CN109612602A - 一种新型光纤光栅温度传感器及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型光纤光栅温度传感器，包括配套压合的基底座1和基上盖2，基底座1和基上盖2之间有容纳腔3，基底座1和基上盖2的两端分别设有容纳光纤通过的通孔31，所述基底座1的两侧分别设有隔断10，使得容纳腔3的两侧分别成形有封装胶容纳腔30，隔断10上设有容纳光纤通过的凹槽11；基底座1内设有陶瓷片12，光纤光栅通过容纳腔3的部分成C字形，C字形两端通过点胶13固定在陶瓷片12的两侧端。本发明的封装后的光纤光栅温度传感单元被保护在方形结构内部，同时光纤光栅处于悬空状态与基底不接触，再选用热传递效果良好的陶瓷片达到减敏外应力的效果，解决了温度、应变交叉问题。

Description

一种新型光纤光栅温度传感器及封装方法

技术领域

本发明属于测量被测物表面温度变化的光纤光栅温度传感器领域，更具体地，涉及一种可用于卫星在轨飞行时的卫星内部温度监测的光纤光栅温度传感器及封装方法。

背景技术

传感器在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位。其中，光纤光栅传感器是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适用于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势，同时，光纤光栅传感测量信息是波长编码的，不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响，因此，光纤光栅传感器成为当前传感器的研究热点。近年来，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测，以及能源化工等领域得到了广泛的应用。

目前已报道的光纤光栅传感器可以直接测量的物理量包括：温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩、加速度、电流、电压、磁场、浓度、热膨胀系数、振动等，其中温度、应变、压力物理量是可以直接测量的。在实际的应用中，光纤光栅传感器的温度和应变交叉敏感问题一直是难点。

针对现有技术的缺陷，提出本发明。

发明内容

为了解决光纤光栅的温度应变交叉敏感问题，本发明在制备传感器的结构封装上进行了改进，设计了一款可用于卫星在轨飞行时的卫星内部温度监测的光纤光栅温度传感器，并进行了温度标定和性能测试。本发明针对于卫星内部的温度监测（卫星内部正常工作的绝对温度保持在50℃左右），为光纤光栅温度传感器在卫星内部环境温度的使用提供依据。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种新型光纤光栅温度传感器，包括配套压合的基底座1和基上盖2，基底座1和基上盖2之间有容纳腔3，基底座1和基上盖2的两端分别设有容纳光纤通过的通孔31，所述基底座1的两侧分别设有隔断10，使得容纳腔3的两侧分别成形有封装胶容纳腔30，隔断10上设有容纳光纤通过的凹槽11；基底座1内设有陶瓷片12，光纤光栅通过容纳腔3的部分成C字形，C字形两端通过点胶13固定在陶瓷片12的两侧端。

所述陶瓷片12通过硅橡胶粘接固定在基底座1内。

所述光纤光栅位于容纳腔3的两端选用环氧树脂胶353ND封装在封装胶容纳腔30内，所述光纤光栅成成C字形的两端选用点胶13环氧树脂胶DP420固定在陶瓷片12的两侧端。

本发明还提供了一种新型光纤光栅温度传感器的封装方法，包括以下步骤：

步骤一，将陶瓷片12通过硅橡胶粘接在基底座1内；

步骤二，将光纤光栅形成C字形结构采用两端点胶13固定在陶瓷片上表面，点胶13选用环氧树脂胶DP420进行高温固化，固化温度设置60℃，固化时间30分钟；

步骤三，将光纤光栅位于容纳腔3的两端选用环氧树脂胶353ND封装在封装胶容纳腔30内，固化温度设置120℃，固化时间3分钟；

步骤四，选用硅橡胶将基底座1和基上盖2进行粘接，形成方形结构的光纤光栅温度传感器。基底座1和基上盖2选用7075T6铝合金材料。

本发明的有益效果是：

本发明的封装后的光纤光栅温度传感单元被保护在方形结构内部，同时光纤光栅处于悬空状态与基底不接触，再选用热传递效果良好的陶瓷片达到减敏外应力的效果，解决了温度、应变交叉问题。因此，本发明的光纤光栅温度传感器结构以及封装方法既不影响传感特性，又具有一定的保护作用。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1a为本发明基底座结构示意图；

