CN109813458A - 一种基于3d打印技术的光纤光栅温度传感器及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤温度传感器技术领域，具体公开了一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器及其组装方法，光纤光栅温度传感器中的光纤光栅外部套设有3D打印成型的传感器外壳。本发明的基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器及其组装方法，采用3D打印技术打印出传感器外壳，在保证了测量精确度的基础上，大大缩短了生产周期，制作程序更简便，成本也比陶瓷、不锈钢等传统封装更低，可以更加广泛的在采矿、桥梁、隧道、边坡、路桥等岩土地质工程以及物理模型实验进行推广应用。

Description

一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器及其组装方法

技术领域

本发明涉及光纤温度传感器技术领域，尤其涉及一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器及其组装方法。

背景技术

光纤传感技术作为现代通信的产物，是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新技术。相对于传统传感器，光纤传感器具有体积小、重量轻、可植入结构、可复用以及抗无电磁干扰等优点，因而成为土木结构健康监测领域应用前景最好的传感元件之一。光纤光栅传感技术作为光纤传感技术的一种，由于其独特的优点而被广泛应用。光纤光栅传感器的工作原理是直接或借助某种装置将被测量的变化转化为光纤光栅上的应变或温度变化，从而引起光纤光栅Bragg中心波长的变化，通过建立并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，就可以由光栅中心波长的变化计算出被测量的值。现有的温度光纤光栅传感器的种类较多，测量结果较准确的陶瓷封装型的光纤式温度传感器却由于其制作周期较长、价格昂贵，而不能得到广泛的应用。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本发明提供一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器及其组装方法。

一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器，传感器的光纤光栅外部套设有3D打印成型的传感器外壳。

具体的，传感器还包括用于将光纤与传感器外壳固定为一体的固定件，其中：固定件设置在传感器外壳的两侧端口处。

具体的，传感器外壳为内部中空的圆柱体或者棱柱体。

具体的，传感器外壳的内部填充有导热介质。

具体的，还包括PVC软管，PVC软管套设在传感器外壳以外的光纤外部。

具体的，光纤光栅位于传感器外壳内的中间位置。

具体的，固定件是将光纤与传感器外壳端口凝结为一体的胶黏剂。

具体的，导热介质为导热油。

具体的，传感器外壳为聚乳酸材质。

一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器的组装方法，包括：

(1)利用3D打印技术打印得到传感器外壳；

(2)在光纤上选定区段设置光纤光栅；

(3)将光纤自传感器外壳的一侧端口穿入，从另一侧端口穿出，光纤光栅置于传感器外壳内部；

(4)在传感器外壳的一侧端口设置固定件，将光纤与传感器外壳的一侧端口固定为一体；

(5)通过传感器外壳的另一侧端口向传感器外壳内部填充导热介质；

(6)在传感器外壳的另一侧端口设置固定件，将光纤与传感器外壳的另一侧端口固定为一体；

(7)使用光纤熔接机将光纤的端面与跳线进行熔接；

(8)将PVC软管套设在光纤上。

本发明的基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器及其组装方法，采用3D打印技术打印出传感器外壳，在保证了测量精确度的基础上，大大缩短了生产周期，制作程序更简便，成本也比陶瓷、不锈钢等传统封装更低，可以更加广泛的在采矿、桥梁、隧道、边坡、路桥等岩土地质工程以及物理模型实验中进行推广应用。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，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它附图。

图1为本发明实施例的一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器的纵截面示意图；

图2为本发明实施例的一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器的横截面示意图；

图3为本发明实施例的一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器的另一种横截面示意图；

图4为本发明实施例的一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器的组装方法步骤流程图；

其中：1-光纤光栅、2-传感器外壳、3-光纤、4-固定件、5-导热介质、6-PVC软管。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

光栅光纤英文名称为Fiber Bragg Gratting，简称FBG，作为反射滤波无源敏感元件具有优良的反射滤波性能。FBG的作用原理是以布拉格反射波长的变化特征来反映外界的应力应变变化，进而实现对结构的测量。当光波进入到Bragg光栅的时候，会由于折射率的原因将光波分成两部分，一部分是反射光，这些光波能够满足Bragg光栅反射规律，另一部分是透射光，由于它们不能满足Bragg光栅反射特性，导致其直接从光纤的另一端出射。对于光纤光栅的反射光以及透射光的波长的确定，是受到光栅周期以及反向耦合模的有效折射率的影响，因此只要使得光栅周期和反向耦合模的有效折射率发生改变，就会使光栅Bragg波长发生改变。而光纤光栅波长的漂移量和温度变化之间存在一定的逻辑关系，由此可以将光栅波长的漂移量和温度进行相互转化。本发明对光栅光纤对温度的测量过程以及原理不做赘述，这属于本领域技术人员公知的技术。在实际情况中光纤光栅容易受到应变的影响，为了保持测量时光纤光栅的应变量为零，因此需要使用传感器外壳来封装保护。

