CN107765377A - 一种可承受100MPa压力的光纤穿壁装置及其制作方法 - Google Patents

一种可承受100MPa压力的光纤穿壁装置及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及水下机器人技术领域，具体地说是一种可承受100MPa压力的光纤穿壁装置及其制作方法。包括穿壁件本体，所述穿壁件本体的一端设有用于与耐压舱壁面螺纹连接的外螺纹，另一端设有用于与耐压舱壁面的外表面密封连接的轴肩，所述穿壁件本体上沿轴向设有穿线孔，所述穿壁件本体的轴肩端和螺纹端分别设有与穿线孔连通的灌胶槽I和灌胶槽II，光纤穿过穿线孔、并且通过在灌胶槽I、穿线孔及灌胶槽II内灌胶环氧树脂固定。本发明利用环氧在压力下的收缩特性进行密封，并为环氧提供骨架提高承压能力，保证耐压仓的密封性。

Description

一种可承受100MPa压力的光纤穿壁装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，具体地说是一种可承受100MPa压力的光纤穿壁装置及其制作方法。
背景技术
光纤通信技术已成为现代通信的主要支柱之一，光纤通信作为一门新兴技术，可以用于深水与地面通信。光纤具有频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强等优点，不仅在民用市场收到用户追捧，而且在军事、海洋科考、太空探索等领域应用越来越广泛。
光纤由内芯和包层组成，内芯一般为几十微米或几微米；外面层称为包层，包层的作用就是保护光纤，光纤的聚合物图层一般为环氧丙烯酸酯或者丙烯酸酯。内涂层弹性模量较低，约为白兆帕级，材质软，用于避免光纤收到机械损伤。外图层弹性模量较高，可达几万兆帕，材质坚硬，有利于光纤受压特性和耐磨特性。
现有光纤穿壁密封技术通常采用O圈挤压密封，多数适用场合为无压差舱体穿壁，例如民用光端机盒与航空航天飞行器密封舱体。在水下应用中，国内目前采用光纤穿壁可用于1000米水深工作的ARV，即内外压差仅为10MPa，而且为单光纤穿壁密封。当潜器在深海工作时，需要耐压仓内部与外部的通讯，其中的关键问题就是光纤穿壁连接，而且要保证耐压仓的密封性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种可承受100MPa压力的光纤穿壁装置及其制作方法。该装置及其制作方法保证了耐压仓的密封性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种可承受100MPa压力的光纤穿壁装置，包括穿壁件本体，所述穿壁件本体的一端设有用于与耐压舱壁面螺纹连接的外螺纹，另一端设有用于与耐压舱壁面的外表面密封连接的轴肩，所述穿壁件本体上沿轴向设有穿线孔，所述穿壁件本体的轴肩端和螺纹端分别设有与穿线孔连通的灌胶槽I和灌胶槽II，光纤穿过穿线孔、并且通过在灌胶槽I、穿线孔及灌胶槽II内灌胶环氧树脂固定。
在所述灌胶槽I的底部，所述穿线孔的端部边缘设有沿轴向凸起的唇型结构。
在所述灌胶槽I的底部设有圆柱形凸起，在所述圆柱形凸起上沿轴向设有与穿线孔连通的锥形孔，所述锥形孔的外侧开口大于内侧开口，并且外侧开口的边缘为圆弧过渡，形成所述唇型结构。
所述灌胶槽II的内壁设有螺旋槽结构。所述光纤位于所述灌胶槽II内的部分盘旋布设。
所述环氧树脂外露于灌胶槽I和灌胶槽II的部分均为锥面。
一种可承受100MPa压力的光纤穿壁装置的制作方法，该方法包括以下几个步骤：
1)加工穿壁件本体，所述穿壁件本体的一端设有用于与耐压舱壁面螺纹连接的外螺纹，另一端设有用于与耐压舱壁面的外表面密封连接的轴肩，所述穿壁件本体上沿轴向设有穿线孔，所述穿壁件本体的轴肩端和螺纹端分别设有与穿线孔连通的灌胶槽I和灌胶槽II，在所述灌胶槽I的底部，所述穿线孔的端部边缘设有沿轴向凸起的唇型结构；
2)对所述穿壁件本体进行阳极氧化处理，处理完后及时入袋封存；
3)将两根或两根以上光纤通过酒精浸泡来处理表面；
