑块沿着导杆一、导杆二水平移动。牵引滑块通过安装板一与拉力计连接，从动滑块通过安装板二与拉力计连接，拉力计的两端分别用锁紧螺套一、锁紧螺套二固定在安装板一、安装板二上，牵引滑块水平移动时将会通过拉力计带动从动滑块沿着导杆三、导杆四水平移动，拉力计可以实时显示当前对光纤所施预应力的大小。

本发明实施例中，进一步地，可调式工作台包括水平工作台、竖直升降杆和方形筒，方形筒固定在底座上，竖直升降杆设置在方形筒中，并且与方形筒配合实现竖直升降，水平工作台调整到合适高度后，通过锁紧螺钉将竖直升降杆与方形筒固定。水平工作台固定在竖直升降杆的顶端。

进一步地，光纤夹紧机构包括2个结构相同的夹紧装置，其中一个夹紧装置固定在从动滑块的顶面上，对光纤的一端进行夹持，另一个夹紧装置固定在固定安装板的顶面上，对光纤的另一端进行夹持。

进一步地，夹紧装置包括导向板、弹簧、滑动夹持板、固定夹持板连接构成；弹簧的一端与导向板连接，弹簧的另一端与滑动夹持板连接，弹簧处于压缩状态，弹簧的一端与导向板的内腔的一侧固定，另一端与滑动夹持板连接，弹簧推动滑动夹持板将光纤夹紧；光纤置于滑动夹持板和固定夹持板之间。

进一步地，还包括弹性垫片一、弹性垫片二、滑动夹持板和固定夹持板的相对表面分别用粘接剂粘接弹性垫片一、弹性垫片二。弹性垫片一粘接在滑动夹持板的表面，弹性垫片二粘接在固定夹持板的表面，弹性垫片一、弹性垫片二材质相同，均可耐300℃的高温，弹性垫片一和弹性垫片二用于保护光纤，光纤被夹持在弹性垫片一和弹性垫片二之间，以防损坏。

本发明的较佳实施例中，提供一种光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置，如图1所示，主要包括可调式工作台、光纤夹紧机构和预应力调节装置三个功能模块。可调式工作台由水平工作台20、竖直升降杆22和方形筒24组成，竖直升降杆22安插在底座1上的方形筒24中，可以将水平工作台调节到合适的高度，通过锁紧螺钉23固定。光纤夹紧机构包括前端的夹紧装置14和末端的夹紧装置26，前端的夹紧装置14安装在可水平移动的从动滑块13上，末端的夹紧装置26安装在底座1上的固定安装板25上，两夹紧装置结构完全相同；前端的夹紧装置14和末端的夹紧装置26的结构原理如图3所示，由导向板141、弹簧142、滑动夹持板143、弹性垫片一144、弹性垫片二145、固定夹持板146连接构成；弹簧142一端与导向板141的内孔一侧固定，另一端与滑动夹持板143连接，弹簧142处于压缩状态，推动滑动夹持板143将光纤夹紧；滑动夹持板143和固定夹持板146表面分别用粘接剂粘接弹性垫片一144、弹性垫片二145，弹性垫片一144和弹性垫片二145材质相同，均可耐300℃的高温，弹性垫片一144和弹性垫片二145用于保护光导纤维，以防将光导纤维损坏。图2是本发明装置实施例的俯视图，预应力调节装置由牵引机构、从动机构和拉力计10组成；牵引机构包括丝杆2、牵引滑块7、导杆一5、导杆二6，丝杆2的两端通过轴承一、轴承二安装在底座上的支撑板一、支撑板二上，导杆一5、导杆二6与丝杆2平行地安装在支撑板一、支撑板二上，丝杆2与牵引滑块7之间通过螺纹配合，旋转丝杆2可驱动牵引滑块7沿着导杆一5、导杆二6水平移动；从动机构由从动滑块13、导杆三17、导杆四18组成；牵引滑块7、从动滑块13分别通过安装板一9、安装板二15与拉力计(外购件)连接，拉力计两端分别用锁紧螺套一8、锁紧螺套二16固定在安装板一9、安装板二15上，牵引滑块7水平移动时将会通过拉力计带动从动滑13块沿着导杆三、导杆四水平移动；拉力计可以实时显示当前所施预应力的大小。