图1b为图1a的侧视图；

图2a为本发明基上盖结构示意图；

图2b为图2a的侧视图；

图3a为本发明基底座立体模型图；

图3b为本发明基上盖立体模型图；

图4为本发明实际使用状态图；

图5为本发明的封装示意图；

图6为本发明整体应变分布示意图；

图7为本发明光线光栅温度传感器标定实验系统示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1a为本发明基底座结构示意图，图1b为图1a的侧视图，图2a为本发明基上盖结构示意图，图2b为图2a的侧视图，图3a为本发明基底座立体模型图，图3b为本发明基上盖立体模型图，图4为本发明实际使用状态图；如图1a、图1b、图2a、图2b、图3a、图3b 、图4中所示出的，本发明的一种新型光纤光栅温度传感器封装，包括配套压合的基底座1和基上盖2，基底座1和基上盖2之间有容纳腔3，基底座1和基上盖2的两端分别设有容纳光纤通过的通孔31，基底座1的两侧分别设有隔断10，使得容纳腔3的两侧分别成形有封装胶容纳腔30，隔断10上设有容纳光纤通过的凹槽11；基底座1内设有陶瓷片12，陶瓷片12通过硅橡胶粘接固定在基底座1内，光纤光栅通过容纳腔3的部分成C字形，C字形两端通过点胶13固定在陶瓷片12的两侧端（如图5所示）。

所述光纤光栅位于容纳腔3的两端选用环氧树脂胶353ND封装在封装胶容纳腔30内，所述光纤光栅成成C字形的两端选用点胶13环氧树脂胶DP420固定在陶瓷片12的两侧端。

结合图5对本发明新型光纤光栅温度传感器的封装方法介绍如下，

步骤一，将陶瓷片12通过硅橡胶粘接在基底座1内；选用陶瓷片可以达到减震的效果和降低外应力传递到光纤光栅，同时陶瓷片的热传递性能十分良好，又不会影响到测温效果。

步骤二，将光纤光栅形成C字形结构采用两端点胶13固定在陶瓷片上表面，点胶13选用环氧树脂胶DP420进行高温固化，固化温度设置60℃，固化时间30分钟；

步骤三，将光纤光栅位于容纳腔3的两端选用环氧树脂胶353ND封装在封装胶容纳腔30内，固化温度设置120℃，固化时间3分钟，；

步骤四，选用硅橡胶将基底座1和基上盖2进行粘接，形成方形结构的光纤光栅温度传感器。基底座1和基上盖2选用7075T6铝合金材料。

经过封装后的光纤光栅温度传感单元被保护在方形结构内部，同时光纤光栅处于悬空状态与基底不接触，再选用热传递效果良好的陶瓷片达到减敏外应力的效果，解决了温度、应变交叉问题。因此，该封装方法以及传感器结构既不影响传感特性，又具有一定的保护作用。

为进一步证明本发明光纤光栅温度传感器用于卫星在轨飞行时的卫星内部温度监测的可行性，通过以下实验和数据进行说明：

1、力学分析

有限元分析法被广泛的应用在力学结构测试范畴，通过对我们设计的理论模型进行有限元分析，可以首先理论上验证模型的可行性。使用了应力仿真软件对本发明封装结构的光纤光栅温度传感器进行了拉伸受力模拟仿真，选用Solid185实体单元模型，单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着X、Y、Z方向平移的自由度。对传感器各个部分进行网格化划分，一端限制X、Y、Z三个方向的位移自由度，一端X方向进行拉伸，另一端施加位移边界条件，得到的受力云图如图6所示。