4)两根或两根以上光纤的一端端部分别通过玻璃胶粘接，将各光纤的另一端从所述穿壁件本体的灌胶槽I一侧插入，各光纤的另一端在所述穿壁件本体的灌胶槽II内盘旋后伸出，通过光纤的一端端部的玻璃胶将灌胶槽I的槽口封住；
5)在所述穿壁件本体的灌胶槽II上扣上下端工艺支架，将各光纤的另一端由下端工艺支架底部设有的孔引出，使各光纤不与灌胶槽II的内壁接触，在所述穿壁件本体的灌胶槽II内灌胶环氧树脂；
6)去除各光纤一端端部的玻璃胶，在所述穿壁件本体的灌胶槽I上扣上上端工艺支架，并将各光纤的一端端部由上端工艺支架底部设有的孔引出，使各光纤的一端在灌胶槽I内盘旋、并且不与唇型结构接触；
7)在所述穿壁件本体的灌胶槽I内灌胶环氧树脂；
8)为两根或两根以上光纤的两端增加熔接光纤头，然后进行打压测试。
所述穿壁件本体的灌胶槽II内壁上设有螺旋槽结构。
第5)、第7)步骤中，首先将环氧树脂预热60-80℃，再将预热的环氧树脂灌胶到与壁口约1mm处停止，并给配好的环氧树脂抽真空，然后送入烤箱完成固化。
所述穿壁件本体的材质采用7075铝合金。
本发明的优点及积极效果为：
1.本发明的穿壁件使用唇型结构，利用环氧在压力下的收缩特性进行密封，并为环氧提供骨架提高承压能力。
2.本发明在细微光缆外部为硬性胶水，与灌封环氧粘接紧密。
3.本发明使光纤在穿壁件内轻微盘旋以增加光纤与环氧的粘接面积。
4.本发明穿壁件内部采用螺旋槽结构提高抽真空阶段的消泡能力。
5.本发明穿壁件使用阳极化处理表面，提高粘接力，方便批量生产并可以将灌封限制期限提高到30天。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明未灌胶处理前的剖面示意图；
图3为本发明中工艺支架的结构示意图。
其中，1为光纤，2为环氧树脂，3为穿壁件本体，301为灌胶槽I，302为唇型结构，303为穿线孔，304为灌胶槽II，305为螺旋槽结构，4为密封圈，5为耐压舱壁面，6为工艺支架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1、图2所示，本发明提供的一种可承受100MPa压力的光纤穿壁装置，包括穿壁件本体3，所述穿壁件本体3的一端设有用于与耐压舱壁面5螺纹连接的外螺纹，另一端设有用于与耐压舱壁面5的外表面密封连接的轴肩。所述穿壁件本体3上沿轴向设有穿线孔303，所述穿壁件本体3的轴肩端和螺纹端分别设有与穿线孔303连通的灌胶槽I 301和灌胶槽II304，光纤1穿过穿线孔303、并且通过在灌胶槽I 301、穿线孔303及灌胶槽II 304内灌胶环氧树脂2固定。
在所述灌胶槽I 301的底部，所述穿线孔303的端部边缘设有沿轴向凸起的唇型结构302，所述唇型结构302利用环氧树脂在压力下的收缩特性进行密封，并为环氧环氧树脂提供骨架提高承压能力。
在所述灌胶槽I 301的底部设有圆柱形凸起，在所述圆柱形凸起上沿轴向设有与穿线孔303连通的锥形孔，所述锥形孔的外侧开口大于内侧开口，并且外侧开口的边缘为圆弧过渡，形成所述唇型结构302。所述唇型结构302的锥形孔方便光纤1引出，同时不至于在灌封过程中压坏光纤1。所述唇型结构302需要保证表面弧度足够，以分散应力。
所述灌胶槽II 304的内壁设有螺旋槽结构305，如图2所示。该螺旋槽结构305增强环氧树脂的粘接力和提高抽真空阶段的消泡能力。所述光纤1位于所述灌胶槽II 304内的部分盘旋布设，以增加光纤与环氧的粘接面积。
所述穿壁件本体3使用阳极化处理表面，提高粘接力，方便批量生产并可以将灌封限制期限提高到30天。
所述环氧树脂2外露于灌胶槽I 301和灌胶槽II 304的部分均为锥面。在外部受压工况，灌胶槽I 301的结构能使得内部环氧树脂与灌胶槽I 301越来越紧密，而且锥心圆角能减少应力集中。灌胶槽II 304的特点在于内部的螺旋槽，能增加环氧树脂的抗剪切能力。
一种可承受100MPa压力的光纤穿壁装置的制作方法，其特征在于，该方法包括以下几个步骤：
