CN106643911A - 一种光纤光栅温湿度传感器封装结构 - Google Patents

一种光纤光栅温湿度传感器封装结构 Download PDF

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Abstract

一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，包括湿度传感器结构、温度传感器、传感器封装盒体、传感器封装上盖以及其他附属零件。该传感器封装结构在光纤光栅温湿度传感器测定环境温度、湿度方面发挥了重要作用，其综合考虑了结构在环境温度、湿度和结构应力等因素下对传感器灵敏度、误差等产生的影响，同时还充分考虑了通风和散热，以提高传感器的响应时间。

Description

一种光纤光栅温湿度传感器封装结构
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，属于光纤传感技术领域。
背景技术
湿度传感器被广泛地应用于众多领域，如工业控制、医药生产、农业种植、气象探测以及食品存储等。在这些领域实现对湿度的快速、准确的测量具有重要意义。市场上成熟的电学式湿度传感器产品，如电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器具有测量精度高、响应速度快等优点，但长期稳定性及互换性较差，并且在某些特殊应用场合(例如强电磁环境、油气检测环境)中会失效，甚至引发安全事故，因此，在一些易燃易爆的场合需要一种无源检测的湿度传感器。
光纤传感器是一种典型的无源器件，将其用于湿度检测是一种理想的选择。目前，光纤湿度传感器主要包括传光式湿度传感器、传感式湿度传感器和光纤光栅式湿度传感器。传光式湿度传感器结构简单、使用方便，但其测量精度不高，应用范围有限；传感式湿度传感器尺寸小、结构紧密、易于集成，但测量范围较窄，目前处于实验室研究阶段；光纤光栅式湿度传感器结构更加简单，传感信息检测方便，只需测量波长的变化，而且具有很高的测量精度，较短的响应时间，同时光纤光栅可方便实现温湿度同时检测，具有良好的检测效果。
光纤光栅湿度传感器的敏感元件是与湿敏材料共同起作用的光纤光栅。由于光纤光栅的该种特性，其对来自于外界的作用力特别敏感，尤其是作用于传感器结构上沿光栅轴向的力。当外界作用力发生变化时，光纤光栅会随之发生形变，进而影响其工作精度。另外，光纤光栅湿度传感器的湿敏材料需能够快速响应环境湿度的变化。因此结构方案要使传感器的光纤光栅避免外界作用力的干扰，以保证其精度，同时，在对传感器起保护作用的同时，还要保证湿敏材料与外界空气充分地接触，以提高传感器的响应速率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，解决了传感器响应速率、光栅免应力和传感器封装的问题。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括：
一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，包括：湿度传感器结构、传感器封装盒体、传感器封装上盖、温度传感器、光纤法兰盘和挂钩；
所述传感器封装盒体内表面有用于安装所述湿度传感器结构的个第一凸台，所述第一凸台侧面开有螺纹孔，所述湿度传感器结构的侧面设置有光孔，光孔中设置有T形胶垫，湿度传感器结构的背面通过硅胶粘接于传感器封装盒体内，第一螺钉通过螺纹孔，穿过T形胶垫，固定住湿度传感器结构；
所述传感器封装盒体内表面设置有用于安装温度传感器的个第二凸台，所述第二凸台顶面开有螺纹孔，所述温度传感器通过温度传感器压块限制在第二凸台之间；所述温度传感器压块上开有通孔，所述通孔与所述第二凸台顶面的螺纹孔轴向重合，通过第二螺钉将所述温度传感器固定；
所述传感器封装盒体的一端开有个用于安装光纤法兰盘的光纤法兰孔，光纤法兰盘通过第三螺钉安装于光纤法兰孔内，个光纤法兰盘分别用于光纤输入和光纤输出；所述湿度传感器结构和所述所述温度传感器之间通过光纤连接；
所述传感器封装盒体和所述传感器封装上盖匹配，且表面均开有通风孔。
所述湿度传感器结构包括湿度传感器支架和湿度传感器；
所述湿度传感器支架包括宽槽段、窄槽段和连接宽槽段与窄槽段的凹陷段，宽槽段上开有宽槽，窄槽段上开有窄槽，宽槽段和窄槽段的端面上沿槽向的设置有用于湿度传感器标定的螺纹孔；窄槽段的侧面还设置有安装T形胶垫的光孔；
湿度传感器包括薄膜、轻质连接片和刻有光栅的光纤；
薄膜的一端粘接在宽槽上，另一端通过轻质连接片与刻有光栅的光纤连接，光纤的另一端粘接在窄槽内。
所述凹陷段上设置有通风孔和减重孔。
所述薄膜与宽槽之间、光纤与窄槽之间、薄膜与轻质连接片之间、轻质连接片与刻有光栅的光纤之间均通过胶粘接。
所述刻有光栅的光纤为直径125μm丙烯酸酯涂层标准单模光纤，光栅长度为6-10mm，其与窄槽、轻质连接片的粘接区域均为裸纤粘接。
所述薄膜采用聚合物湿敏材料。
宽槽的表面以及窄槽段表面均为粗糙面。
所述湿度传感器支架长度为90mm-110mm，宽度不小于22mm，高度为6mm-9mm，宽槽段和窄槽段高度相同，均不大于6mm，宽槽段和窄槽段长度相同，均为10mm-20mm。
