CN109828339B - 一种单层光纤应变盘装置与制作方法 - Google Patents

Abstract

一种单层光纤应变盘装置与制作方法，属于光纤传感技术领域。一种单层光纤应变盘装置，结构包括上光纤盘缠绕压片、下光纤盘缠绕压片、弹性盘片、固定螺母，下光纤盘缠绕压片的中心螺纹柱依次穿过弹性盘片的中心孔、上光纤盘缠绕压片的中心孔，固定螺母与中心螺纹柱相连接。本发明装置结构简单、易于加工，使用该装置制作单层光纤应变盘的方法容易、方便操作，且单层光纤应变盘的制作尺寸不受限制，可实现弹性盘片上、下表面上光纤缠绕区域对称，实现较好的推挽效果；在批量制作单层光纤应变盘中，使用该方法不仅可以实现快速高效的完成光纤应变盘制作，还可以保证单层光纤应变盘样品之间的一致性，进而提高传感器的一致性。

Description

一种单层光纤应变盘装置与制作方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种单层光纤应变盘装置与制作方法。

背景技术

光纤传感技术是自上世纪70年代中期发展起来的一门新技术，在随后的几十年里光电子技术和光纤技术高速发展，以光纤作为敏感元件的光纤传感技术也得到了迅速发展，应用领域遍布工业生活的方方面面。光纤作为敏感元件时，光纤中传输光波的特征参量，如振幅、相位、波长、偏振态和模式等，对外界环境因素变化都非常敏感，光纤传感技术即是通过检测光纤中传输光的特性变化来测量外界环境待测量。

与传统传感技术相比，光纤传感技术除了具有无源性、体小质轻、抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀等无与伦比的独特特点外，还具有大动态范围、宽工作频带、高灵敏度、响应快、精度高以及线性度高等优点，其测量对象非常广泛，可用于温度、压力、位移、速度、加速度、电流电压、电磁场、液体浓度以及核辐射等各种物理量、化学量的测量。因此备受发达国家军事与商业领域的青睐，经过近几十年的发展，光纤传感技术为传感领域的重要研究方向并在国民生产生活领域有重大应用。

光纤应变盘做为光纤传感器中常见的核心弹性换能元件，多用于加速度、应力应变及压力等物理量测量的光纤传感技术。在光纤传感器中，光纤应变盘主要功能是将外界待测量信息(如加速度、压力等)转化为应变盘上光纤的应变信息，并以此对光纤中传输光波的特征参量(如相位、偏振态及幅值等)进行调制。而传感系统利用信号解调装置得光学特征参量调制信息，并通过光学特征参量变化信息与外界待测量信息的线性响应关系，检测到得未知外界待测量信息。在结构上，光纤应变盘上下表面对称位置粘贴的光纤可构成推挽结构，当弹性盘片受外界影响而发生弯曲形变时，粘贴在弹性盘片上下表面的光纤，一面会发生拉伸应变，一面会发生压缩应变，形成推挽效应，可以增加传感器的灵敏度；光纤应变盘本身结构所带有的平面几何特性使得其具备很高的本征方向性响应，能够对对方向性强的信号进行高精度监测。光纤应变盘作为换能器的光纤传感器结构紧凑、制作简单、体积小，易于满足实用要求，同时具有高灵敏度、本征方向性应等优势，能方便地被开发为各种传感器而备受关注，因此在工业生产生活中是十分常见的。

1989年，美国人D.A.Brown设计出一种推挽式应变盘结构的光纤水听器并在实际测试中取得了突出的成结果，在此基础上于1990年又提出一种基于光纤应变盘结构的加速度计，D.A.Brown的一系列研究成果证明了光纤应变盘在光纤传感领域具有较好的应用。随后便有多种不同光纤应变盘结构设计的光纤传感器被报道，这些设计的差异主要表现为光纤应变盘的固定支撑结构，例如1994年美国的Sandeep T.Vohra等人提出一种基于单一光纤应变盘光纤加速计结构(US5903349)，该光纤应变即采用中心固定周边自由的方式固定。目前，在公开的资料中有不少关于光纤应变盘的制作方法，例如：2006年中科院半导体所的王永杰等人提出一种光纤应变盘及其制作方法(CN101210833A)，该光纤应变盘通过预先将光纤缠绕在设计好的黏性底板上制作成光纤盘，之后将光纤盘与弹性盘片粘接并去掉黏性底盘，但是该光纤应变盘在实际过程中光纤缠绕采用手工方式缠绕，操作难度大，人力成本高，不适于标准化的工业流水线生产；2011年浙江大学的王冬云等人提出一种用于光纤加速度计的低蠕变光纤盘及其制作方法(CN102507968B)，该光纤应变盘采用表面刻有凹槽晶体盘作为弹性盘片以对除去外涂覆层的裸纤定位，并使用甩胶法控制用胶量且保证均匀性，但是该光纤应变盘制作工艺复杂，且成本高。

