CN106064358B - 光纤光栅形状传感器夹具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光纤光栅形状传感器的封装夹具。它包括一个底座、左右各一个方向相反的光纤光栅轴向调整装置、中间n个光纤光栅‑记忆合金丝定位装置和n个胶黏剂封装装置，用于封装n个栅点，其特征在于：所述的左右两个光纤光栅轴向调整装置和n个光纤光栅‑记忆合金丝定位装置全部用螺栓安装在底座上，所述的n个胶黏剂封装装置分别安装在n个光纤光栅‑记忆合金丝定位装置上。本发明不仅将光纤光栅形状传感器的封装精度提高，而且实现模具化封装，提高传感器稳定性和可靠性，弥补了这方面研究的空白。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅形状传感器封装夹具，能够方便、可靠的定位光纤光栅的轴向、周向、径向3方向位置精度，并且能够实现胶黏剂的模具化封装。能够解决传感器精度、稳定性、可靠性以及加工速度等问题。本设备属于传感封装设备领域。
技术背景
在内窥检查中，由于不能深入内部检测其形状，通常采用X光等技术，但是现有的X光技术由于受到电磁干扰、不能实时性、没有3D信息、设备昂贵等缺点，在实用过程中受到限制。光纤光栅形状传感器由于其抗磁场干扰、无辐射、精度高、实时性等优点，使其在形状重建中受到越来越多的关注和研究，但是，由于其本身直径太小导致封装困难。
现有的光纤光栅形状传感器的光纤光栅位置精度不高，胶黏剂多采用手工涂覆导致传感器精度不高、稳定性差、重复性差等缺点。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种光纤光栅形状传感器封装夹具提高光纤光栅形状传感器的封装精度，模具化封装以提高传感器的稳定性、重复性。
为达到上述目的，本发明的构思是：
记忆合金丝固定装置、光纤光栅轴向调整装置、光纤光栅-记忆合金丝定位装置、胶黏剂封装装置全部用螺栓安装在底座上，安装过程保证光纤光栅-记忆合金丝定位装置和胶黏剂封装装置记忆合金丝所穿过的所有孔的同轴度，从而保证安装过程中记忆合金丝的直线度，才能更加精确的和光纤光栅进行定位。
通过一维移动平台实现光纤光栅轴向位置的粗调，并实现光纤光栅的张紧，通过两端配合的微分头分别调整单根光纤光栅的轴向位置，使4根光纤光栅上的各个栅点对齐。光纤光栅必须是张紧状态，才能在涂覆胶黏剂以及在胶黏剂固化时，光纤光栅不会由于自身重力下垂，不会由于外面的扰动或者是胶黏剂的流动而移动。所以，通过调整一维移动平台，在弹簧的弹力下使光纤张紧。同时，光纤又要避免被过度拉伸，过度拉伸会导致其测量范围缩小甚至被拉断。拉伸范围通过试验得到，读取微分头上的数值得到弹簧压缩量的大小，从而和拉伸范围保持一致。
为了保证在调整光纤光栅位置后，光纤光栅不再发生移动，应将一维移动平台和滑块全部锁死，防止松动或是移动，故在调整板两边的4个螺纹孔内用螺栓将滑块锁死。
定位中心板必须先在一块圆板上加工好光纤光栅孔、记忆合金丝孔和定位孔，保证他们之间的位置精度，再按方向将圆板一分为二。这样是为了保证4个光纤光栅孔和记忆合金丝孔之间的位置精度，同时，又能在封装结束后不至于由于涂覆处的直径大于记忆合金丝孔不能够将其取出。因为，假如是一块整体的圆板的话，由于有多个栅点要封装，会导致封装后涂覆层的直径大于定位中心板上的记忆合金丝孔的直径，而使定位中心板不能取出；假如分为两个半圆板分别加工，会造成装配时光纤光栅孔孔径、位置较大误差，造成4个忆合金丝孔之间的相隔角度误差较大，最终导致封装的传感器精度不高。先在圆板上加工出记忆合金丝孔和光纤光栅孔以及定位孔，定位孔和定位板的定位螺纹孔配合，再然后沿着两光纤光栅孔之间45°径向方向将圆板切分为二，这样既能保证孔之间的位置精度，又方便在封装结束后取出定位中心板。
