CN110044823A - 一种光纤光栅湿度传感器的制作方法 - Google Patents

一种光纤光栅湿度传感器的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，该方法通过装配工装的装卡槽来限制连接片的位置，通过装配工装的膜槽来确保湿敏薄膜制作后的长度和位置，通过卡具工装将湿敏薄膜压紧，同时通过设计连接片的形状和装配工装左右两侧的出胶槽来将多余的胶液排除，然后完成光纤光栅湿度传感器的制作。本发明实现了光纤光栅湿度传感器湿敏元件的工程化制作，防止湿敏薄膜制作后产生翘曲，保证其粘接均匀度，能有效实现将湿敏薄膜对环境湿度的感知准确的传递给光纤光栅，保证光纤光栅湿度传感器测量精度。

Description

一种光纤光栅湿度传感器的制作方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤光栅湿度传感器的制作方法。
背景技术
在航空航天、电工电力、军事及气象、制药与烟草等领域，对环境湿度的监测是非常必要的，因此提升湿度监测仪器的性能，确保满足不同检测环境需求具有重要意义。常见湿度传感器种类包括毛发式、干湿球式，以及电容式、电阻式等湿度传感器。这些类型的湿度传感器易受电磁、油气等恶劣环境的干扰，稳定性较差，应用范围有限。
光纤传感器是一种无源传感器，不易受到电磁信号的干扰，本质安全(即阻燃、防爆)，可适应电工电力、化工制药等易燃易爆环境。并且光纤传感器体积小，质量轻，更容易置入空间狭小的区域进行远距离组网监测。
比较常用的光纤湿度传感器是光纤光栅湿度传感器。由于光纤光栅本身对于湿度不敏感，需要通过与湿敏材料共同作用来组成湿敏元件。基于这种工作机制，光纤光栅湿度传感器对于湿敏元件的加工工艺要求非常严格。湿敏薄膜能否准确的将湿度引起的作用力转换为对光纤栅区产生的轴向应力，湿敏薄膜能否均匀粘附在湿度传感器支架膜槽上，湿敏薄膜的粘接边缘是否存在气泡而导致边缘翘曲，湿敏薄膜的中轴线与光线光栅的直线延长线是否重合，均会直接影响光纤光栅湿度传感器的测量精度。这些工艺问题解决不好会造成批量制作的温湿度传感器灵敏度不一致，甚至会引起光栅的啁啾现象，产生次品。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，提高了湿度转换光栅轴向应力的测量精度，实现了光纤光栅温湿度传感器的工程化制作。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，包括以下步骤：
步骤一、将连接片固定在装配工装上，且连接片的光纤槽朝下，在连接片的上表面均匀涂上胶黏剂；
步骤二、将湿敏薄膜前端浸入连接片上表面的胶黏剂中，并向前缓慢推行，直到湿敏薄膜全部位于装配工装膜槽中，所述膜槽专门用于固定湿敏薄膜，将湿敏薄膜后端压紧，在连接片上将多余胶液从装配工装的左右两侧刮出；
步骤三、利用卡具工装将连接片压住，将经过上述处理的装配工装和卡具工装整体放入温箱，进行加热固化；
步骤四、卸下卡具工装，将粘接完成的完整膜片从装配工装上取下，固定在聚四氟乙烯板上，光纤槽朝上；
步骤五、将光纤光栅拉成直线后放置在连接片上，与连接片的中轴线重合，光栅栅区在连接片远离湿敏薄膜的一侧，光纤卡在光纤槽内，沿光纤槽均匀涂上胶黏剂，涂抹范围为光纤槽及两侧1mm区域，光纤被胶粘剂完全覆盖，将聚四氟乙烯板整体放入温箱，进行加热固化制成光纤光栅湿敏元件；
步骤六、将湿度传感器支架粘在聚四氟乙烯板上，在湿度传感器支架后端均匀涂上一层胶黏剂，将光纤光栅湿敏元件拉直，湿敏薄膜一面朝上，垂直放置在湿度传感器支架上，湿敏薄膜与湿度传感器支架涂胶面完全接触，用胶带固定好当前位置；
步骤七、在连接片上将多余胶液从装配工装的左右两侧沿刮出，将聚四氟乙烯板整体放入温箱，进行加热固化，制成完整的光纤光栅湿度传感器。
