CN106840455A - 适用于真空环境下的异形基底光纤光栅传感器 - Google Patents

适用于真空环境下的异形基底光纤光栅传感器 Download PDF

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Abstract

一种适用于真空环境下的异形基底光纤光栅传感器，其特征在于：包括温度传感器设计与温度传感器封装，其中温度传感器封装材料为铝合金，加工成异形基底，并选取裸光纤光栅两端用调整架固定，用环氧树脂将塑料套管粘结在光纤光栅两端，以作为防护层使用，然后将光纤光栅与APC/FC熔接，并接于调整好的光纤光栅解调仪用于监控固化时中心波长的变化，将栅区置于封装结构深槽中央，待中心波长值稳定后，使用环氧树脂对光纤光栅进行封装，并固化。

Description

适用于真空环境下的异形基底光纤光栅传感器
技术领域
本专利涉及一种适用于真空环境下的封装气体的光纤光栅传感器，属于光纤传感领域。
背景技术
光纤传感技术自20世纪70年代以来经过40年的发展，已经不断成熟，得到世界范围内的广泛关注。作为光纤传感原理中的优秀代表，基于光纤光栅的传感技术成为传感领域内发展最快的技术之一，涌现出各种基于光纤光栅原理的新型光纤传感器，并已在诸多领域取得了广泛的应用。光纤光栅传感器具有纤细质轻、抗电磁干扰、灵敏度高、耐环境、强度高、稳定性好，可植入复合材料等诸多优点，特别是支持多种编码复用，支持多参量、可编程、自检测，易于实现大规模、高密集、多点网络化和分布式测量。
1978年，加拿大通信研究中心K.O.Hill等人发现并制作出第一根光纤光栅。1989年，Morey提出将光纤光栅用于传感元件，使得光纤光栅在光纤传感领域备受关注。光纤光栅温度传感器以其抗电磁干扰、体积小、质量轻等特点，广泛被应用于航空航天、石油管道等领域的温度测量。国内相关领域的专家学者对光纤光栅温度传感器也进行了许多研究工作。2007年，武汉理工大学郭明金等人设计了两种光纤光栅温度传感器封装，并对它们的低温特性进行了实验研究，温度灵敏度系数分别为28.2pm/℃和21.3pm/℃；2010年，燕山大学张燕君等人研制了一种分布式光纤光栅电缆温度传感器，在20～100℃范围内线性度良好，达99.8％；2013年，中国地震局马晓川等人对高灵敏度稳定光纤光栅温度传感器进行了研究，测得其灵敏度系数达345.9pm/℃；2014年，北京信息科技大学对管式封装的光纤光栅温度传感器进行了研究，增敏性封装温度灵敏度系数达29.97pm/℃。
发明内容
一种适用于真空环境下的异形基底光纤光栅传感器，其特征在于：包括温度传感器设计与温度传感器封装，其中温度传感器封装材料为铝合金，加工成异形基底，并选取裸光纤光栅两端用调整架固定，用环氧树脂将塑料套管粘结在光纤光栅两端，以作为防护层使用，然后将光纤光栅与APC/FC熔接，并接于调整好的光纤光栅解调仪用于监控固化时中心波长的变化，将栅区置于封装结构深槽中央，待中心波长值稳定后，使用环氧树脂对光纤光栅进行封装，并固化。
优选地，选用铝合金7075T6为温度传感器封装材料。
优选地，对所述传感器进行Ansys有限元模拟分析时，施加约束及边界条件均为固定约束和拉伸应力。
优选地，所述传感器置于测试点，并不对其本身与被测件之间加以固定。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了根据本发明的光纤光栅传感器的封基底尺寸；
图2示出了根据本发明的光纤光栅传感器的基底三维图；
图3示出了根据本发明的光纤光栅传感器的封装形式；
图4示出了根据本发明的光纤光栅传感器的ANSYS网格；
图5示出了根据本发明的光纤光栅传感器的底板应变；
图6示出了根据本发明的光纤光栅传感器的传感器底部应变；
图7示出了根据本发明的光纤光栅传感器的环氧树脂层的应变；
图8示出了根据本发明的光纤光栅传感器的光纤光栅Ansys模拟应变分布图；
图9示出了根据本发明的光纤光栅传感器的封装过程。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本专利采用新型的异性基底形式，实现了被测物体形变不会影响光纤光栅传感器中心波长的温度测量。
首先，对温度传感器进行设计与分析，具体方法如下：
尽管铍青铜对温度传感性能要高于铝合金，但是铝合金质量轻，而且在对传感器进行的热量平衡试验中，铍青铜未展示出足够优异的性能，故选用铝合金7075T6为温度传感器封装材料，光纤光栅温度传感器基底尺寸如图1所示，基底三维图如图2所示，封装形式如图3所示。
由光纤光栅温度和应变传感模型的分析可知，光纤光栅对温度的敏感是根据被测件热胀冷缩产生微形变，导致光纤光栅周期和有效折射率变化，最终导致光纤光栅中心波长发生漂移，所以在对光纤光栅温度传感器进行Ansys有限元模拟分析时，施加约束及边界条件均为固定约束和拉伸应力。根据所设计的光纤光栅应变传感器封装形式，利用Ansys软件，选取solid实体单元模型，根据光纤光栅实际尺寸进行建模。由于要避免光纤光栅对温度和应变的交叉敏感，故不对光纤光栅温度传感器施加三向约束，左右两侧施加等量的预松弛应力。保证光纤时刻处于松弛状态，栅区形变仅由光栅受热导致的相变提供。实际工程应用中，光纤光栅温度传感器置于测试点，并不对其本身与被测件之间加以固定。图4-图7分别示出了ANSYS网格、底板应变、传感器底部应变以及环氧树脂层的应变。
本发明通过实验对光纤光栅Ansys模拟失稳波做了仿真，如图8所示。从Ansys应变分布来看，封装整体受力分布均匀。在被测物体发生500微应变时，光纤上微应变为0.12。
其次，对温度传感器进行封装设计：
将铝合金材料加工成异形基底，并选取裸光纤光栅两端用调整架固定，用环氧树脂将塑料套管粘结在光纤光栅两端，以作为防护层使用，然后将光纤光栅与APC/FC熔接，并接于调整好的光纤光栅解调仪用于监控固化时中心波长的变化，将栅区置于封装结构深槽中央，待中心波长值稳定后，使用环氧树脂对光纤光栅进行封装，并固化24小时。完成固化后，检查光纤光栅温度传感器中心波长数值。封装完成后温度传感器如图9所示。安装在被测物体表面时，需要加上防护盒阻止辐照。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种适用于真空环境下的异形基底光纤光栅传感器，其特征在于：包括温度传感器设计与温度传感器封装，其中温度传感器封装材料为铝合金，加工成异形基底，并选取裸光纤光栅两端用调整架固定，用环氧树脂将塑料套管粘结在光纤光栅两端，以作为防护层使用，然后将光纤光栅与APC/FC熔接，并接于调整好的光纤光栅解调仪用于监控固化时中心波长的变化，将栅区置于封装结构深槽中央，待中心波长值稳定后，使用环氧树脂对光纤光栅进行封装，并固化。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：选用铝合金7075T6为温度传感器封装材料。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：对所述传感器进行Ansys有限元模拟分析时，施加约束及边界条件均为固定约束和拉伸应力。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述传感器置于测试点，并不对其本身与被测件之间加以固定。
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