4个“梅花”形光纤光栅孔成90°均匀分布，这样就能够定位光纤光栅的周向位置精度。4个“梅花”形光纤光栅孔圆心所在的圆的直径根据传感器的性能要求确定，确定后就能够定位光纤的径向位置精度。
由于制作胶黏剂时会搅拌，搅拌过程中产生气泡又可以分为搅拌带入空气或气体形成的气泡和由于搅拌速度过快液体产生“空泡效应”而产生的气泡，在固化反应过程中，环氧树脂体系中的微小气泡（或者说是溶解在环氧树脂中的气体物质）受热膨胀同时气体与环氧体系不再相容会发生迁移从而聚合在一起形成较大的气泡。由于气泡的密度比胶合剂轻，所以，气泡主要分布在涂覆层的上部。因此，要让4个光纤孔成“X”型，与水平垂直方向成45°分布，让胶合好的光纤光栅避开气泡聚集区，减少气泡对传感精度的影响。
由于环氧树脂胶黏剂要与绝大部分金属和非金属黏合在一起，聚四氟乙烯被称“塑料王”是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性（对大多数化学药品和溶剂，表现出惰性、能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂）、无毒害，特别是不粘附（是固体材料中最小的表面张力，不粘附任何物质）、其高润滑（是固体材料中摩擦系数最低者）等性能是其成为了光纤光栅形状传感器封装装置的绝佳封装模具材料。封装孔和注胶孔都要有很好的光滑度和光洁度，因为，假如表面不光滑或者不光洁会使会使注胶过程中胶合剂往前推进速度不一致，导致中间留有大气泡，而大气泡对传感性能的影响特别大。注胶后，由于注胶孔中仍有胶合剂，假如不排出，待胶合剂固化后模具不能拔出。所以，在注胶完成后使用压胶装置将插入注胶孔内，将里面的胶合剂挤出。通过改变封装孔的孔径还可以封装出不同涂覆层厚度的传感器。
根据上述发明方案构思，本发明采用下述技术方案：
一种光纤光栅形状的封装夹具，它包括一个底座、左右各一个方向相反的光纤光栅轴向调整装置、中间n个光纤光栅-记忆合金丝定位装置和n个胶黏剂封装装置，用于封装n个栅点，其特征在于：所述的左右两个光纤光栅轴向调整装置和n个光纤光栅-记忆合金丝定位装置全部用螺栓安装在底座上，所述的n个胶黏剂封装装置分别安装在n个光纤光栅-记忆合金丝定位装置上。
所述
本发明与现有技术相比较，具有以下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明能够通过胶黏剂封装装置使胶合剂的厚度均匀、可控，表面光滑，既能够保证在弯曲时沿着径向方向的各向同性又能研究胶合剂厚度对传感特性的影响，实现涂胶的模具化、简易化，提高传感器的稳定性和可靠性；通过光纤光栅-记忆合金丝定位装置既能保证4根光纤光栅均匀分布还能防止光纤沿着周向转动导致传感性能下降，还能保证4根光纤光栅与合金丝的距离一致、可调，这样既能提高测量精度还能进一步研究光纤光栅与合金丝的距离对传感特性的影响，同时，还能方便的在封装后取出夹具；通过光纤光栅轴向调整装置能够合理的拉伸光纤光栅，同时，还能对光线光栅在轴向上的定位起到很好的作用。
附图说明
图1是光纤光栅形状传感器封装夹具的整体结构示意图。
图2是光纤光栅轴向调整装置的结构示意图。