如图1所示，为本发明实施例的一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器，本实施例中的光纤光产温度传感器的光纤光栅1外部套设有3D打印成型的传感器外壳2。本实施例中不限定传感器外壳的具体材质，优选的采用聚乳酸材质，聚乳酸材质是一种新型的生物基及可再生生物降解材料，使用可再生的植物资源(如玉米、木薯等)所提出的淀粉原料制成，是公认的环境友好材料。聚乳酸具有良好的机械性能及物理性能，适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便，应用十分广泛。聚乳酸还具有最良好的抗拉强度及延展度，与目前广泛所使用的聚合物有类似的成形条件，此外它也具有与传统薄膜相同的印刷性能。所以采用聚乳酸材质制成的传感器外壳2不仅可以对光纤光栅1起到保护作用，还具有较好的传热性能，以实现对温度的准确测量。在现有技术中，光纤式温度传感器测量效果最佳的陶瓷封装型光纤式温度传感器在生产时，对陶瓷外壳的生产工艺要求较高，不仅价格昂贵，而且生产周期长，本实施例的光纤光栅温度传感器采用3D打印技术打印出传感器外壳2，大大缩短了生产周期，制作程序更简便，成本也比陶瓷、不锈钢等传统封装更低，可以更加广泛的在采矿、桥梁、隧道、边坡、路桥等岩土地质工程以及物理模型实验进行推广应用。

3D打印技术又称三维打印技术，是指通过可以“打印”出真实物体的3D打印机，采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成3D实体。常见的工艺主要有分层实体成型工艺、立体光固化成型工艺、选择性激光烧结工艺、熔融沉积成型工艺、三位印刷工艺、聚合物喷射技术、数字光处理等。本发明实施例的传感器外壳2可选用熔融沉积成型工艺，该技术应用了热熔挤压技术，制造成本相对较低且安全性高，适用于制造行业新产品开发以及地理信息等基于立体成像技术的三维模型制造。

本实施例中的光纤光栅1是通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，属于一种无源滤波器件。由于光纤光栅1具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。光纤光栅1利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅1时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅1继续传输。本发明实施例对于光纤光栅1的其他物理特性本实施例在此处不作赘述，本领域技术人员可通过查阅现有技术进行了解。

具体的，如图1所示，本实施例的光纤光栅温度传感器还包括用于将光纤3与传感器外壳2固定为一体的固定件4，其中：固定件4设置在传感器外壳2的两侧端口处。固定件4将光纤3和传感器外壳2固定为一体后，防止光纤3相对传感器外壳2滑动而影响测量结果。本实施例的固定件4可以是能够将光纤3与传感器外壳2端口凝结为一体的胶黏剂，也可为其他材料制成。本实施例对胶黏剂的具体产品种类不作限定，优选用改性丙烯酸酯胶粘剂，因其固化速度快、耐热性强、抗冲击性能好、可油面粘接、混合比例要求不严格等优点是环氧胶黏剂、聚氨酯胶黏剂等其他胶种难以比拟的，更加适用于本实施例设计的方案。

具体的，本实施例中的传感器外壳2为内部中空的圆柱体或者棱柱体。本实施例的棱柱体，可以为三棱柱、四棱柱(即长方体)、五棱柱、六棱柱等等。本实施例不限定圆柱体或者棱柱体的具体尺寸，需根据光纤光栅1的大小进行设计，例如，设计一个圆柱体形状的传感器外壳2，将长度设置为50mm，其直径设计为8mm，内部中空形成的空腔直径为5mm，传感器外壳2的厚度为1.5mm。本实施例中的传感器外壳2的外部形状应当与其内部中空形成的空腔形状一致，例如传感器外壳2为圆柱形，则其空腔也应当为圆柱形，若传感器外壳2为长方体形状，则其空腔也应当为长方体形状。但需要说明的是，无论传感器外壳2的形状如何，光纤光栅1都应当固定在空腔的中心轴线上。优选的，本实施例的传感器外壳2的两侧端口为收口结构，即两个端口的截面小于圆柱形空腔的截面面积，以减小光纤3与传感器外壳2的端口之间的空隙，更便于固定件4实现光纤3与传感器外壳2之间的固定。在前述对传感器外壳2的尺寸设计基础上，可以设计端口的直径为2mm、轴向厚度为3mm作为参考。本实施例的传感器外壳2选用长方体形状时，可以设计长度为50mm、截面为8mm*8mm的长方体，内部中空形成的空腔截面为5mm*5mm的正方形，设计收口结构时，收口直径为为2mm、轴向厚度为3mm作为参考。本实施例中收口结构的截面形状优选为圆形。