所述装配工装包括安装座和底座，其中，安装座上表面刻有膜槽、装卡槽和出胶槽，两侧面分别开有两个用于固定的螺纹孔；所述膜槽用于固定湿敏薄膜，装卡槽用于放置连接片；
底座上设置有导轨。
所述卡具工装包括滑杆、旋钮、压头和弹簧；
滑杆为几字形结构，压头位于滑杆顶端横梁正下方，旋钮位于滑杆顶端横梁正上方，旋钮穿过滑杆后与压头连接，当旋钮旋转时，所述压头能够向下或向上运动，压头左右两侧均安装有弹簧；
滑杆能够沿装配工装上的导轨滑动。
所述步骤三中利用卡具工装将连接片压住的实现方式如下：
滑杆沿装配工装上的导轨滑动，当滑动到连接片正上方时，转动旋钮，用压头将连接片压住，用定位螺钉将卡具工装锁死在装配工装的导轨上。
所述压头材料为聚四氟乙烯。
安装座材料为聚四氟乙烯。
膜槽、装卡槽和出胶槽的深度均不小于0.3mm。
所述连接片由等边三角形和长方形构成，所述等边三角形的边长与长方形的长边等长。
连接片的一侧表面上刻有光纤槽，光纤槽为长方形。
安装到位后，连接片上的长方形部分与湿敏薄膜紧邻。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明提供了一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，湿敏薄膜均匀粘附在湿度传感器支架膜槽上，且粘接后光纤光栅的直线延长线和湿度敏感薄膜的中轴线完全重合，能够准确的将湿度引起的作用力转换为对光纤栅区产生的轴向应力，同时避免因为湿敏薄膜与光纤光栅轴向存在夹角，提高了光纤光栅湿度传感器的测量精度。
(2)本发明设计了一种用于进行湿敏薄膜固化的卡具工装，有效的将湿敏薄膜与连接片进行固定，防止加热固化过程中因薄膜翘曲导致胶黏剂产生气泡，从而保证湿敏薄膜给光纤光栅传递应力的性能，提高了光纤光栅湿度传感器的测量精度。
附图说明
图1是本发明提供的制作光纤光栅传感器的核心部件光纤光栅湿敏元件的工装示意图；
图2是本发明安装座的结构示意图；
图3是本发明连接片的结构示意图；
图4是本发明完整的光纤光栅传感器示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。
如图1和图2所示，本发明的装配工装5包括安装座51和底座52，其中，安装座51上表面刻有膜槽511、装卡槽512和出胶槽513，两侧面分别开有两个用于固定的螺纹孔514；所述膜槽511用于固定湿敏薄膜，装卡槽512用于放置连接片；底座52上设置有导轨521，安装座固定孔523和定位孔524。安装座51材料为聚四氟乙烯。安装座固定孔523用于将安装座固定与某一平面上，定位孔524用于固定卡具工装6。
如图2所示，膜槽511为长方形，宽度不小于20mm，长度为45mm-60mm，深度不小于0.3mm；装卡槽512为长方形，长度不小于22mm，宽度不小于5mm，深度不小于0.3mm；出胶槽513为长方形，长度不小于25mm，宽度不小于5mm，深度不小于0.3mm。
如图1所示，本发明的卡具工装6包括滑杆61、旋钮62、压头63、定位螺钉64、固定螺钉65和弹簧66；滑杆61为几字形结构，压头63位于滑杆61顶端横梁正下方，旋钮62位于滑杆61顶端横梁正上方，旋钮62穿过滑杆61后与压头63连接，当旋钮62旋转时，所述压头63能够向下或向上运动，压头63左右两侧均安装有弹簧66，弹簧66通过固定螺钉65固定在压头63上；滑杆61能够沿装配工装5上的导轨521滑动。压头63材料为聚四氟乙烯。
以如图3所示的连接片为例，连接片3由等边三角形和长方形构成，长方形长度不小于22mm，宽度不小于5mm。等边三角形的边长与长方形的长边等长，等边三角形底边长不小于22mm，高不小于5mm。连接片3的一侧表面上刻有光纤槽31，光纤槽31为长方形，宽度不小于0.13mm，深度不小于0.05mm。
结合图1所示，本发明公开了一种光纤光栅湿度传感器的制作方法。该方法是通过以下具体步骤实现的：