所述薄膜的长度45mm-65mm，宽度不小于20mm，厚度20μm-30μm，且薄膜与宽槽匹配。
所述传感器封装盒体上安装有光纤法兰盘的一端上，还设置有挂钩。
与现有技术相比，根据本发明的光纤光栅湿度传感器封装结构具有有益的技术效果：
(1)在根据本发明的光纤光栅湿度传感器结构中，湿度传感器支架采用从侧面对垂直于湿度传感器受力向的方向进行限位固定，并且利用胶垫支垫，可以有效避免外界强加于湿度传感器光纤光栅轴向上的应力，而影响测量结果，产生误差；
(2)在根据本发明的用于光纤光栅湿度传感器的封装结构中，各个表面均开有通风孔，可以快速和外界空气进行湿度和温度的对流、传导，加快湿度传感器和温度传感器的响应速率。
附图说明
图1为根据本发明的光纤光栅湿度传感器结构示意图；
图2为根据本发明的用于光纤光栅湿度传感器封装结构分解示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的光纤光栅湿度传感器封装结构做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提出了一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，包括：湿度传感器结构1、传感器封装盒体3、传感器封装上盖4、温度传感器2、光纤法兰盘5和挂钩6；
所述传感器封装盒体3内表面有用于安装所述湿度传感器结构1的2个第一凸台31，所述第一凸台31侧面开有螺纹孔311，所述湿度传感器结构1的侧面设置有光孔114，光孔114中设置有T形胶垫14，湿度传感器结构1的背面通过硅胶粘接于传感器封装盒体3内，避免了湿度传感器结构1的自由旋转，第一螺钉13通过螺纹孔311，穿过T形胶垫14，固定住湿度传感器结构1，采用从侧面对垂直于湿度传感器受力向的方向进行限位固定，并且利用胶垫支垫，可以有效避免外界强加于湿度传感器光纤光栅轴向上的应力而影响测量结果，产生误差；
所述传感器封装盒体3内表面设置有用于安装温度传感器2的4个第二凸台32，所述第二凸台32顶面开有螺纹孔321，所述温度传感器2通过温度传感器压块21限制在第二凸台32之间；所述温度传感器压块21上开有通孔211，所述通孔211与所述第二凸台32顶面的螺纹孔321轴向重合，通过第二螺钉22将所述温度传感器2固定；
所述传感器封装盒体3的一端开有2个用于安装光纤法兰盘5的光纤法兰孔7，光纤法兰盘5通过第三螺钉51安装于光纤法兰孔7内，2个光纤法兰盘5分别用于光纤输入和光纤输出；所述湿度传感器结构1和所述所述温度传感器2之间通过光纤连接；
所述传感器封装盒体3和所述传感器封装上盖4匹配，且表面均开有通风孔33，可以快速和外界空气进行湿度和温度的对流、传导，加快湿度传感器和温度传感器的响应速率。
所述传感器封装盒体3上安装有光纤法兰盘5的一端上，还设置有挂钩6。
如图2所示，所述湿度传感器结构1包括湿度传感器支架11和湿度传感器12；
所述湿度传感器支架11包括宽槽段、窄槽段和连接宽槽段与窄槽段的凹陷段，宽槽段上开有宽槽111，窄槽段上开有窄槽112，宽槽段和窄槽段的端面上沿槽向的设置有用于湿度传感器12标定的螺纹孔113；窄槽段的侧面还设置有安装T形胶垫14的光孔114；
湿度传感器12包括薄膜121、轻质连接片123和刻有光栅的光纤122；
薄膜121的一端粘接在宽槽111上，另一端通过轻质连接片123与刻有光栅的光纤122连接，光纤122的另一端粘接在窄槽112内。
所述凹陷段上设置有通风孔115和减重孔116，加快了和外界空气进行湿度和温度的对流、传导，提高了传感器的响应速率。
所述薄膜121与宽槽111之间、光纤122与窄槽112之间、薄膜121与连接片123之间、连接片123与刻有光栅的光纤122之间均通过胶粘接。
本发明的一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，其原理为当外界环境湿度发生变化时，湿敏薄膜会吸收水分子发生湿膨胀时，将轴向应变传递给光栅，使其中心波长发生漂移而构成湿度传感器。
实施例
本发明刻有光栅的光纤直径为125μm，栅区长度为6mm-10mm。
薄膜121采用聚合物湿敏材料。
宽槽111的表面以及窄槽段表面均为粗糙面。
湿度传感器支架11长度为90mm-110mm，宽度不小于22mm，高度为6mm-9mm，宽槽段和窄槽段高度相同，均不大于6mm，宽槽段和窄槽段长度相同，均为10mm-20mm。
薄膜121的长度45mm-65mm，宽度不小于20mm，厚度20μm-30μm，且薄膜121与宽槽111匹配。
本发明的一个实例为：
刻有光栅的光纤122直径为125μm，栅区长度为10mm。
薄膜121采用聚合物湿敏材料。
宽槽111的表面以及窄槽段表面均为粗糙面。
湿度传感器支架11长度为90mm，宽度为22mm，高度为9mm，宽槽段和窄槽段高度相同，均为6mm，宽槽段和窄槽段长度相同，均为20mm。
薄膜121的长度为45mm，宽度为20mm，厚度30μm，且薄膜121与宽槽111匹配。
本发明的一种光纤光栅温湿度传感器封装结构相较于其他光纤光栅湿度传感器，在响应速率方面有所提升，且使光栅免于外界应力的影响。