具体的，如图1所示，本实施例中传感器外壳2的内部填充有导热介质5。导热介质5的主要功能在于传导热量。导热介质5优选用导热油，导热油可以使光纤光栅1处于浮游状态状态，可以对光纤光栅1起到保护作用。导热油是一种间接传递热量的一类热稳定性较好的专用油品，由于其具有加热均匀，调温控制准确，能在低蒸汽压下产生高温，传热效果好、节能、输送和操作方便等特点，近年来被广泛用于各种场合，而且其用途和用量越来越多。本实施例对导热油的成份以及具体的生产厂家并不作出限定，可选用天成美加320#导热油，该型号的导热油外观为淡黄色透明液体，密度在868～875kg/mm³(20℃)，运动粘度在27～50.6mm²/s(40℃)，凝点不高于8℃，较适用于对岩层破断或者地表下沉问题测量的温度传感器中。本领域技术人员还可根据不同的使用环境选用其他成分或者材质的导热介质5。如图2与图3所示，均是本实施例的光纤光栅温度传感器的横截面示意图，说明了传感器外壳2为圆柱体和长方体两种形状时，内部填充有导热介质5、传感器外壳2的端口以及设置的光纤3与传感器外壳2的结构关系。

具体的，如图1所示，本实施例的温度传感器还包括PVC软管6，PVC软管6套设在传感器外壳2以外的光纤3外部。PVC全名Polyvinylchloride，主要成份为聚氯乙烯，另外加入其他成分来增强其耐热性、韧性以及延展性等，是当今世界上被广泛应用的一种合成材料。PVC力学性能和电性能优良、耐酸碱力极强、化学稳定性好、软化点低，适于制作薄板、电线电缆绝缘层、密封件等。本实施例的PVC软管6用来保护外部裸露的光纤3，避免测量时受到刮蹭而被损坏。

具体的，本实施例中的光纤光栅1位于传感器外壳2内的中间位置。本实施例所限定的中间位置应当是光栅光纤1位于传感器外壳2的轴线上，且光纤光栅1离传感器外壳2两侧端口的距离相等。将光纤光栅1设置在传感器外壳2内的中间位置，可以最大限度的降低传感器外壳2对光纤光栅1测量造成的误差，使光纤光栅1的测量结果更加精准。

本实施例的基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器，采用在光纤光栅外部套设由3D打印技术成型的传感器外壳，保证了测量准确的基础上，相比于现有技术中具有同等测量准确度的陶瓷封装型光纤式温度传感器，具有生产周期短、成本低、易推广的优点。

如图4所示，本发明还提供了一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器的组装方法，包括以下步骤：

步骤S101：利用3D打印技术打印得到传感器外壳。

具体的，对于传感器外壳的打印过程，可以细分为一下步骤：

步骤S1011：设计传感器外壳的形状，并通过三维绘图软件进行建模得到三维建模文件；

步骤S1012：将三维建模文件转换成平板印刷的.stl格式建模文件并保存；

步骤S1013：将.stl格式建模文件导入3D打印机进行打印，得到成型的传感器外壳。

步骤S102：在光纤上选定区段设置光栅。

将传感器外壳打印完成后，进行光纤光栅的设置，本实施例对光纤光栅具体如何设置不作限定，本领域技术人员可通过现有技术手段制作或者购买。本实施例也不限定光纤光栅的折射率、光栅周期等工艺参数，具体视测量要求进行设计。为了能够将光纤从传感器外壳的两侧端口中顺利穿过，应当将光纤光栅设置的尽量靠近光纤的端面。

步骤S103：将光纤自传感器外壳的一侧端口穿入，从另一侧端口穿出，光纤光栅置于传感器外壳内部。

在光纤穿入传感器外壳的一侧端口之前，应当对光纤光栅进行清洁，具体清洁方式本实施例不做限定，在实验操作中可采用酒精擦洗的方式实现。

将光纤按照上述步骤从传感器外壳的另一侧端口穿出后，将光纤光栅留在传感器外壳内，且光纤光栅位于传感器外壳内的中间位置。为保证位置符合要求，应当在光纤穿入传感器外壳的一侧端口之前，需要对光纤光栅的区段进行空间定位，根据传感器外壳的尺寸在光纤上做出标记，使标记段的长度与传感器外壳保持一致。例如，传感器外壳长度为50mm，光纤光栅的长度为15mm，则在光纤光栅左侧的17.5mm处和光纤光栅右侧的17.5mm处做出标记，将光纤穿出传感器外壳的另一侧端口后，标记的两个位置则刚好在两个端口处。