本发明提供了一种单层光纤应变盘的制作方法与装置，该装置主要由上、下两部分光纤盘缠绕压片构成，在上、下光纤盘缠绕压片的台面中存在高度为光纤直径大小的凸台和四个对称分布的凹槽，且凸台直径为所需制作光纤盘内径。光纤应变盘缠绕装置的设计原理为：将下光纤盘缠绕压片、弹性盘片、上光纤盘缠绕压片依次组装固定，由于在上、下光纤盘缠绕压片存在高度为光纤直径大小的凸台，因此下光纤盘缠绕压片与弹性盘片、弹性盘片与上光纤盘缠压片彼此之间存在间距为单根光纤直径大小圆环区，将光纤缠绕其中，由于用于缠绕光纤的圆环区厚度恰好为单根光纤直径大小，因此可以防止缠绕过程中每圈光纤之间发生窜动，保证每圈光纤之间彼此紧密结合。光纤应变盘缠绕装置中的凹槽是用于缠绕完成后光纤的固定，防止光纤盘松动。该装置结构简单、易于加工，使用该装置制作光纤应变盘方法简单且操作方便，利用该装置实现弹性盘片上、下表面上光纤盘的整齐缠绕，并且可以快速高效的完成光纤应变盘制作。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种单层光纤应变盘装置与制作方法。

为实现上述目的，一种单层光纤应变盘装置，结构包括上光纤盘缠绕压片111、下光纤盘缠绕压片131、弹性盘片121、固定螺母101，所述下光纤盘缠绕压片131的中心螺纹柱133依次穿过所述弹性盘片121的中心孔、所述上光纤盘缠绕压片111的中心孔，所述固定螺母101与中心螺纹柱133相连接，上光纤盘缠绕压片111的中心孔直径、弹性盘片121的中心孔直径与中心螺纹柱133直径一致。

所述上光纤盘缠绕压片111在与弹性盘片121相交处有第一凸台112，第一凸台112的高度为光纤直径大小，第一凸台112直径为所需制作光纤盘内径，第一凸台112的中间为中心孔，上光纤盘缠绕压片111的外围有四个对称分布的凹槽。

所述下光纤盘缠绕压片131与弹性盘片121相交处有第二凸台132，第二凸台132的高度为光纤直径大小，第二凸台132直径为所需制作光纤盘内径，下光纤盘缠绕压片111的外围有四个对称分布的凹槽，下光纤盘缠绕压片131的第二凸台132中心为所述中心螺纹柱133。

一种基于单层光纤应变盘装置的单层光纤应变盘制作方法，具体的步骤为：

步骤1.将所述下光纤盘缠绕压片131、所述弹性盘片121、所述上光纤盘缠绕压片111依次组装，并使上光纤盘缠绕压片111、下光纤盘缠绕压片131的凹槽对齐固定，利用所述固定螺母101将下光纤盘缠绕压片131、弹性盘片121、上光纤盘缠绕压片111三者紧密固定；

步骤2.使用固定胶带将一路传感光纤的输入端固定在上光纤缠绕压片111背侧，通过上光纤缠绕压片111的四个凹槽中的一个将光纤引入弹性盘片121与上光纤缠绕压片111之间厚度为光纤直径大小的环形空隙中，利用该空隙进行光纤盘缠绕；

