CN107560643A - 飞秒激光直写光栅的结构力学传感器的封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光直写光栅的结构力学传感器的封装方法，该方法包括：选用聚酰亚胺涂覆层光纤，采用飞秒脉冲激光对所述聚酰亚胺涂覆层的光纤表面进行刻写制成光纤光栅；用低熔点玻璃焊接将光纤光栅的光栅两端的光纤分别直接焊接在金属弹性体上，将所述金属弹性体设置在基座上，将所述金属弹性体、焊接在该金属弹性体上的光纤光栅和基座均固定封装在保护管内，即完成光纤光栅传感器的封装。通过采用具有耐高温的聚酰亚胺涂覆层的光纤，配合飞秒激光器对该光纤进行刻栅，保证了在低熔点玻璃270℃焊接温度下涂覆层不会被烧坏，实现了结合低熔点玻璃焊接封装工艺，进而实现了同时解决现有光纤光栅结构力学传感器抗拉强度低和蠕变的问题。

Description

飞秒激光直写光栅的结构力学传感器的封装方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感器封装领域，尤其涉及一种飞秒激光直写光栅的结构力学传感器的封装方法。

背景技术

光纤光栅传感器有两个最大的优点：一是信息对波长绝对编码；二是属于本征型传感器。因此，光纤光栅传感器的突出优势在于：无源本安、体小质轻、不怕雷击、抗电磁干扰、多参量同时测量、超远距离传输、精度高、性质稳定、环境适应性强。近年来，光纤光栅传感器在石化、电力、交通、公路桥梁等行业得到了广泛的应用。

光纤Bragg光栅结构力学传感器的核心敏感元件是光纤Bragg光栅，现在常用的刻栅方法是剥掉光纤涂覆层后通过相位掩模写入光栅，但在剥落涂覆层的过程中势必会在光纤表面遗留永久的机械裂纹造成机械损伤，会大大降低光纤的抗拉强度。

由于光纤光栅元件的敏感脆弱特性，它的封装技术成为制作光纤光栅结构力学传感器工程应用中的关键技术。现在常用的封装方式包括：1)用特制的环氧树脂胶将光纤光栅封装在金属管内或金属片上。但环氧树脂胶属于有机物，易老化分解，不利于恶劣环境的长期使用；2)用胶封装，但由于胶的蠕变导致长期使用传感器标定“零点”漂移的现象，限制其在工程项目中的使用；3)采用低熔点玻璃焊接普通光栅的形式，抗拉强度仅为0.4kg,即会断裂，严重限制了FBG传感器的应用范围。

目前光纤光栅结构力学传感器在封装制作的过程中为了保证成品传感器具备一定的抗拉强度，大部分采用了环氧树脂灌封胶的方式，即将普通丙烯酸酯涂覆层的光纤光栅用环氧树脂胶直接粘接在弹性体表面，通过其与弹性体的协同变形来实现测试目的。该环氧树脂胶灌封的结构如图1所示(其中，1为弹性基体；2为光栅；3为灌封胶)，但这种采用环氧树脂胶灌封的光纤光栅结构力学传感器存在以下缺陷：由于环氧树脂胶本身的蠕变特性，采用该封装工艺的光纤光栅结构力学传感器在长期使用过程中，会随着环氧树脂胶的蠕变带动封装在内部的光纤光栅一起发生蠕变使得传感器波长零点的漂移，最终导致传感器失效无法使用。这种采用环氧树脂胶灌封的光纤光栅结构力学传感器的蠕变实验结果如图2所示，实验中将两支光纤光栅并排放在一起，一支预拉伸1.5nm,采用环氧树脂胶封装，另外一支静止放置在旁边，感受相同的温度，做温度补偿。在周期为半年的实验中，每天记录一组数据，数据处理采用以下公式：

上式中，λ₀：测试光栅的初始波长，单位：nm；

λ：测试光栅的中心波长，单位：nm；

λ_T：温度补偿传感器的实测波长，单位：nm；

温度补偿传感器的初始波长，单位：nm；

B_T：温度补偿传感器的温度系数，单位：℃/pm；

B_ε：测试光栅的温度系数，单位：℃/pm；

得到的数据即为去除温度影响后的波长，在周期为半年的测试中，每天记录一组数据，整理后得出：采用环氧树脂胶的测试光栅在静止状态下，去除温度影响，波长持续降低。这种封装结构的传感器由于环氧树脂胶蠕变，持续降低的波长将作为测量误差持续影响着传感器的性能。