步骤S104：在传感器外壳的一侧端口设置固定件，将光纤与传感器外壳的一侧端口固定为一体；

本实施例采用胶黏剂将传感器外壳的一侧端口和光纤黏结为一体，一段时间后胶黏剂凝固，可通过轻轻拉拽的方式检查光纤与传感器外壳的一侧端口是否已经固定牢靠。同时，为执行步骤步骤S105，本实施例中的胶黏剂的另一个功能是密封，防止导热介质流出。

步骤S105：通过传感器外壳的另一侧端口向传感器外壳内部填充导热介质。

本实施例的导热介质选用导热油，将导热油通过传感器外壳的另一侧端口填充至其内部的空腔中。本实施例对填充的具体方式不作限定，实验室组装可采用注射器缓慢注入。本实施例中的导热介质应当填充满整个空腔，在导热介质填充的过程中，将传感器外壳轻微震荡，确保导热介质中无气体存留。

步骤S106：在传感器外壳的另一侧端口设置固定件，将光纤与传感器外壳的另一侧端口固定为一体。

当导热介质填充满整个空腔后，用固定件将传感器外壳的另一侧端口和光纤固定为一体。本实施例该步骤仍可采用胶黏剂作为固定件，将传感器外壳的另一侧端口和光纤黏结为一体，同时密封住传感器外壳的另一侧端口。本实施例选用胶黏剂作为固定件，应当以传感器外壳的两侧端口均密封，导热介质不会发生泄漏为标准。

步骤S107：使用光纤熔接机将光纤的端面与跳线进行熔接。

将传感器外壳和光纤光栅进行封装后，将光纤的端面与跳线进行熔接。在熔接前，应当用专用剥离钳将跳线外围的橡胶片剥去，并制作出符合要求的光纤端面，这是由于光纤端面的质量直接影响测量效果。本实施例采用专用的剥线工具剥去涂覆层，再用沾有酒精的棉花在裸纤上擦试几次后，使用精密光纤切割刀切割光纤，形成合格的光纤端面。对于光纤端面与跳线的熔接操作，本实施例不做具体叙述，对于光纤熔接机的操作本领域技术人员应具备相关经验。

本实施例将光纤的端面与跳线熔接后，应采用红光笔验证光路是否畅通，如果畅通，则说明熔接效果良好，符合要求。

步骤S108：将PVC软管套设在光纤上。

将光纤的端面与跳线熔接后，将具有保护作用的PVC软管套设在光纤外部。本实施例不限定PVC软管的管径，但其内径应当略大于光纤的外径，在套设时避免PVC软管与光纤有过多的摩擦进而出现光纤拉伸的状况。

本发明实施例通过上述组装方法，组装出具有生产周期短、成本低、易推广等优点的光纤光栅温度传感器，相比于现有技术中的陶瓷封装型光纤式温度传感器，具有更高的利用价值。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述传感器的光纤光栅外部套设有3D打印成型的传感器外壳。

2.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器，其特征在于，还包括用于将光纤与所述传感器外壳固定为一体的固定件，其中：

所述固定件设置在所述传感器外壳的两侧端口处。

3.如权利要求2所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述传感器外壳为内部中空的圆柱体或者棱柱体。

4.如权利要求3所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述传感器外壳的内部填充有导热介质。

5.如权利要求4所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器，其特征在于，还包括PVC软管，所述PVC软管套设在所述传感器外壳以外的所述光纤外部。

6.如权利要求5所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述光纤光栅位于所述传感器外壳内的中间位置。

7.如权利要求6所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述固定件是将所述光纤与所述传感器外壳端口凝结为一体的胶黏剂。

8.如权利要求6所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述导热介质为导热油。

9.如权利要求6所述的一种基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述传感器外壳为聚乳酸材质。

10.一种如权利要求6-9任一项所述的基于3D打印技术的光纤光栅温度传感器的组装方法，其特征在于，包括：

(1)利用3D打印技术打印得到所述传感器外壳；

(2)在所述光纤上选定区段设置所述光纤光栅；

(3)将所述光纤自所述传感器外壳的一侧端口穿入，从另一侧端口穿出，所述光纤光栅置于所述传感器外壳内部；

(4)在所述传感器外壳的一侧端口设置所述固定件，将所述光纤与所述传感器外壳的一侧端口固定为一体；

(5)通过所述传感器外壳的另一侧端口向所述传感器外壳内部填充所述导热介质；

(6)在所述传感器外壳的另一侧端口设置所述固定件，将所述光纤与所述传感器外壳的另一侧端口固定为一体；

(7)使用光纤熔接机将所述光纤的端面与跳线进行熔接；

(8)将PVC软管套设在所述光纤上。