1)、将连接片3固定在装配工装5的装卡槽512，光纤槽31朝下，在连接片3的上表面均匀的涂上胶黏剂；
2)、将湿敏薄膜2前端浸入连接片3上表面的胶黏剂中，沿连接片3三角方向向长方形方向缓慢推行，直到湿敏薄膜2到达装配工装5的膜槽511前端，湿敏薄膜2后端压紧，在连接片3上沿三角方向将多余胶液从装配工装5出胶槽513的左右两侧刮出；
3)、将卡具工装6的滑杆61滑入装配工装5的导轨521，移动到连接片3的正上方，转动卡具工装6的旋钮62，用压头63将连接片3压住，用定位螺钉64将卡具工装6锁死在装配工装5导轨521上，将装配工装5和卡具工装6整体放入温箱，加热温度50℃，加热时间1小时。
4)、卸下卡具工装6，将粘接完成的完整膜片7从装配工装5上取下，固定在聚四氟乙烯板上，光纤槽31朝上；
5)、将光纤光栅1拉成直线后放置在连接片3上，与连接片3的中轴线重合，光栅栅区11在连接片3的三角尖端一侧，光纤12卡在光纤槽31内，沿光纤槽31均匀涂上胶黏剂，涂抹范围为光纤槽及两侧1mm区域，光纤12被胶粘剂完全覆盖，将聚四氟乙烯板整体放入温箱，进行加热固化，加热温度50℃，加热时间1小时，制成光纤光栅湿敏元件9；
6)、将湿度传感器支架4粘在聚四氟乙烯板上，在湿度传感器支架4后端均匀涂上一层胶黏剂，将光纤光栅湿敏元件9拉直，湿敏薄膜2一面朝上，垂直放置在湿度传感器支架4上，湿敏薄膜2与湿度传感器支架4涂胶面完全接触，用胶带固定好当前位置；如图4所示；
7)、沿连接片3三角的反方向将多余胶液刮出，将聚四氟乙烯板整体放入温箱，进行加热固化，加热温度50℃，加热时间1小时，制成完整的光纤光栅湿度传感器。
本发明公开的光纤光栅湿度传感器的制作方法，实现了光纤光栅湿度传感器湿敏元件的工程化制作，防止湿敏薄膜制作后产生翘曲，保证其粘接均匀度，以及光纤光栅的直线延长线和湿度敏感薄膜的中轴线完全重合，能有效实现将湿敏薄膜对环境湿度的感知准确的传递给光纤光栅，保证光纤光栅湿度传感器测量精度。
本发明的一个实例为：
本发明选用直径125um刻有光栅的单模光纤，光栅栅区长度为10mm。
湿敏薄膜2采用聚合物湿敏材料。
湿度传感器支架4长度为90mm，宽度为22mm，高度为9mm。
湿敏薄膜2的长度为45mm，宽度为20mm，厚度为30um。
膜槽511宽度为20mm，长度为45mm，深度为0.6mm。
装卡槽512长度为22mm，宽度为5mm，深度为0.6mm。
出胶槽513长度为40mm，宽度为5mm，深度为0.6mm。
连接片3长方形长度为22mm，宽度为5mm；等边三角形底边长为22mm，高为5mm；光纤槽31为长方形，宽度为0.16mm，深度为0.05mm。
应用本发明的工装，安装本发明的方法进行光纤光栅湿度传感器的制作，湿敏薄膜均匀粘附在湿度传感器支架膜槽上，有效消除湿敏薄膜的粘接边缘的气泡，粘接后湿敏薄膜中轴线与光纤光栅直线延长线重合，得到的光纤光栅湿度传感器未出现湿敏材料粘附不均及边缘翘曲问题，湿度测量精度由±5％RH提高到±3％RH。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、将连接片(3)固定在装配工装上，且连接片(3)的光纤槽朝下，在连接片(3)的上表面均匀涂上胶黏剂；
步骤二、将湿敏薄膜(2)前端浸入连接片(3)上表面的胶黏剂中，并向前缓慢推行，直到湿敏薄膜(2)全部位于装配工装(5)膜槽中，所述膜槽专门用于固定湿敏薄膜(2)，将湿敏薄膜(2)后端压紧，在连接片(3)上将多余胶液从装配工装(5)的左右两侧刮出；
步骤三、利用卡具工装(6)将连接片(3)压住，将经过上述处理的装配工装(5)和卡具工装(6)整体放入温箱，进行加热固化；
步骤四、卸下卡具工装(6)，将粘接完成的完整膜片从装配工装(5)上取下，固定在聚四氟乙烯板上，光纤槽朝上；