考虑到卫星内部器件工作绝对温度为50℃左右，因此给被测件在X、Y、Z三个方向各自施加了500μƐ，结果发现传感器栅区部分受到的应变几乎没有，因此，理论上可以认为这种结构在被测件未受到极大形变的情况下，光纤光栅不会受到应变的影响。

2、光纤光栅温度传感器标定

本发明提供的光纤光栅温度标定系统如图6所示，系统选用内置光源的光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪一端与PC机连接，一端通过环行器与本发明的光纤光栅温度传感器连接，光纤光栅的反射谱信号传递给解调仪模块，测得结果在PC机上显示和监测。光纤光栅温度传感器放置在高精度的恒温水浴槽中进行感知外界温度的变化。外界温度传递到光纤光栅，通过解调仪计算出当前温度对应的光纤光栅中心波长值，进而得到了不同温度下光纤光栅的中心波长与温度之间的关系。光纤光栅选用栅区长度10mm，反射谱的中心波长依次为1540.136nm、1540.787nm、1550.076nm，且反射谱左右的旁瓣进行切趾。解调仪解调范围为C波段（1527nm~1568nm），分辨率为20pm，精度为1pm，高精度恒温水浴槽的温度可调范围-80℃～110℃，分辨率为0.01℃。

考虑到卫星正常运行时的内部绝对温度保持在50℃左右，因此，实验中进行了0～60℃的温度标定，以10℃为一个步进，并进行升降温循环实验，实验重复进行了4次完整周期。最后对4次升降温的数据进行处理，利用最小二乘法进行拟合，得到传感器在0～60℃的温度与光纤光栅中心波长之间的对应关系进而可以得到各个传感器的温度灵敏系数。三个起始波长依次为1540.136nm、1540.787nm、1550.076nm的传感器最后测得温度灵敏系数依次为9.26pm/℃、9.60pm/℃、9.47pm/℃。

实验证明本发明的光纤光栅温度传感器灵敏性和稳定性能够用于卫星在轨飞行时的卫星内部温度监测。

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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种新型光纤光栅温度传感器，包括配套压合的基底座（1）和基上盖（2），基底座（1）和基上盖（2）之间有容纳腔（3），基底座（1）和基上盖（2）的两端分别设有容纳光纤通过的通孔（31），其特征在于，所述基底座（1）的两侧分别设有隔断（10），使得容纳腔（3）的两侧分别成形有封装胶容纳腔（30），隔断（10）上设有容纳光纤通过的凹槽（11）；基底座（1）内设有陶瓷片（12），光纤光栅通过容纳腔（3）的部分成C字形，C字形两端通过点胶（13）固定在陶瓷片（12）的两侧端。

2.根据权利要求1所述的一种新型光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述陶瓷片（12）通过硅橡胶粘接固定在基底座（1）内。

3.根据权利要求1所述的一种新型光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述光纤光栅位于容纳腔（3）的两端选用环氧树脂胶353ND封装在封装胶容纳腔（30）内，所述光纤光栅成成C字形的两端选用点胶（13）环氧树脂胶DP420固定在陶瓷片（12）的两侧端。

4.一种新型光纤光栅温度传感器的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将陶瓷片（12）通过硅橡胶粘接在基底座（1）内；

步骤二，将光纤光栅形成C字形结构采用两端点胶（13）固定在陶瓷片上表面，点胶（13）选用环氧树脂胶DP420进行高温固化，固化温度设置60℃，固化时间30分钟；

步骤三，将光纤光栅位于容纳腔（3）的两端选用环氧树脂胶353ND封装在封装胶容纳腔（30）内，固化温度设置120℃，固化时间3分钟，；

步骤四，选用硅橡胶将基底座（1）和基上盖（2）进行粘接，形成方形结构的光纤光栅温度传感器。

5.根据权利要求4所述的一种新型光纤光栅温度传感器的封装方法，其特征在于，所述基底座（1）和基上盖（2）选用7075T6铝合金材料。