CN107764294A - 一种光纤法珀传感器熔接封装装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤法珀传感器熔接封装装置，属于光纤传感器制造技术领域。该装置在圆柱形中空管内腔与传输光纤间形成环形熔接区，利用旋转方法熔接。本发明简化了熔接封装光路结构的复杂性，降低了设备成本，改善了熔接点处应力分布不均匀，提高了圆柱形中空管内腔与传输光纤熔接封装的可靠性以及光纤法珀传感器在高温环境下的性能稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤法珀传感器熔接封装装置，属于光纤传感器制造技术领域。
背景技术
光纤法珀传感器以其体积小、耐温高、结构简单且设计灵活等特点已成为解决高温环境下关键参数测量的主要技术手段。在光纤法珀传感器一般包括传输光纤(微米级外径)、圆柱形中空管(毫米级外径)及敏感结构三部分，传输光纤穿入圆柱形中空管，并在中空管内腔实现准直与固定，圆柱形中空管另一端与敏感结构固定，从而实现光纤法珀传感器的整体封装。封装工艺的可靠性直接影响光纤法珀传感器在高温下性能的稳定，目前用于传输光纤与圆柱形中空管封装的技术(如环氧胶粘、玻璃焊料焊接等)无法保证传感器在高温环境下的稳定性，其原因主要在于封装所用的材料，这些材料不耐高温或者与传感器材料热膨胀系数不匹配而引起热应力造成整体结构高温稳定性差。因此在无需封装材料的前提下，实现微米级外径的传输光纤与毫米级外径的圆柱形中空管的耐高温封装技术已成为光纤法珀传感器制造技术领域的一个难点。
为此，国内外开展了很多无需封装材料的光纤传感器耐高温封装技术的研究。如，文献“光纤F-P干涉仪传感器封装方法的研究”中提到一种光纤传感器封装方法，采用单侧高频CO2脉冲激光照射热熔接固定的方式实现外径300μm的石英毛细管与外径125μm的光纤熔接；申请专利号201410052539.1与201410035608.8的专利均提供了一种用于传输高功率激光的光纤端帽与光纤的熔接装置及方法，均采用光学器件旋转方式将激光光束整形为圆环状光束，实现两个端面360°加热熔接；申请专利号201110227369.2的专利涉及用CO2激光器将光纤与传感器体进行激光熔接，但未详细提及熔接装置及方法；申请专利号200710010715.5的专利提供了一种采用分振幅法产生三束强度均等的激光熔接固定的方式实现120μm的环状熔接；申请专利号03111552.7的专利中提到采用由柱面透镜和交角为120°两个平面镜构成三束聚焦光学系统可实现对光纤的微加工。
综上所述，针对在毫米级外径的圆柱形中空管内腔熔接微米级外径的传输光纤的封装需求，采用单侧高频CO2脉冲激光熔接方法，将需要至少三台激光器，成本高；采用光学器件旋转方式将激光光束整形为圆环状光束的熔接方法，只能在圆柱形中空管端部实现与传输光纤的熔接，无法实现在中空管内腔与传输光纤的熔接，且端部的切应力最大，容易引起熔点位置处断裂；采用分振幅法产生三束强度均等的激光熔接方法，光路结构复杂，并且很难保证三束激光强度均等，由此带来熔接点处应力分布不均匀，影响到光纤法珀传感器在高温环境下的性能稳定性；由柱面透镜和交角为120°两个平面镜构成三束聚焦光学系统中所产生的激光加热熔接区在尺寸及能量分布方面，无法满足毫米级外径的圆柱形中空管加工需求，导致环状加热熔接区能量不均匀，无法实现可靠熔接。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有熔接无法实现中空管内腔与传输光纤的内部熔接的问题，提供一种光纤法珀传感器熔接封装装置，该装置能够提高熔接点的可靠性，减少传感器封装技术对传感器性能的影响，提高光纤法珀传感器在高温环境下的稳定性。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种光纤法珀传感器熔接封装装置，包括：计算机、CO2激光器、CCD视频监控器和真空泵，还包括激光光束整形模块、反射镜组、传输光纤夹持器、中空管夹持器、吸附旋转装置；
