CN107024234A - 一种光纤光栅传感器的封装装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光纤光栅传感器的封装装置，包括底座和工作台，工作台上设有光纤支撑座，工作台的中部设有通孔，通孔内设有用于调节光纤光栅传感器中间层厚度的升降块；升降块的下部设有用于控制升降块升降的升降机构；在工作台的通孔两侧设有用于夹持光纤的模具，模具的中部设有露出所述通孔的腔体，模具的外侧设有夹紧机构；本封装装置还设有用于将工作台盖住的加热顶盖，以及用于在封装完成后取出光纤光栅传感器和模具的取模工具。本发明通过采用升降块来控制中间层厚度，利用该装置封装的传感器具有统一的尺寸外形，从而使光纤光栅传感器的封装更标准更规范；所制作的传感器与待测物体相互独立，实现传感器的重复利用。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感领域，具体涉及一种光纤光栅传感器的封装装置及方法。
背景技术
光纤布拉格光栅是一种通过一定方法在光纤内部写入具有周期性折射率的衍射光栅，当温度、应力等环境条件变化时，将引起光栅反射波长的变化,通过测量波长的变化量，就可感知引起变化的物理量以及大小。因其具有体积小、质量轻、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰以及分布式测量等优点，在传感器领域应用广泛，前景十分广阔。
光纤光栅主要成分为二氧化硅，质地脆硬，抗剪切能力差，因此裸光纤直接使用的范围受到很大限制，在实际使用过程中需根据不同的应用场合对光纤光栅进行封装达到保护与增敏的作用。目前光纤光栅传感器大都利用环氧树脂胶等进行封装与固定，主要封装方式有基片式封装、嵌入式封装和金属管封装等。在封装过程中，常需要对光纤光栅施加一定预应力，避免了啁啾现象，从而有利于传感器的稳定和良好的重复性。对于嵌入式封装或表面粘贴式光纤光栅的封装，其与被测物体表面之间的距离即中间层距离影响被测物理量的传递效率，有效控制中间层的厚度传感器的性能具有十分重要的意义。此外，高性能的固化胶多需要在一定的温度下进行固化，加热固化能够消除常温下固化的内部应力不均的情况，使封装之后的光纤光栅传感器具有更好的线性度；同时因为对胶体和光纤进行了热处理，在使用过程中光纤光栅传感器的温度稳定性能能够保持稳定。
目前，采用胶粘剂封装时，涂覆粘胶剂时的不确定性包括胶粘剂的质量、形状等，以及粘胶剂的流动性会导致高温固化后的传感器尺寸规格不统一，灵敏度差异较大。另外直接利用胶粘剂将光纤光栅传感器封装在被测试对象上，难以达到重复利用，且灵敏度的标定难以实现。对于中间层厚度控制尚未提出一套实用的封装方法与操作装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种光纤光栅传感器的封装装置及方法，使光纤光栅传感器的封装更标准更规范、控制中间层厚度以及实现传感器的重复利用。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种光纤光栅传感器的封装装置，包括底座和位于底座上的工作台，工作台上设有光纤支撑座，其特征在于：工作台的中部设有通孔，通孔内设有用于调节光纤光栅传感器中间层厚度的升降块；升降块的下部设有用于控制升降块升降的升降机构；在工作台的通孔两侧设有用于夹持光纤的模具，模具的中部设有露出所述通孔的腔体，模具的外侧设有夹紧机构；
本封装装置还设有用于将工作台盖住的加热顶盖，以及用于在封装完成后取出光纤光栅传感器和模具的取模工具。
按上述方案，所述的模具由两片结构对称的凹形模具片拼合而成，凹形模具片的中部设有横向的光纤凹槽，凹形模具片的顶部设有楔形孔；两片凹形模具片的凹部构成所述的腔体，两片凹形模具片的光纤凹槽构成供光纤穿过的光纤通孔，两片凹形模具片的楔形孔与所述的取模工具匹配。
按上述方案，所述的取模工具包括上下设置的活动压板和固定压板，以及穿过固定压板与活动压板固定连接的楔形杆，活动压板与固定压板之间的楔形杆上套有弹簧；所述的楔形杆底部的形状与所述的两片凹形模具片的楔形孔相匹配。