步骤3.在光纤缠绕过程中，顺着光纤自身应力方向进行缠绕，并控制缠绕的张力，使已缠绕的每圈光纤之间的紧密结合；

步骤4.在光纤缠绕完成后，使用环氧树脂胶在四个凹槽处对光纤盘进行初步固定；

步骤5.待环氧树脂完全固化后，利用同样的方法在下光纤缠绕压片131与弹性盘片121之间缠绕光纤；

步骤6.松动固定螺母101，取出上光纤盘缠绕压片111、下光纤盘缠绕压片131，将弹性盘片121取出；

步骤7.用环氧树脂对未固定的缠绕光纤进行覆胶粘接工作，使弹性盘片121与缠绕完成的光纤盘紧密粘贴。

本发明的有益效果在于：

设计特殊的光纤缠绕夹具实现单层光纤应变盘的制作，装置结构简单、易于加工，使用该装置制作单层光纤应变盘的方法容易、方便操作，且单层光纤应变盘的制作尺寸不受限制；单层光纤应变盘缠绕装置采用对称式的结构，可实现弹性盘片上、下表面上光纤缠绕区域对称，且光纤应变盘缠绕与粘接同步进行，保证了光纤应变盘上下面光纤缠绕环的对称性，实现较好的推挽效果；单层光纤应变盘光纤缠绕方法灵活且适应性强，可根据缠绕要求以及光纤自身的缠绕状态，调节光纤自身的扭转状态消除光纤的扭转，避免光纤的扭曲产生的附加应力而给光纤加速度传感器引入不必要的双折射误差；在批量制作单层光纤应变盘中，使用该方法不仅可以实现快速高效的完成光纤应变盘制作，还可以保证单层光纤应变盘样品之间的一致性，进而提高传感器的一致性。

附图说明

图1为本发明盘片及工装组合图。

图2为本发明上下工装结构示意图。

图3为本发明绕制过程图。

图4为本发明绕制完成后单层光纤挠曲盘示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

本发明的目的在于提供一种单层光纤应变盘的制作方法与装置，利用此方法及装置可以现弹性盘片上、下表面上光纤盘的整齐缠绕，并且可以快速高效的完成光纤应变盘制作。

本发明提出了一种单层光纤应变盘的制作方法与装置，其特征在于：包括上光纤盘缠绕压片111、下光纤盘缠绕压片131、弹性盘片121、固定螺母101；下光纤盘缠绕压片131通过其中心螺纹柱133依次穿过弹性盘片121以及上光纤盘缠绕压片111的中心孔，并使用固定螺母101将三者紧密固定。

所述的上光纤盘缠绕压片111，其特征是：上光纤盘缠绕压片111的台面中存在高度为光纤直径大小的凸台112和四个对称分布的凹槽111a、111b、111c、111d，且凸台112直径为所需制作光纤盘内径。

所述的下光纤盘缠绕压片131，其特征是：下光纤盘缠绕压片131的台面中存在高度为光纤直径大小的凸台132和四个对称分布的凹槽131a、131b、131c、131d，且凸台132直径为所需制作光纤盘内径，下光纤盘缠绕压片131凸台132中心存在一中心螺纹柱133，其作用是用以将弹性盘片121和上光纤盘缠绕压片111组装固定。

所述的上光纤盘缠绕压片111，弹性盘片121，下光纤盘缠绕压片131，其特征是：上光纤盘缠绕压片111中心空直径、弹性盘片121中心空直径与下光纤盘缠绕压片131中心螺纹柱133直径一致。

单层光纤应变盘制作方法，其特征在于：

将下光纤盘缠绕压片131、弹性盘片121、上光纤盘缠绕压片111依次组装，并使上、下光纤盘缠绕压片111、131的凹槽111a、111b、111c、111d、131a、131b、131c、131d对齐固定，利用固定螺母101将下光纤盘缠绕压片131、弹性盘片121、上光纤盘缠绕压片111三者紧密固定；

将一路传感光纤的输入端利用固定胶带在上光纤缠绕压片111背侧固定，通过四个凹槽111a、111b、111c、111d中的一个将光纤小心引入弹性盘片121与上光纤缠绕压片111之间厚度为光纤直径大小的环形空隙中，利用该空隙进行光纤盘缠绕；

在光纤缠绕过程中，应顺着光纤自身应力方向进行缠绕，避免因光纤扭曲产生的附加应力而给光纤传感器引入不必要的双折射误差。控制缠绕的张力，使光纤尽量以均匀的应力缠绕，并保证已缠绕的每圈光纤之间的紧密结合；