传输光纤夹持器水平夹持传输光纤，中空管夹持器水平夹持圆柱形中空管；吸附旋转装置由吸附夹具、旋转夹具和吸附旋转支架构成，吸附夹具和旋转夹具同轴安装到吸附旋转支架上，吸附夹具端面与圆柱形中空管端部紧密接触，能实现可靠吸附；反射镜组由两个夹角为135°～150°的第一全反射镜和第二全反射镜、反射镜组支架组成，第一全反射镜和第二全反射镜安装在反射镜组支架上；计算机与CO2激光器相连，控制激光器输出，CO2激光器输出光进入激光光束整形模块输入端，在激光光束整形模块输出端形成光斑为线型的激光光束，激光光束的光斑与圆柱形中空管轴线、反射镜组的第一全反射镜和第二全反射镜交线相垂直，计算机与CCD视频监控器相连，真空泵与吸附旋转装置相连。
本发明所示的一种光纤法珀传感器熔接封装装置中的传输光纤还可以是各种不同种类的光纤，更换光纤时，传感结构与光纤熔接部位的内径也要更换成与光纤外径相匹配。
本发明所示的一种光纤法珀传感器熔接封装装置，还可以包括光源和光谱仪，将光源和光谱仪接入传输光纤，通过传输光能量的损耗情况判断传输光纤与圆柱形中空管的熔接质量。
本发明所示的一种光纤法珀传感器熔接封装装置，吸附旋转装置的旋转功能还可以采用电控方式，利用计算机控制，自动实现传输光纤与圆柱形中空管的环形熔接封装。
本发明所示的一种光纤法珀传感器熔接封装装置，还可以包括其他熔接封装结构的夹持器，实现尺寸相近的两种结构的端面熔接，熔接时要更换夹具保证可靠夹持。
本发明的一种光纤传感器熔接封装方法，包含以下步骤：
1)形成加热熔接区
a)调整CO2激光器与反射镜组的相对位置，保证激光光束的光斑与反射镜组上的全反射镜一和全反射镜二的交线垂直；
b)CO2激光器经激光光束整形模块后输出的激光光束，该激光光束经过反射镜组上两个夹角为135°～150°的全反射镜一和全反射镜二折转构成三束交叉光路，三束光的交汇区形成加热熔接区；
2)预熔接
a)将圆柱形中空管固定到中空管夹持器，通过CCD视频监控器辅助，调整中空管夹持器，保证圆柱形中空管的轴线与反射镜组上全反射镜一和全反射镜二的交线平行，且熔接点位于加热熔接区的中心；
b)将传输光纤固定到传输光纤夹持器，通过CCD视频监控器辅助，调整传输光纤夹持器，将传输光纤穿入圆柱形中空管，根据封装要求确定穿入长度；
c)通过计算机设定CO2激光器的工作参数，启动CO2激光器激光输出，完成预熔接；
3)旋转熔接
a)通过CCD视频监控器辅助，调整吸附旋转装置，保证旋转轴与圆柱形中空管轴线同轴，并与圆柱形中空管端面紧密接触，启动真空泵，能够可靠吸附圆柱形中空管，松开传输光纤夹持器和中空管夹持器；
b)通过吸附旋转装置，逆时针旋转120°，通过计算机设定CO2激光器的工作参数，启动CO2激光器激光输出，完成第二次熔接；
c)通过吸附旋转装置，逆时针旋转120°，通过计算机设定CO2激光器的工作参数，启动CO2激光器激光输出，完成第三次熔接；
4)通过预熔接及两次旋转后熔接，在圆柱形中空管内腔与传输光纤间形成均匀的环形熔接区，保证了传输光纤与圆柱形中空管的可靠封装。
本发明所示的熔接封装方法还可以将光源和光谱仪接入传输光纤，通过传输光能量的损耗情况判断传输光纤与圆柱形中空管的熔接质量。
本发明所示的熔接封装方法中吸附旋转装置的旋转功能还可以采用电控方式，利用计算机控制，自动实现传输光纤与圆柱形中空管的环形熔接封装。
本发明所示的熔接封装方法还可以实现尺寸相近的两种结构的端面熔接，熔接时要更换夹具保证可靠夹持。
有益效果
1、本发明的光纤法珀传感器熔接封装装置，简化了光路结构的复杂性，降低了设备成本，在圆柱形中空管内腔与传输光纤间形成环形熔接区，实现了传输光纤与圆柱形中空管的可靠封装；
2、本发明的光纤法珀传感器熔接封装方法，改善了熔接点处应力分布不均匀，提高了光纤法珀传感器在高温环境下的性能稳定性。
3、本发明的光纤法珀传感器熔接封装装置，可实现在毫米级外径的圆柱形中空管内腔与微米级外径的传输光纤的环形熔接封装；
4、本发明的光纤法珀传感器熔接封装装置，熔接点处应力分布均匀，可显著提高光纤法珀传感器在高温环境下的性能稳定性。
附图说明
图1为本发明的装置的结构示意图；