目前还有另外一种封装方式是采用低熔点玻璃焊接，将裸光栅两端焊接在弹性体上(普通光纤的涂覆层为丙烯酸酯，耐温大概120℃，低熔点焊接玻璃的融化温度是270℃。这样就导致存在一个问题：在焊接的过程中，低熔点玻璃尚未融化，但是丙烯酸酯涂覆层已经被烧毁。所以普通工艺中将低熔点玻璃焊接在裸光纤上，必然会导致光纤更脆)低熔点玻璃以其较高的化学稳定性和结合强度等性能，解决了环氧树脂胶特性造成的蠕变问题。但这样的封装结构又引出另外一个问题，即封装好的光纤光栅结构力学传感器的抗拉强度较低，普通光栅在刻制的时候需要先剥离涂覆层，在剥离过程中势必会产生机械裂纹，强度难以被保证。对于普通光纤光栅的低熔点玻璃封装方式，发明人进行了大量的抗拉实验，实验数据证明其抗拉强度为0.4kg左右，即用其封装的光纤光栅传感器的波长移动约为4.5nm，非常限制光纤光栅传感器的工程应用，更有甚者在运输过程中都会损坏。普通光纤光栅抗拉强度实验结果如图3所示，普通光栅的结构如图4所示(其中，41为Bragg光栅；42为光纤纤芯；43为包层；44为机械裂纹；45为丙烯酸酯涂覆层；A为入射光；B为返射光)。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种飞秒激光直写光栅的结构力学传感器的封装方法，能同时解决现有光纤光栅结构力学传感器抗拉强度低和蠕变的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种飞秒激光直写光栅的结构力学传感器的封装方法，包括：

选用聚酰亚胺涂覆层光纤，采用飞秒脉冲激光对所述聚酰亚胺涂覆层的光纤表面进行刻写制成光纤光栅；

用低熔点玻璃焊接将光纤光栅的光栅两端的光纤分别直接焊接在金属弹性体上，将所述金属弹性体设置在基座上，将所述金属弹性体、焊接在该金属弹性体上的光纤光栅和基座均固定封装在保护管内，即完成光纤光栅传感器的封装。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的用于结构力学光纤光栅传感器的封装方法，其有益效果为：

通过采用具有耐高温的聚酰亚胺涂覆层的光纤，并采用由飞秒激光对该光纤进行刻栅形成的光纤光栅，保证了在低熔点玻璃270℃至380℃焊接温度下光纤涂覆层不会被烧坏，实现了结合低熔点玻璃焊接的封装工艺，进而实现了同时解决现有光纤光栅结构力学传感器抗拉强度低和蠕变的问题。该封装方式保留光纤更好的机械强度以及具有更好的抗蠕变性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有技术提供的环氧树脂胶灌封的光纤光栅示意图；

图2为图1的光纤光栅结构力学传感器的蠕变实验结果示意图；

图3为现有技术提供的普通光纤光栅抗拉强度实验结果示意图；

图4为现有技术提供的普通光栅的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的光纤光栅传感器低熔点玻璃封装结构示意图；

图6为本发明实施例提供的低熔点玻璃焊接光纤光栅传感器与现有环氧树脂胶封装光纤光栅传感器的蠕变对比试验结果示意图；

图7为本发明实施例提供的聚酰亚胺涂覆层光纤光栅传感器与现有丙烯酸酯涂覆层光纤光栅传感器的抗拉强度对比实验示意图；

图1中：1-弹性基体；2-光栅；3-灌封胶；

图4中：41-Bragg光栅；42-光纤纤芯；43-包层；44-机械裂纹；45-丙烯酸酯涂覆层；A-入射光；B-返射光；

图5中：51-基体；52-飞秒激光直写光栅；53-低熔点玻璃焊点；54-弹性金属体；55-保护管。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参见图5，本发明实施例提供一种飞秒激光直写光栅的结构力学传感器的封装方法，包括：

选用聚酰亚胺涂覆层光纤，采用飞秒脉冲激光对聚酰亚胺涂覆层的光纤表面进行刻写制成光纤光栅；

用低熔点玻璃焊接将所述光栅结构两端的光纤分别直接焊接在金属弹性体上，将所述金属弹性体设置在基座上，将所述金属弹性体、焊接在该金属弹性体上的光栅结构和基座均固定封装在保护管内，即完成光纤光栅传感器的封装。

上述封装方法中，采用飞秒脉冲激光对所述聚酰亚胺涂覆层的光纤表面进行刻写制成光纤光栅为：

采用飞秒激光脉冲诱导光纤纤芯产生折射率变化对表面设有聚酰亚胺涂覆层的光纤表面进行刻写制成光纤光栅。

上述封装方法中，采用飞秒脉冲激光对所述聚酰亚胺涂覆层的光纤表面进行刻写制成光纤光栅为：

利用聚焦的飞秒激光束沿光纤逐点曝光，使光纤纤芯的折射率形成周期性分布来制成光栅的逐点刻写法进行刻写制成光纤光栅。

上述封装方法中，用低熔点玻璃焊接将光栅结构两端的光纤分别直接焊接在金属弹性体中的低熔点玻璃焊接温度为：270℃～380℃。

如图5所示(其中，51为基体，52为飞秒激光刻写的聚酰亚胺光栅，53为低熔点玻璃焊点，54为弹性金属体，55为保护管)，本发明实施例还提供一种用于结构力学光纤光栅传感器封装结构，包括：