步骤五、将光纤光栅(1)拉成直线后放置在连接片(3)上，与连接片(3)的中轴线重合，光栅栅区(11)在连接片(3)远离湿敏薄膜(2)的一侧，光纤(12)卡在光纤槽内，沿光纤槽均匀涂上胶黏剂，涂抹范围为光纤槽及两侧1mm区域，光纤(12)被胶粘剂完全覆盖，将聚四氟乙烯板整体放入温箱，进行加热固化制成光纤光栅湿敏元件(9)；
步骤六、将湿度传感器支架(4)粘在聚四氟乙烯板上，在湿度传感器支架(4)后端均匀涂上一层胶黏剂，将光纤光栅湿敏元件(9)拉直，湿敏薄膜(2)一面朝上，垂直放置在湿度传感器支架(4)上，湿敏薄膜(2)与湿度传感器支架(4)涂胶面完全接触，用胶带固定好当前位置；
步骤七、在连接片(3)上将多余胶液从装配工装(5)的左右两侧沿刮出，将聚四氟乙烯板整体放入温箱，进行加热固化，制成完整的光纤光栅湿度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，其特征在于：所述装配工装(5)包括安装座(51)和底座(52)，其中，安装座(51)上表面刻有膜槽(511)、装卡槽(512)和出胶槽(513)，两侧面分别开有两个用于固定的螺纹孔(514)；所述膜槽(511)用于固定湿敏薄膜，装卡槽(512)用于放置连接片；
底座(52)上设置有导轨(521)。
3.根据权利要求2所述的一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，其特征在于：所述卡具工装(6)包括滑杆(61)、旋钮(62)、压头(63)和弹簧(66)；
滑杆(61)为几字形结构，压头(63)位于滑杆(61)顶端横梁正下方，旋钮(62)位于滑杆(61)顶端横梁正上方，旋钮(62)穿过滑杆(61)后与压头(63)连接，当旋钮(62)旋转时，所述压头(63)能够向下或向上运动，压头(63)左右两侧均安装有弹簧(66)；
滑杆(61)能够沿装配工装(5)上的导轨(521)滑动。
4.根据权利要求3所述的一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤三中利用卡具工装(6)将连接片(3)压住的实现方式如下：
滑杆(61)沿装配工装(5)上的导轨(521)滑动，当滑动到连接片(3)正上方时，转动旋钮(62)，用压头(63)将连接片(3)压住，用定位螺钉将卡具工装(6)锁死在装配工装(5)的导轨(521)上。
5.根据权利要求4所述的一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，其特征在于：所述压头(63)材料为聚四氟乙烯。
6.根据权利要求2所述的一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，其特征在于：安装座(51)材料为聚四氟乙烯。
7.根据权利要求1所述的一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，其特征在于：膜槽(511)、装卡槽(512)和出胶槽(513)的深度均不小于0.3mm。
8.根据权利要求1所述的一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，其特征在于：所述连接片(3)由等边三角形和长方形构成，所述等边三角形的边长与长方形的长边等长。
9.根据权利要求8所述的一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，其特征在于：连接片(3)的一侧表面上刻有光纤槽(31)，光纤槽(31)为长方形。
10.根据权利要求8所述的一种光纤光栅湿度传感器的制作方法，其特征在于：安装到位后，连接片(3)上的长方形部分与湿敏薄膜(2)紧邻。
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