在光纤缠绕完成后，利用环氧树脂胶在四个凹槽111a、111b、111c、111d处对光纤盘进行初步固定，防止光纤松动；

待环氧树脂完全固化后，利用同样的方法在下光纤缠绕压片131与弹性盘片121之间缠绕光纤，实现光纤盘的双面缠绕；

松动固定螺母101，卸下、上光纤缠绕压片111、131，将弹性盘片121取出，弹性盘片121上双面缠绕光纤初步完成；

由于在凹槽111a、111b、111c、111d、131a、131b、131c、131d中固定光纤的环氧树脂仅起到初步固定光纤，防止光纤松动的作用，因此需用环氧树脂对未固定的光纤盘部位进行覆胶工作使弹性盘片121与缠绕完成的光纤盘紧密粘贴，至此完成单层光纤应变盘制作。

本发明提供了一种单层光纤应变盘的制作方法与装置，该装置主要由上、下两部分光纤盘缠绕压片构成，在上、下光纤盘缠绕压片的台面中存在高度为光纤直径大小的凸台和四个对称分布的凹槽，且凸台直径为所需制作光纤盘内径。光纤应变盘缠绕装置的设计原理为：将下光纤盘缠绕压片、弹性盘片、上光纤盘缠绕压片依次组装固定，由于在上、下光纤盘缠绕压片存在高度为光纤直径大小的凸台，因此下光纤盘缠绕压片与弹性盘片、弹性盘片与上光纤盘缠压片彼此之间存在间距为单根光纤直径大小圆环区，将光纤缠绕其中，由于用于缠绕光纤的圆环区厚度恰好为单根光纤直径大小，因此可以防止缠绕过程中每圈光纤之间发生窜动，保证每圈光纤之间彼此紧密结合。光纤应变盘缠绕装置中的凹槽是用于缠绕完成后光纤的固定，防止光纤盘松动。该装置结构简单、易于加工，使用该装置制作光纤应变盘方法简单且操作方便，利用该装置实现弹性盘片上、下表面上光纤盘的整齐缠绕，并且可以快速高效的完成光纤应变盘制作，为盘式光纤加速度计以及光纤压力传感器提供高性能的振动及压力感知单元。

对光纤应变盘进行缠绕制作之前，需要对装置进行正确的组装固定。如附图1及附图2所示，按照发明内容所描述的组装方式组装好个部件，并将之紧密固定。

组装方式：

步骤1.将加工完成的平整的弹性盘片121放入下光纤盘缠绕压片131，并转动弹性盘片121以保证弹性盘片121与下光纤盘缠绕压片131平整接触；

步骤2.将上光纤盘缠绕压片111放置在弹性盘片121之上，转动上光纤盘缠绕压片111，使其上的凹槽111a、111b、111c、111d与下光纤盘缠绕压片131上的凹槽131a、131b、131c、131d对齐，利用固定螺母101将下光纤盘缠绕压片131、弹性盘片121、上光纤盘缠绕压片111三者紧密固定，并观察两两装置之间的空隙，防止偏转，保证三者之间的平整固定；

该发明装置选用的机械结构的详细性能参数如下所述。

弹性盘片121为铍青铜材料制作，外径为114mm，中心孔内径为12mm，厚度为0.5mm。

上光纤盘缠绕压片111为铝合金材料制作，外径为70mm，中心孔内径为12mm，厚度为3mm，凸台112直径为30mm，凸台高度为250um，四个凹槽111a、111b、111c、111d的宽度为5mm。

下光纤盘缠绕压片131为铝合金材料制作，外径为70mm，厚度为3mm，中心螺纹柱直径为12mm，中心螺纹柱133高度为20mm，凸台132直径为30mm，凸台高度为250um，四个凹槽131a、131b、131c、131d的宽度为5mm。

缠绕所用光纤为直径250um的单模光纤，长度为10m。

所绕制光纤盘内径为30mm，外径为60mm，绕制长度为8.5m。

利用该装置光纤应变盘制作过程如下：

步骤1.将一路传感光纤的输入端利用固定胶带在上光纤缠绕压片111背侧固定，通过四个凹槽111a、111b、111c、111d中的一个将250um的单模光纤小心引入弹性盘片121与上光纤缠绕压片111之间厚度为250um大小的环形空隙中，利用该空隙进行光纤盘缠绕；