图3是光纤光栅-记忆合金丝定位装置的结构示意图。
图4是胶黏剂封装装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的优选实例结合附图说明如下：
实施例一：
参见图1~图4，本光纤光栅封装夹具包括包括一个底座（Ⅰ）、左右各一个方向相反的光纤光栅轴向调整装置（Ⅱ）、中间n个光纤光栅-记忆合金丝定位装置（Ⅲ）和n个胶黏剂封装装置（Ⅳ），用于封装n个栅点，其特征在于：所述左右两个光纤光栅轴向调整装置（Ⅱ）和n个光纤光栅-记忆合金丝定位装置（Ⅲ）全部用螺栓安装在底座上，所述的n个胶黏剂封装装置（Ⅳ）分别安装在n个光纤光栅-记忆合金丝定位装置（Ⅲ）上。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特征之处如下：
所述光纤光栅轴向调整装置（Ⅱ）的结构是：一个一维移动平台（13）安装在底座（Ⅰ）上，一维移动平台（13）上面与一个调整板（1）连接；四个圆柱形滑块（10）分别安放在调整板（1）上与之配合的滑块孔（1-2）内，每个滑块（10）沿纵向方向上有一个刻槽（10-5），用于夹紧光纤光栅，滑块（10）后端切出两个凹台（10-4），一个凹台上钻出用于夹紧光纤光栅的紧固螺纹孔（10-3），凹台前面刻下横向槽（10-5）至安放光纤光栅的纵向槽处，使夹紧光纤光栅的部分产生足够的变形；调整板（1）的前端用4根连杆（2）连接调整前板（4），调整前板（4）和四个滑块（10）之间分别安装压缩弹簧（3），压缩弹簧（3）的弹性系数已知；在调整板（1）后端的螺纹孔（1-2）分别用四个“Z”型板（11）分别安装四个带有度数的微分头（12），分别与四个滑块（10）另一端接触，配合压缩弹簧（3）调整滑块（10）移动。
所述的光纤光栅-记忆合金丝定位装置（Ⅲ）的结构是：定位中心板（6）分别由两半圆板组成，分别用2颗定位螺栓与左右两块定位板（5）连接并定位，这两半圆板为一个圆板切开而成；圆板中心为定位记忆合金丝位置的记忆合金丝孔（6-2），记忆合金丝孔（6-2）周围互为90°均匀分布着4个定位光纤光栅的光纤光栅孔（6-1），其与记忆合金丝孔（6-2）的中心距离根据传感器性能要求确定；安装后的4个光纤光栅孔（6-1）为“X”型（即与水平垂直方向呈45°）分布；左右两块定位板（5）之间由一块黏结剂封装底板（9）固定连接成一体。
所述的胶黏剂封装装置（Ⅳ）的结构是：一个胶黏剂封装模具（8）由聚四氟乙烯做成，模具中心有封装孔（8-2），与封装孔（8-2）成90°有一个注胶孔（8-3），两个孔表面都要打磨光滑；胶黏剂封装模具（8）通过两个定位孔（8-1）用定位螺栓安装在一个胶黏剂封装底板（9）上，胶黏剂封装底板（9）用定位螺栓与左右两块定位板（5）连接；注胶完成后用一个压胶装置（7）将注胶孔（8-3）中的胶黏剂挤出；压胶装置（7）是一个下端是聚四氟乙烯棒（7-2），压胶装置（7）上端是夹紧并定位聚四氟乙烯棒的“U”型结构金属块，四氟乙烯棒（7-2）夹紧在金属块的槽（7-1）内。最终使压胶装置（7）放在注胶孔（8-3）内后，将注胶孔内的黏结剂全部挤出。
将各部件按照装配图安装在底座（Ⅰ）上。将4根光纤分别依次穿过滑块（10）、定位中心板（6）光纤孔（6-1）、胶黏剂封装装置（Ⅳ）的孔。旋紧滑块（10）上的螺栓，夹紧光纤光栅。移动一维移动平台（13），同时调节微分头使其与滑块（10）端部接触，直至微分头上面的读数在上述计算得到的范围内为止。两端同时调节相对应的微分头使4根光栅的栅点对应对齐，旋紧调整板两侧的螺栓固定滑块。将胶黏剂通过带有软管的注射器注入胶黏剂封装装置（Ⅳ）。