图2为本发明的反射镜组的构成结构示意图；
图3为本发明的吸附旋转装置的构成结构示意图；
图4为本发明实施例1的示意图；
图5为本发明实施例1吸附旋转装置的构成结构示意图；
图6为本发明实施例2的示意图；
图7为本发明实施例3吸附旋转装置的构成结构示意图；
图8为本发明实施例4的示意图。
其中，1-CO2激光器，2-激光光束整形模块，3-激光光束，4-传输光纤，5-传输光纤夹持器，6-CCD视频监控器，7-反射镜组，8-中空管夹持器，9-圆柱形中空管，10-吸附旋转装置，11-计算机，12-真空泵，13-第一全反射镜，14-第二全反射镜，15-反射镜组支架，16-吸附旋转支架，17-旋转夹具，18-吸附夹具，19-单模石英光纤，20-石英中空管(外径2mm、内径130μm)，21-手动旋转台，22-环形器，23-光谱仪，24-光源，25-电动旋转台，26-石英块(2mm×2mm×50mm)，27-石英块夹持器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
如图1、图4和图5所示，一种光纤法珀传感器熔接封装方法及装置，其构成步骤是：
选用单模石英光纤作为传输光纤，选用外径2mm、内径130μm的石英中空管作为圆柱形中空管，选用手动旋转台作为旋转夹具。将传输光纤夹持器5水平夹持单模石英光纤19，中空管夹持器8水平夹持石英中空管20；如图3所示，吸附旋转装置10由吸附夹具18、旋转夹具21和吸附旋转支架16构成，两个夹具同轴安装到吸附旋转支架16上，吸附夹具18端面与石英中空管20端部紧密接触，能实现可靠吸附；如图2所示，反射镜组7由两个夹角为140°的全反射镜一13和全反射镜二14、反射镜组支架15组成，全反射镜一13和全反射镜二14安装在反射镜组支架15上，计算机11与CO2激光器1相连，控制激光器输出，CO2激光器1输出光进入激光光束整形模块2输入端，在其输出端形成光斑为线型的激光光束3，激光光束3的光斑与石英中空管20轴线、反射镜组7的全反射镜一13和全反射镜二14交线相垂直，计算机11与CCD视频监控器6相连，真空泵12与吸附旋转装置10相连。
CO2激光器1经激光光束整形模块2后输出的激光光束3，该激光光束3经过反射镜组7上两个夹角为140°的全反射镜一13和全反射镜二14折转构成三束交叉光路，三束光的交汇区形成加热熔接区；
将石英中空管20固定到中空管夹持器8，通过CCD视频监控器6辅助，调整中空管夹持器8，保证石英中空管20的轴线与反射镜组7上全反射镜一13和全反射镜二14的交线平行，且熔接点位于加热熔接区的中心；将单模石英光纤19固定到传输光纤夹持器5，通过CCD视频监控器6辅助，调整传输光纤夹持器5，将单模石英光纤19穿入石英中空管20，根据封装要求确定穿入长度；通过计算机11设定CO2激光器1的工作参数，启动CO2激光器1激光输出，完成预熔接；
通过CCD视频监控器6辅助，调整吸附旋转装置10，保证旋转轴与石英中空管20轴线同轴，并与石英中空管20端面紧密接触，启动真空泵12，能够可靠吸附石英中空管20，松开传输光纤夹持器5和中空管夹持器8；通过吸附旋转装置10，逆时针旋转120°，通过计算机11设定CO2激光器1的工作参数，启动CO2激光器1激光输出，完成第二次熔接；通过吸附旋转装置10，逆时针旋转120°，通过计算机11设定CO2激光器1的工作参数，启动CO2激光器1激光输出，完成第三次熔接；通过预熔接及两次旋转后熔接，在石英中空管20内腔与单模石英光纤19间形成均匀的环形熔接区，保证了单模石英光纤19与石英中空管20的可靠封装。
实施例2
如图6所示，基于实施例1图4装置示意图，将光源24与环形器22输入端相连，环形器22输出/返回端与单模石英光纤19相连，环形器22输出端与光谱仪23相连。采用光谱仪23对熔接过程中传输光能量的损耗情况进行监测，判断单模石英光纤19与石英中空管20的熔接质量。
实施例3
如图7所示，将实施例1图5中的手动旋转台21替换为电动旋转台25，利用计算机11控制，自动实现单模石英光纤19与石英中空管20的环形熔接封装。