1)加工穿壁件本体3和两个工艺支架6，所述穿壁件本体3的一端设有用于与耐压舱壁面5螺纹连接的外螺纹，另一端设有用于与耐压舱壁面5的外表面密封连接的轴肩，所述穿壁件本体3上沿轴向设有穿线孔303，所述穿壁件本体3的轴肩端和螺纹端分别设有与穿线孔303连通的灌胶槽I 301和灌胶槽II 304，在所述灌胶槽I 301的底部，所述穿线孔303的端部边缘设有沿轴向凸起的唇型结构302；唇型结构302需要保证表面弧度足够，以分散应力。所述穿壁件本体3螺纹端的灌胶槽II 304内壁设有螺旋槽结构305。
两个工艺支架使用ABS材料3D打印，确保可以装配并能承受140℃以内的高温。支架的底部设有锥形小口，方便光纤引出，不至于在灌封过程中压坏光纤，如图3所示。两个工艺支架在两次灌封时(抽真空、固化阶段)，保证器件水平放置，不压坏光纤。
2)对所述穿壁件本体3进行阳极氧化处理，处理完后及时入袋封存，确保粘接面在粘接前不会被污染。阳极化后的30日内需要完成灌封。
3)将两根或两根以上的光纤1通过酒精浸泡来处理表面；本实施例中，光纤采西安705所生产的弯曲不敏感细微光缆，截取两段各1m余长，用纸巾撸掉表面胶水及油污，可以用酒精短时间浸泡处理表面。
4)两根或两根以上的光纤1的一端端部通过玻璃胶(直径2-3mm)粘接，表面尽量圆润，等玻璃胶固化后，将各光纤1的另一端从穿壁件本体3的灌胶槽I 301底部的唇型结构302的锥形孔插入，各光纤1的另一端在所述穿壁件本体3的灌胶槽II 304内盘旋后伸出，通过光纤1的一端端部的玻璃胶将灌胶槽I 301的槽口封住，确保在第一次灌胶抽真空时具有良好密封。
在各光纤1一端端部涂抹玻璃胶，为了将灌胶槽I 301的端面密封住，内部灌环氧树脂时，灌胶槽I 301为底部，底部密封好后，从灌胶槽II 304口灌入环氧树脂，并放入真空灌抽真空。
使用玻璃胶的原因有如下几个：①软胶，固化方便。②直接取出失败时可用镊子破坏性剥离。③密封性能良好。④耐高温，可以一起进烤箱。⑤不用涂抹脱模剂，剥离后在金属和环氧表面不会残留污染物。
两根或两根以上光纤1的另一端在所述穿壁件本体3螺纹侧的灌胶槽II304内盘旋后伸出。熔接光纤头用红光测试确保没有折断，减掉熔接头方便灌胶。
5)在所述穿壁件本体3的灌胶槽II 304上扣上下端工艺支架，使各光纤1的另一端由下端工艺支架底部设有的锥形孔引出，使各光纤1不与灌胶槽II304的内壁接触，在所述穿壁件本体3的灌胶槽II 304内灌胶环氧树脂2。
具体步骤为：首先60-80℃预热并给配好的环氧树脂抽真空。在预热情况下灌胶，到与壁口约1mm处停止，迅速放入真空罐抽真空3min左右。然后送入烤箱完成固化，固化后等待自然冷却，不可迅速开门冷却。
6)用镊子小心去除各光纤1一端端部的玻璃胶，在所述穿壁件本体3的灌胶槽I301上扣上上端支架，并将各光纤1的一端端部由上端工艺支架底部设有的锥形孔引出，使各光纤1的一端在灌胶槽I 301内轻微盘旋、并不与唇型结构302的锥面和唇面接触。
7)在所述穿壁件本体3轴肩端的灌胶槽I 301内灌胶环氧树脂2。
具体步骤为：首先60-0℃预热并给配好的环氧树脂抽真空。在预热情况下灌胶，到快与壁口持平处停止，迅速放入真空罐抽真空3min左右。然后送入烤箱完成固化，固化后等待自然冷却，不可迅速开门冷却。
8)为两根光纤1的两端增加熔接光纤头，然后进行打压测试。
本实施例中，所述穿壁件本体3的材质采用7075铝合金。
将所述穿壁件本体3的螺纹端与耐压仓壁面5上设有的螺纹孔螺纹连接，穿壁件本体3的轴肩端与耐压舱壁面5的外表面通过密封圈4密封连接。本发明中的穿壁结构和环氧灌制工艺，能保证同一个光纤穿壁件内部穿过两根或两根以上光纤，并且保证了耐压仓的密封性。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可承受100MPa压力的光纤穿壁装置，其特征在于，包括穿壁件本体(3)，所述穿壁件本体(3)的一端设有用于与耐压舱壁面(5)螺纹连接的外螺纹，另一端设有用于与耐压舱壁面(5)的外表面密封连接的轴肩，所述穿壁件本体(3)上沿轴向设有穿线孔(303)，所述穿壁件本体(3)的轴肩端和螺纹端分别设有与穿线孔(303)连通的灌胶槽I(301)和灌胶槽II(304)，光纤(1)穿过穿线孔(303)、并且通过在灌胶槽I(301)、穿线孔(303)及灌胶槽II(304)内灌胶环氧树脂(2)固定。