本发明装置的使用步骤如下：

S1、将封装基体放置在可调式工作台上，根据封装基体尺寸，调节水平工作台20到合适的高度；

S2、准备好刻有光栅的光纤，将光栅铺设在封装基体上预安装位置，打开前端的夹紧装置14，把光纤光栅21一端的光纤放置在前端的夹紧装置14的弹性垫片一144、弹性垫片二145之间，松开滑动夹持板143，使其在弹簧142回复力的作用下朝固定夹持板146方向移动，从而夹紧光纤光栅21一端的光纤，采用同样的方式利用末端的夹紧装置26将光纤光栅21另一端的光纤夹紧；

S3、再次水平调节工作台20的高度，并调整封装基体的位置，使光纤光栅21恰好与封装基体粘接面齐平且刚好接触；

S4、缓缓旋转丝杆2改变牵引滑块7的位置，通过拉力计(外购件)带动从动滑块13水平移动，实现对光纤光栅21施加轴向预应力，所施加的预应力的大小可由拉力计10读出；

S5、当拉力计10的读数达到封装要求所需施加的预应力时，停止旋转丝杆2，开始光纤光栅传感器的封装。

本发明的有益技术效果是：

1.具有机械结构简单、体积小、成本低、易操作等优点，可在-25℃～+300℃温度范围内使用，实现光纤光栅在加载预应力的情况下进行高温固化封装；

2.使用本发明对光纤光栅传感器进行批量生产时能够实现施加同样的预应力，封装的光纤光栅传感器无啁啾和波形畸变现象，提高了光纤光栅传感器测量的准确性、重复性以及一致性；

3.由于可以根据弹性衬底的结构设计相应的夹持机构，安装在载物台表面用于夹紧定位弹性衬底，使得本发明能够适应多种类型的封装结构，大大提高了本发明的可适用性；

4.由于加载到光纤光栅的轴向预应力连续可变，因此封装光纤光栅传感器可按预定的波长优化设计分布式光纤光栅的传感系统中传感器的布置方式，使得多个光纤光栅传感器串联组成复用系统更加灵活。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置，其特征在于，包括底座、可调式工作台、光纤夹紧机构、预应力调节装置、固定安装板，其中可调式工作台、预应力调节装置、固定安装板均设置在底座上，预应力调节装置位于底座的一侧，固定安装板位于底座的另一侧，可调式工作台位于预应力调节装置与固定安装板之间，光纤放置在可调式工作台上；光纤的一端通过光纤夹紧机构定位在预应力调节装置上，另一端通过光纤夹紧机构定位在固定安装板上。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置，其特征在于，预应力调节装置包括丝杆、牵引滑块、导杆一、导杆二、导杆三、导杆四、从动滑块、拉力计、支撑板一、支撑板二、支撑板三，其中支撑板一、支撑板二、支撑板三彼此平行，均固定在底座上；丝杆与支撑板一相互垂直，导杆一、导杆二、导杆三、导杆四均与丝杆平行，丝杆的两端分别通过轴承一、轴承二安装在支撑板一、支撑板二上，导杆一、导杆二固定在支撑板一、支撑板二之间，牵引滑块位于支撑板一、支撑板二之间，牵引滑块沿着导杆一、导杆二水平滑动，丝杆与牵引滑块之间通过螺纹连接；导杆三、导杆四固定在支撑板二、支撑板三之间，从动滑块位于支撑板二、支撑板三之间，从动滑块沿着导杆三、导杆四水平滑动，拉力计的一端与牵引滑块固定，另一端与从动滑块固定。

3.根据权利要求1或2所述的光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置，其特征在于，可调式工作台包括水平工作台、竖直升降杆和方形筒，方形筒固定在底座上，竖直升降杆设置在方形筒中，并且与方形筒配合实现竖直升降，水平工作台固定在竖直升降杆的顶端。

4.根据权利要求2所述的光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置，其特征在于，光纤夹紧机构包括2个结构相同的夹紧装置，其中一个夹紧装置固定在从动滑块的顶面上，对光纤的一端进行夹持，另一个夹紧装置固定在固定安装板的顶面上，对光纤的另一端进行夹持。

5.根据权利要求4所述的光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置，其特征在于，夹紧装置包括导向板、弹簧、滑动夹持板、固定夹持板连接构成；弹簧的一端与导向板连接，弹簧的另一端与滑动夹持板连接，弹簧处于压缩状态；光纤置于滑动夹持板和固定夹持板之间。

6.根据权利要求5所述的光纤光栅传感器施加恒定预应力的封装装置，其特征在于，还包括弹性垫片一、弹性垫片二、滑动夹持板和固定夹持板的相对表面分别粘接弹性垫片一、弹性垫片二。