实施例4
如图8所示，将实施例1中单模石英光纤19替换为石英块(2mm×2mm×50mm)26，传输光纤夹持器5替换为石英块夹持器27，实现尺寸相近的两种结构的端面熔接。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种光纤法珀传感器熔接封装装置，包括：计算机(11)、CO2激光器(1)、CCD视频监控器(6)和真空泵(12)，其特征在于：还包括激光光束整形模块(2)、反射镜组(7)、传输光纤夹持器(5)、中空管夹持器(8)、吸附旋转装置(10)；
传输光纤夹持器(5)水平夹持传输光纤(4)，中空管夹持器(8)水平夹持圆柱形中空管(9)；吸附旋转装置(10)由吸附夹具(18)、旋转夹具(17)和吸附旋转支架(16)构成，吸附夹具(18)和旋转夹具(17)同轴安装到吸附旋转支架(16)上，吸附夹具(18)端面与圆柱形中空管(9)端部紧密接触，能实现可靠吸附；反射镜组(7)由两个夹角为135°～150°的第一全反射镜(13)和第二全反射镜(14)、反射镜组支架(15)组成，第一全反射镜(13)和第二全反射镜(14)安装在反射镜组支架(15)上；计算机(11)与CO2激光器(1)相连，控制激光器输出，CO2激光器(1)输出光进入激光光束整形模块(2)输入端，在激光光束整形模块(2)输出端形成光斑为线型的激光光束(3)，激光光束(3)的光斑与圆柱形中空管(9)轴线、反射镜组(7)的第一全反射镜(13)和第二全反射镜(14)交线相垂直，计算机(11)与CCD视频监控器(6)相连，真空泵(12)与吸附旋转装置(10)相连。
2.如权利要求1所述的一种光纤法珀传感器熔接封装装置，其特征在于：还包括光源(24)和光谱仪(23)，将光源(24)和光谱仪(23)接入传输光纤(4)，通过传输光能量的损耗情况判断传输光纤(4)与圆柱形中空管(9)的熔接质量。
3.如权利要求1或2所述的一种光纤法珀传感器熔接封装装置，其特征在于：装置的熔接封装方法，包含以下步骤：
1)形成加热熔接区
a)调整CO2激光器(1)与反射镜组(7)的相对位置，保证激光光束(3)的光斑与反射镜组(7)上的第一全反射镜(13)和第二全反射镜(14)的交线垂直；
b)CO2激光器(1)经激光光束整形模块(2)后输出的激光光束(3)，该激光光束(3)经过反射镜组(7)上两个夹角为135°～150°的第一全反射镜(13)和第二全反射镜(14)折转构成三束交叉光路，三束光的交汇区形成加热熔接区；
2)预熔接
a)将圆柱形中空管(9)固定到中空管夹持器(8)，通过CCD视频监控器(6)辅助，调整中空管夹持器(8)，保证圆柱形中空管(9)的轴线与反射镜组(7)上第一全反射镜(13)和第二全反射镜(14)的交线平行，且熔接点位于加热熔接区的中心；
b)将传输光纤(4)固定到传输光纤夹持器(5)，通过CCD视频监控器(6)辅助，调整传输光纤夹持器(5)，将传输光纤(4)穿入圆柱形中空管(9)，根据封装要求确定穿入长度；
c)通过计算机(11)设定CO2激光器(1)的工作参数，启动CO2激光器(1)激光输出，完成预熔接；
3)旋转熔接
a)通过CCD视频监控器(6)辅助，调整吸附旋转装置(10)，保证旋转轴与圆柱形中空管(9)轴线同轴，并与圆柱形中空管(9)端面紧密接触，启动真空泵(12)，能够可靠吸附圆柱形中空管(9)，松开传输光纤夹持器(5)和中空管夹持器(8)；
b)通过吸附旋转装置(10)，逆时针旋转120°，通过计算机(11)设定CO2激光器(1)的工作参数，启动CO2激光器(1)激光输出，完成第二次熔接；
c)通过吸附旋转装置(10)，逆时针旋转120°，通过计算机(11)设定CO2激光器(1)的工作参数，启动CO2激光器(1)激光输出，完成第三次熔接；
4)通过预熔接及两次旋转后熔接，在圆柱形中空管(9)内腔与传输光纤(4)间形成均匀的环形熔接区，保证了传输光纤(4)与圆柱形中空管(9)的可靠封装。
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