2.根据权利要求1所述的可承受100MPa压力的光纤穿壁装置，其特征在于，在所述灌胶槽I(301)的底部，所述穿线孔(303)的端部边缘设有沿轴向凸起的唇型结构(302)。
3.根据权利要求2所述的可承受100MPa压力的光纤穿壁装置，其特征在于，在所述灌胶槽I(301)的底部设有圆柱形凸起，在所述圆柱形凸起上沿轴向设有与穿线孔(303)连通的锥形孔，所述锥形孔的外侧开口大于内侧开口，并且外侧开口的边缘为圆弧过渡，形成所述唇型结构(302)。
4.根据权利要求1所述的可承受100MPa压力的光纤穿壁装置，其特征在于，所述灌胶槽II(304)的内壁设有螺旋槽结构(305)。
5.根据权利要求4所述的可承受100MPa压力的光纤穿壁装置，其特征在于，所述光纤(1)位于所述灌胶槽II(304)内的部分盘旋布设。
6.根据权利要求1所述的可承受100MPa压力的光纤穿壁装置，其特征在于，所述环氧树脂(2)外露于灌胶槽I(301)和灌胶槽II(304)的部分均为锥面。
7.一种可承受100MPa压力的光纤穿壁装置的制作方法，其特征在于，该方法包括以下几个步骤：
1)加工穿壁件本体(3)，所述穿壁件本体(3)的一端设有用于与耐压舱壁面(5)螺纹连接的外螺纹，另一端设有用于与耐压舱壁面(5)的外表面密封连接的轴肩，所述穿壁件本体(3)上沿轴向设有穿线孔(303)，所述穿壁件本体(3)的轴肩端和螺纹端分别设有与穿线孔(303)连通的灌胶槽I(301)和灌胶槽II(304)，在所述灌胶槽I(301)的底部，所述穿线孔(303)的端部边缘设有沿轴向凸起的唇型结构(302)；
2)对所述穿壁件本体(3)进行阳极氧化处理，处理完后及时入袋封存；
3)将两根或两根以上光纤(1)通过酒精浸泡来处理表面；
4)两根或两根以上光纤(1)的一端端部分别通过玻璃胶粘接，将各光纤(1)的另一端从所述穿壁件本体(3)的灌胶槽I(301)一侧插入，各光纤(1)的另一端在所述穿壁件本体(3)的灌胶槽II(304)内盘旋后伸出，通过光纤(1)的一端端部的玻璃胶将灌胶槽I(301)的槽口封住；
5)在所述穿壁件本体(3)的灌胶槽II(304)上扣上下端工艺支架，将各光纤(1)的另一端由下端工艺支架底部设有的孔引出，使各光纤(1)不与灌胶槽II(304)的内壁接触，在所述穿壁件本体(3)的灌胶槽II(304)内灌胶环氧树脂(2)；
6)去除各光纤(1)一端端部的玻璃胶，在所述穿壁件本体(3)的灌胶槽I(301)上扣上上端工艺支架，并将各光纤(1)的一端端部由上端工艺支架底部设有的孔引出，使各光纤(1)的一端在灌胶槽I(301)内盘旋、并且不与唇型结构(302)接触；
7)在所述穿壁件本体(3)的灌胶槽I(301)内灌胶环氧树脂(2)；
8)为两根或两根以上光纤(1)的两端增加熔接光纤头，然后进行打压测试。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述穿壁件本体(3)的灌胶槽II(304)内壁上设有螺旋槽结构(305)。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第5)、第7)步骤中，首先将环氧树脂预热60-80℃，再将预热的环氧树脂灌胶到与壁口约1mm处停止，并给配好的环氧树脂抽真空，然后送入烤箱完成固化。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述穿壁件本体(3)的材质采用7075铝合金。
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