按上述方案，所述的升降机构包括依次连接的调节杆、主动锥齿轮、从动锥齿轮和升降螺杆，其中升降螺杆的末端与升降块底部连接；所述的调节杆从所述的底座侧向伸出。
按上述方案，所述的夹紧机构包括设置在工作台上的两个滑块，滑块的底部连接有夹紧弹簧，夹紧弹簧套在导杆中；所述的工作台上设有与所述的通孔相互垂直的槽体，所述的导杆和夹紧弹簧设置在槽体中，且导杆的两端与工作台固定。
按上述方案，所述的加热顶盖包括盖体，盖体中设有电阻丝和温度传感器。
按上述方案，所述的加热顶盖与所述的工作台之间通过铰链连接。
利用所述的光纤光栅传感器的封装装置实现的封装方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、调节升降块位于初始高度，初始高度为升降块顶面与工作台顶面重合；
S2、将光纤放置在光纤支撑座内，使得光纤的光栅位于所述的升降块中部，光纤的两端施加预应力；
S3、调节升降块的高度，直到达到所需的中性层厚度；
S4、将夹紧机构撑开，将模具放置在通孔两侧夹持住光纤，模具的中部构成露出所述通孔的腔体，再利用夹紧机构将模具夹紧；
S5、在模具的腔体内注入一定体积的封装材料；合上加热顶盖，设置温度对封装材料进行加热固化；
S6、固化完成后，用取模工具压在模具顶部，进行取模。
按上述方法，所述的模具由两片结构对称的凹形模具片拼合而成，凹形模具片的中部设有横向的光纤凹槽，凹形模具片的顶部设有楔形孔；两片凹形模具片的凹部构成所述的腔体，两片凹形模具片的光纤凹槽构成供光纤穿过的光纤通孔；
所述的取模工具包括上下设置的活动压板和固定压板，以及穿过固定压板与活动压板固定连接的楔形杆，活动压板与固定压板之间的楔形杆上套有弹簧；所述的楔形杆底部的形状与所述的两片凹形模具片的楔形孔相匹配；
所述的S6具体为：固化完成后，用固定压板压在模具顶部，楔形杆底部插入模具的楔形孔内，按压活动压板从而撑开模具，进行取模。
按上述方法，所述的S2在光纤上套上松套管。
本发明的有益效果为：通过采用升降块来控制中间层厚度，采用有腔体的模具和加热顶盖的配合，受热均匀和恒定，封装材料的大小恒定，利用该装置封装的传感器具有统一的尺寸外形，从而使光纤光栅传感器的封装更标准更规范；所制作的传感器与待测物体相互独立，实现传感器的重复利用；还可对传感器进行标定后使用，提高使用精度。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为模具的结构示意图。
图3为夹紧机构的结构示意图。
图4为升降模块的结构示意图。
图5为加热顶盖的结构示意图。
图6为图5的侧视图。
图7为取模工具的结构示意图。
图8为图7的侧视图。
图中：底座块1、前支撑块2、工作台3、光纤4、光纤支撑座5、模具6、夹紧机构7、加热顶盖8、铰链9、后支撑块10、升降机构11、取模工具12、凹形模具片6-1、光纤凹槽6-2、楔形孔6-3、挡板7-1、挡板固定装置7-2、导轨7-3、夹紧弹簧7-4、滑块7-5、盖体8-1、电阻丝8-2、温度传感器8-3、升降块11-1、升降螺杆11-2、从动锥齿轮11-3、主动锥齿轮11-4、调节杆11-5、固定压板12-1、活动压板12-2、螺钉12-3、楔形杆12-4、弹簧12-5。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种光纤光栅传感器的封装装置，如图1至8所示，包括底座和位于底座上的工作台3，工作台3上设有光纤支撑座5，本实施例中，底座由底座块1和与底座块1通过螺纹连接的前支撑块2和后支撑块10构成；工作台3的中部设有通孔，通孔内设有用于调节光纤光栅传感器中间层厚度的升降块11-1，本实施例中通孔和升降块11-1均为矩形；升降块11-1的下部设有用于控制升降块11-1升降的升降机构；在工作台3的通孔两侧设有用于夹持光纤4的模具6，模具6的中部设有露出所述通孔的腔体，模具6的外侧设有夹紧机构7；本封装装置还设有用于将工作台3盖住的加热顶盖8，以及用于在封装完成后取出光纤光栅传感器和模具6的取模工具12。加热顶盖与所述的工作台之间通过铰链9连接。