保护管，其内封装固定设有基座、金属弹性体和光纤；

基座上固定设置金属弹性体，金属弹性体上经低熔点玻璃焊接固定设置光纤，光纤表面设有聚酰亚胺涂覆层，光纤上设有由飞秒激光脉冲刻写的光纤光栅结构，光纤光栅结构处于该光纤在金属弹性体上的两个低熔点玻璃焊接点之间。

上述封装结构中，金属弹性体上经低熔点玻璃焊接固定设置光纤的低熔点玻璃焊接温度为：270℃～380℃。

本发明采用飞秒激光器刻栅的带有聚酰亚胺涂覆层光纤光栅结合低熔点玻璃焊接封装工艺解决蠕变的问题；同时解决了现有光纤光栅结构力学传感器抗拉强度低的问题。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

本发明提供的飞秒激光直写光栅的结构力学传感器的封装方法为：采用具有聚酰亚胺涂覆层的光纤利用飞秒激光刻写光栅技术，结合低熔点玻璃焊接技术将光栅两端直接焊接在金属弹性体上，再将弹性体放置于基座上并用保护管加以保护，形成的封装结构参见图5。

上述封装方法中，利用飞秒激光精准聚焦于光纤纤芯并产生局部局部直射率调制，新型飞秒激光逐点直写技术高效灵活制造高端FBG——fsFBG，其优势在于：在用户指定或者提供的光纤上直写FBG；飞秒激光的非线性光学效应产生极端稳定的不可擦除的光栅作为传感器件；至1000摄氏度的极端稳定性；透过涂覆层直写,保留光纤更好的机械强度，保留特殊涂覆层的优异性能，远高于常规剥离——再涂覆法光纤光栅的机械强度；抗辐射，抗潮湿，抗氢暗化，抗电磁干扰。

上述封装方法中，光纤表面涂覆层所用的聚酰亚胺是一种耐高温材料，具有极高的耐热性、优异的化学稳定性、良好的电绝缘性和高机械强度等性能。为了保证在低熔点玻璃270℃焊接温度下涂覆层不会被烧坏，本发明采用在光纤涂覆聚酰亚胺涂覆层。

低熔点玻璃焊接所用的低熔点玻璃是一种低温封接玻璃焊料，封装中可直接将金属管套与光纤密封，无需将光纤表面金属化，浸润性良好，能够达到气密封装；化学稳定较好，熔封过程中不产生气体，熔封后无残留物；气密封接温度比较低，封接温度范围为270℃～380℃，易于操作；适用性强，相对传统封装，使用该产品封装后的元件寿命长。较常规环氧树脂胶的封装工艺，光纤光栅依靠低熔点玻璃焊接，接触点稳定性好，消除了蠕变造成的波长零点的漂移。

使用低熔点玻璃焊接即无氧焊接的结构力学光纤光栅传感器与常规环氧树脂胶封装的结构力学光纤光栅传感器的长期蠕变实验数据对比如图6所示，从实验图标中可以看出，封装方法采用了低熔点玻璃焊接的结构力学光纤光栅传感器随着时间的推移波长漂移几乎为零，即波长稳定几乎没有蠕变的产生，而采用环氧树脂胶封装的传感器随着时间的推移环氧树脂胶的蠕变导致波长持续降低，持续降低的波长作为测量误差持续影响着传感器的性能。

本发明封装方法形成的封装结构与普通丙烯酸酯涂覆层光纤光栅传感器的抗拉强度对比如图7所示，从中可以看出本发明封装结构的抗拉强度平均约为4.5kg，普通丙烯酸酯涂覆层光纤光栅传感器抗拉强度平均约为0.4kg，前者远远高于后者，强度更好，更能满足工程应用所要求范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种飞秒激光直写光栅的结构力学传感器的封装方法，其特征在于，包括：

选用聚酰亚胺涂覆层光纤，采用飞秒脉冲激光对所述聚酰亚胺涂覆层的光纤表面进行刻写制成光纤光栅；

用低熔点玻璃焊接将光纤光栅的光栅两端的光纤分别直接焊接在金属弹性体上，将所述金属弹性体设置在基座上，将所述金属弹性体、焊接在该金属弹性体上的光纤光栅和基座均固定封装在保护管内，即完成光纤光栅传感器的封装。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光直写光栅的结构力学传感器的封装方法，其特征在于，所述方法中，采用飞秒脉冲激光对所述聚酰亚胺涂覆层的光纤表面进行刻写制成光纤光栅为：

采用飞秒激光精准聚焦于光纤纤芯并产生局部的折射率调制，对表面设有聚酰亚胺涂覆层的光纤表面进行刻写制成光栅结构。

3.根据权利要求1或2所述的飞秒激光直写光栅的结构力学传感器的封装方法，其特征在于，所述方法中，采用飞秒脉冲激光对所述聚酰亚胺涂覆层的光纤表面进行刻写制成光纤光栅为：

利用聚焦的飞秒激光束沿光纤逐点曝光，使光纤纤芯的折射率形成周期性分布来制成光栅的逐点刻写法进行刻写制成光纤光栅。