等待胶黏剂固化后，打破玻璃管以及聚四氟乙烯套管，拆卸各个夹具，取出光纤光栅传感器。
上述实例实施不以任何形式限制本发明，凡采取等同替换或者等效变换的方式所获得的技术方案，均在本发明保护范围内。
Claims (3)
1.一种光纤光栅形状传感器封装夹具，包括一个底座（Ⅰ）、左右各一个方向相反的光纤光栅轴向调整装置（Ⅱ）、中间n个光纤光栅-记忆合金丝定位装置（Ⅲ）和n个胶黏剂封装装置（Ⅳ），用于封装n个栅点，其特征在于：所述左右两个光纤光栅轴向调整装置（Ⅱ）和n个光纤光栅-记忆合金丝定位装置（Ⅲ）全部用螺栓安装在底座上，所述的n个胶黏剂封装装置（Ⅳ）分别安装在n个光纤光栅-记忆合金丝定位装置（Ⅲ）上；
所述光纤光栅轴向调整装置（Ⅱ）的结构是：一个一维移动平台（13）安装在底座（Ⅰ）上，一维移动平台（13）上面与一个调整板（1）连接；四个圆柱形滑块（10）分别安放在调整板（1）上与之配合的滑块孔（1-2）内，每个滑块（10）沿纵向方向上有一个刻槽（10-5），用于夹紧光纤光栅，滑块（10）后端切出两个凹台（10-4），一个凹台上钻出用于夹紧光纤光栅的紧固螺纹孔（10-3），凹台前面刻下横向槽（10-5）至安放光纤光栅的纵向槽处，使夹紧光纤光栅的部分产生足够的变形；调整板（1）的前端用4根连杆（2）连接调整前板（4），调整前板（4）和四个滑块（10）之间分别安装压缩弹簧（3），压缩弹簧（3）的弹性系数已知；在调整板（1）后端的螺纹孔（1-2）分别用四个“Z”型板（11）分别安装四个带有度数的微分头（12），分别与四个滑块（10）另一端接触，配合压缩弹簧（3）调整滑块（10）移动。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅形状传感器封装夹具，其特征在于： 所述的光纤光栅-记忆合金丝定位装置（Ⅲ）的结构是：定位中心板（6）分别由两半圆板组成，分别用2颗定位螺栓与左右两块定位板（5）连接并定位，这两半圆板为一个圆板切开而成；圆板中心为定位记忆合金丝位置的记忆合金丝孔（6-2），记忆合金丝孔（6-2）周围互为90°均匀分布着4个定位光纤光栅的光纤光栅孔（6-1），其与记忆合金丝孔（6-2）的中心距离根据传感器性能要求确定；安装后的4个光纤光栅孔（6-1）为“X”型，即与水平垂直方向呈45°分布；左右两块定位板（5）之间由一块黏结剂封装底板（9）固定连接成一体。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅形状传感器封装夹具，其特征在于：所述的胶黏剂封装装置（Ⅳ）的结构是：一个胶黏剂封装模具（8）由聚四氟乙烯做成，模具中心有封装孔（8-2），与封装孔（8-2）成90°有一个注胶孔（8-3），两个孔表面都要打磨光滑；胶黏剂封装模具（8）通过两个定位孔（8-1）用定位螺栓安装在一个胶黏剂封装底板（9）上，胶黏剂封装底板（9）用定位螺栓与左右两块定位板（5）连接；注胶完成后用一个压胶装置（7）将注胶孔（8-3）中的胶黏剂挤出；压胶装置（7）是一个下端是聚四氟乙烯棒（7-2），压胶装置（7）上端是夹紧并定位聚四氟乙烯棒的“U”型结构金属块，四氟乙烯棒（7-2）夹紧在金属块的槽（7-1）内，最终使压胶装置（7）放在注胶孔（8-3）内后，将注胶孔内的黏结剂全部挤出。
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