所述的模具6由两片结构对称的凹形模具片6-1拼合而成，凹形模具片6-1的中部设有横向的光纤凹槽6-2，凹形模具片6-1的顶部设有楔形孔6-3；两片凹形模具片6-1的凹部构成所述的腔体，两片凹形模具片6-1的光纤凹槽6-2构成供光纤4穿过的光纤通孔，两片凹形模具片6-1的楔形孔6-3与所述的取模工具12匹配。本实施例中，模具6通过特殊处理使其不粘胶，如添加聚四氟乙烯涂层。
所述的取模工具12包括上下设置的活动压板12-2和固定压板12-1，以及穿过固定压板12-1通过螺钉12-3与活动压板12-2固定连接的楔形杆12-4，活动压板12-2与固定压板12-1之间的楔形杆12-4上套有弹簧12-5；所述的楔形杆12-4底部的形状与所述的两片凹形模具片6-1的楔形孔6-3相匹配。
所述的升降机构11包括依次连接的调节杆11-5、主动锥齿轮11-4、从动锥齿轮11-3和升降螺杆11-2，其中升降螺杆11-2的末端与升降块11-1底部连接；所述的调节杆11-5从所述的底座侧向伸出。升降块11-1为长方体结构，整体限制于工作台3的通孔内，可上下滑动，升降块11-1的下表面中心位置设有螺纹盲孔，与升降螺杆11-5通过螺纹联接，调节杆11-5底端限制于底座块1内，调节杆11-5上安装有从动锥齿轮11-3，调节杆11-5安装于前支撑块2的通孔内，端部装配主动锥齿轮11-4通过齿轮啮合驱动从动锥齿轮11-3。
所述的夹紧机构7包括设置在工作台3上的两个滑块7-5，滑块7-5的底部连接有夹紧弹簧7-4，夹紧弹簧7-4套在导杆7-3中；所述的工作台3上设有与所述的通孔相互垂直的槽体，所述的导杆7-3和夹紧弹簧7-4设置在槽体中，且导杆7-3的两端与工作台3固定。本实施例中，导杆7-3的后端与槽体固定，导杆7-3的前端与前支撑块2的顶部通过挡板7-1和挡板固定装置7-2固定。
所述的加热顶盖8包括盖体8-1，盖体8-1中设有电阻丝8-2和温度传感器8-3。在合上盖体8-1后，电阻丝8-2对封闭空间进行加热，根据温度传感器8-3的反馈进行温度控制。
在位置布置上，所述的光纤支撑座5设置在模具6的长度方向上，光纤支撑座5与模具6中的光纤通孔轴线在同一直线上；夹紧机构7设有2组，夹紧机构7的滑块设置在模具6的宽度方向上，2组夹紧机构7的夹紧弹簧7-4的弹性系数相同。
利用所述的光纤光栅传感器的封装装置实现的封装方法，包括以下步骤：
S1、调节升降块11-1位于初始高度，初始高度为升降块11-1顶面与工作台3顶面重合。
S2、将光纤4放置在光纤支撑座5内，使得光纤4的光栅位于所述的升降块11-1中部，光纤4的两端采用悬挂重物或其他方式施加预应力，同时可对光纤4套上松套管以达到保护作用。
S3、通过调节调节杆11-5改变升降块11-1顶面与光栅的距离，直到达到所需的中性层厚度。
S4、将夹紧机构7向弹簧7-4压缩的方向撑开，将模具6放置在通孔两侧夹持住光纤4，模具6的中部构成露出所述通孔的腔体，即将模具6在光栅区进行合模；再缓慢放松夹紧机构7使其在弹簧力的作用下将模具6夹紧。
S5、在模具6的腔体内注入一定体积的封装材料（例如具有自流平性能的胶粘剂）；合上加热顶盖8，设置温度对封装材料进行加热固化。
S6、固化完成后，用取模工具12压在模具6顶部，楔形杆12-4底部插入模具6的楔形孔6-3内，按压活动压板12-2从而撑开模具6，进行取模，从而完成光纤光栅传感器的封装。
本发明的光纤光栅传感器封装装置具有机械结构简单、体积小、易操作等特点，封装过程中可在加载预应力的情况下进行高温固化，避免传感器的啁啾现象。由于利用模具进行封装，可严格控制光纤光栅传感器结构与尺寸，保证测量范围内的线性度和热稳定性，同时封装之后的光纤光栅为独立的传感器，可对其进行标定后使用，达到更准确的测量精度，此外可通过强力瞬间胶等方式固定于被测体表面，为光纤光栅传感器的重复利用提供了可能。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤光栅传感器的封装装置，包括底座和位于底座上的工作台，工作台上设有光纤支撑座，其特征在于：工作台的中部设有通孔，通孔内设有用于调节光纤光栅传感器中间层厚度的升降块；升降块的下部设有用于控制升降块升降的升降机构；在工作台的通孔两侧设有用于夹持光纤的模具，模具的中部设有露出所述通孔的腔体，模具的外侧设有夹紧机构；