Claims (10)

1.一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，其特征在于包括：湿度传感器结构(1)、传感器封装盒体(3)、传感器封装上盖(4)、温度传感器(2)、光纤法兰盘(5)和挂钩(6)；
所述传感器封装盒体(3)内表面有用于安装所述湿度传感器结构(1)的2个第一凸台(31)，所述第一凸台(31)侧面开有螺纹孔(311)，所述湿度传感器结构(1)的侧面设置有光孔(114)，光孔(114)中设置有T形胶垫(14)，湿度传感器结构(1)的背面通过胶粘接于传感器封装盒体(3)内，第一螺钉(13)通过螺纹孔(311)，穿过T形胶垫(14)，固定住湿度传感器结构(1)；
所述传感器封装盒体(3)内表面设置有用于安装温度传感器(2)的4个第二凸台(32)，所述第二凸台(32)顶面开有螺纹孔(321)，所述温度传感器(2)通过温度传感器压块(21)限制在第二凸台(32)之间；所述温度传感器压块(21)上开有通孔(211)，所述通孔(211)与所述第二凸台(32)顶面的螺纹孔(321)轴向重合，通过第二螺钉(22)将所述温度传感器(2)固定；
所述传感器封装盒体(3)的一端开有2个用于安装光纤法兰盘(5)的光纤法兰孔(7)，光纤法兰盘(5)通过第三螺钉(51)安装于光纤法兰孔(7)内，2个光纤法兰盘(5)分别用于光纤输入和光纤输出；所述湿度传感器结构(1)和所述所述温度传感器(2)之间通过光纤连接；
所述传感器封装盒体(3)和所述传感器封装上盖(4)匹配，且表面均开有通风孔(33)。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光温栅湿度传感器封装结构，其特征在于：所述湿度传感器结构(1)包括湿度传感器支架(11)和湿度传感器(12)；
所述湿度传感器支架(11)包括宽槽段、窄槽段和连接宽槽段与窄槽段的凹陷段，宽槽段上开有宽槽(111)，窄槽段上开有窄槽(112)，宽槽段和窄槽段的端面上沿槽向的设置有用于湿度传感器(12)标定的螺纹孔(113)；窄槽段的侧面还设置有安装T形胶垫(14)的光孔(114)；
湿度传感器(12)包括薄膜(121)、轻质连接片(123)和刻有光栅的光纤(122)；
薄膜(121)的一端粘接在宽槽(111)上，另一端通过轻质连接片(123)与刻有光栅的光纤(122)连接，光纤(122)的另一端粘接在窄槽(112)内。
3.根据权利要求2所述的一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，其特征在于：所述凹陷段上设置有通风孔(115)和减重孔(116)。
4.根据权利要求2所述的一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，其特征在于：所述薄膜(121)与宽槽(111)之间、光纤(122)与窄槽(112)之间、薄膜(121)与轻质连接片(123)之间、轻质连接片(123)与刻有光栅的光纤(122)之间均通过胶粘接。
5.根据权利要求2所述的一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，其特征在于：所述刻有光栅的光纤(122)为直径125μm丙烯酸酯涂层标准单模光纤，光栅长度为6-10mm，其与窄槽(112)、轻质连接片(123)的粘接区域均为裸纤粘接。
6.根据权利要求2所述的一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，其特征在于：所述薄膜(121)采用聚合物湿敏材料。
7.根据权利要求2所述的一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，其特征在于：宽槽(111)的表面以及窄槽段表面均为粗糙面。
8.根据权利要求2所述的一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，其特征在于：所述湿度传感器支架(11)长度为90mm-110mm，宽度不小于22mm，高度为6mm-9mm，宽槽段和窄槽段高度相同，均不大于6mm，宽槽段和窄槽段长度相同，均为10mm-20mm。
9.根据权利要求2、4或5所述的一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，其特征在于：所述薄膜(121)的长度45mm-65mm，宽度不小于20mm，厚度20μm-30μm，且薄膜(121)与宽槽(111)匹配。
10.根据权利要求1所述的一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，其特征在于：所述传感器封装盒体(3)上安装有光纤法兰盘(5)的一端上，还设置有挂钩(6)。
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