步骤2.在光纤缠绕过程中，应顺着光纤自身应力方向进行缠绕，避免因光纤扭曲产生的附加应力而给光纤传感器引入不必要的双折射误差。控制缠绕的张力，使光纤尽量以均匀的应力缠绕，并保证已缠绕的每圈光纤之间的紧密结合；

步骤3.在光纤缠绕完成后，利用环氧树脂胶在四个凹槽111a、111b、111c、111d处对光纤盘进行初步固定，防止光纤松动；

步骤4.待环氧树脂完全固化后，利用同样的方法在下光纤缠绕压片131与弹性盘片121之间缠绕光纤，实现光纤盘的双面缠绕；

步骤5.松动固定螺母101，卸下光纤缠绕压片111与上光纤缠绕压片131，将弹性盘片121取出，弹性盘片121上双面缠绕光纤初步完成；

步骤6.用环氧树脂对未固定的缠绕光纤进行覆胶粘接工作使弹性盘片121与缠绕完成的光纤盘紧密粘贴，至此完成单层光纤应变盘制作。

Claims (2)

1.一种单层光纤应变盘装置，结构包括上光纤盘缠绕压片(111)、下光纤盘缠绕压片(131)、弹性盘片(121)、固定螺母(101)，其特征在于：所述下光纤盘缠绕压片(131)的中心螺纹柱(133)依次穿过所述弹性盘片(121)的中心孔、所述上光纤盘缠绕压片(111)的中心孔，所述固定螺母(101)与中心螺纹柱(133)相连接，上光纤盘缠绕压片(111)的中心孔直径、弹性盘片(121)的中心孔直径与中心螺纹柱(133)直径一致；所述上光纤盘缠绕压片(111)在与弹性盘片(121)相交处有第一凸台(112)，第一凸台(112)的高度为光纤直径大小，第一凸台(112)直径为所需制作光纤盘内径，第一凸台(112)的中间为中心孔，上光纤盘缠绕压片(111)的外围有四个对称分布的凹槽；所述下光纤盘缠绕压片(131)与弹性盘片(121)相交处有第二凸台(132)，第二凸台(132)的高度为光纤直径大小，第二凸台(132)直径为所需制作光纤盘内径，下光纤盘缠绕压片(111)的外围有四个对称分布的凹槽，下光纤盘缠绕压片(131)的第二凸台(132)中心为所述中心螺纹柱(133)。

2.一种基于权利要求1所述一种单层光纤应变盘装置的单层光纤应变盘制作方法，其特征在于，具体的步骤为：

步骤1.将所述下光纤盘缠绕压片(131)、所述弹性盘片(121)、所述上光纤盘缠绕压片(111)依次组装，并使上光纤盘缠绕压片(111)、下光纤盘缠绕压片(131)的凹槽对齐固定，利用所述固定螺母(101)将下光纤盘缠绕压片(131)、弹性盘片(121)、上光纤盘缠绕压片(111)三者紧密固定；

步骤2.使用固定胶带将一路传感光纤的输入端固定在上光纤缠绕压片(111)背侧，通过上光纤缠绕压片(111)的四个凹槽中的一个将光纤引入弹性盘片(121)与上光纤缠绕压片(111)之间厚度为光纤直径大小的环形空隙中，利用该空隙进行光纤盘缠绕；

步骤3.在光纤缠绕过程中，顺着光纤自身应力方向进行缠绕，并控制缠绕的张力，使已缠绕的每圈光纤之间的紧密结合；

步骤4.在光纤缠绕完成后，使用环氧树脂胶在四个凹槽处对光纤盘进行初步固定；

步骤5.待环氧树脂完全固化后，利用同样的方法在下光纤缠绕压片(131)与弹性盘片(121)之间缠绕光纤；

步骤6.松动固定螺母(101)，取出上光纤盘缠绕压片(111)、下光纤盘缠绕压片(131)，将弹性盘片(121)取出；

步骤7.用环氧树脂对未固定的缠绕光纤进行覆胶粘接工作，使弹性盘片(121)与缠绕完成的光纤盘紧密粘贴。

Images