本封装装置还设有用于将工作台盖住的加热顶盖，以及用于在封装完成后取出光纤光栅传感器和模具的取模工具。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器的封装装置，其特征在于：所述的模具由两片结构对称的凹形模具片拼合而成，凹形模具片的中部设有横向的光纤凹槽，凹形模具片的顶部设有楔形孔；两片凹形模具片的凹部构成所述的腔体，两片凹形模具片的光纤凹槽构成供光纤穿过的光纤通孔，两片凹形模具片的楔形孔与所述的取模工具匹配。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅传感器的封装装置，其特征在于：所述的取模工具包括上下设置的活动压板和固定压板，以及穿过固定压板与活动压板固定连接的楔形杆，活动压板与固定压板之间的楔形杆上套有弹簧；所述的楔形杆底部的形状与所述的两片凹形模具片的楔形孔相匹配。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器的封装装置，其特征在于：所述的升降机构包括依次连接的调节杆、主动锥齿轮、从动锥齿轮和升降螺杆，其中升降螺杆的末端与升降块底部连接；所述的调节杆从所述的底座侧向伸出。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器的封装装置，其特征在于：所述的夹紧机构包括设置在工作台上的两个滑块，滑块的底部连接有夹紧弹簧，夹紧弹簧套在导杆中；所述的工作台上设有与所述的通孔相互垂直的槽体，所述的导杆和夹紧弹簧设置在槽体中，且导杆的两端与工作台固定。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器的封装装置，其特征在于：所述的加热顶盖包括盖体，盖体中设有电阻丝和温度传感器。
7.根据权利要求1或6所述的光纤光栅传感器的封装装置，其特征在于：所述的加热顶盖与所述的工作台之间通过铰链连接。
8.利用权利要求1所述的光纤光栅传感器的封装装置实现的封装方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、调节升降块位于初始高度，初始高度为升降块顶面与工作台顶面重合；
S2、将光纤放置在光纤支撑座内，使得光纤的光栅位于所述的升降块中部，光纤的两端施加预应力；
S3、调节升降块的高度，直到达到所需的中性层厚度；
S4、将夹紧机构撑开，将模具放置在通孔两侧夹持住光纤，模具的中部构成露出所述通孔的腔体，再利用夹紧机构将模具夹紧；
S5、在模具的腔体内注入一定体积的封装材料；合上加热顶盖，设置温度对封装材料进行加热固化；
S6、固化完成后，用取模工具压在模具顶部，进行取模。
9.根据权利要求8所述的封装方法，其特征在于：所述的模具由两片结构对称的凹形模具片拼合而成，凹形模具片的中部设有横向的光纤凹槽，凹形模具片的顶部设有楔形孔；两片凹形模具片的凹部构成所述的腔体，两片凹形模具片的光纤凹槽构成供光纤穿过的光纤通孔；
所述的取模工具包括上下设置的活动压板和固定压板，以及穿过固定压板与活动压板固定连接的楔形杆，活动压板与固定压板之间的楔形杆上套有弹簧；所述的楔形杆底部的形状与所述的两片凹形模具片的楔形孔相匹配；
所述的S6具体为：固化完成后，用固定压板压在模具顶部，楔形杆底部插入模具的楔形孔内，按压活动压板从而撑开模具，进行取模。
10.根据权利要求8所述的封装方法，其特征在于：所述的S2在光纤上套上松套管。
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