CN110146203A - 一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构及封装方法，属于光纤传感技术领域。本发明公开的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构主要由定位壳帽和转接柱体两个主要部分组成；定位壳帽一端封闭、内部中空的氧化铝圆柱体，定位壳帽封闭前端中心开有感压孔；封闭前端的内表面加工有定位槽；定位壳帽的内壁上有内螺纹，内螺纹与转接柱体的外螺纹匹配；转接柱由耐高温的材料制成；主体是圆柱体，尾部收缩为椎体，圆柱体的外表面有外螺纹，与定位壳帽的内螺纹匹配，其内部设有细长通孔为传输光纤固定孔。本发明利用耐高温材料结合螺纹紧固和激光焊接实现对光纤压力传感器的无胶封装。本发明可用于超过800℃的高温环境进行压力测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构及封装方法，基于所述封装结构的光纤压力传感器可用于超过800℃的高温环境下液体、气体的绝对压力或相对压力的测量。
背景技术
基于Fabry-Perot干涉原理的光纤压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等特点，尤其是利用高温键合工艺制造的膜片式光纤压力传感器是近年来的研究热点。该类传感器通常是利用高温键合工艺，使用石英、单晶硅或者单晶蓝宝石等材料，制作出一个具有一定厚度的压力敏感元件，其内部有一个密封的感压腔，感压腔的上下表面形成Fabry-Perot干涉腔。压力敏感元件上表面厚度相对较薄，形成对外界压力敏感的感压膜片。其基本测量原理是外界施加压力使得感压膜片发生形变，通过测量感压腔的上下表面的距离变化从而解算出外界压力值，实现压力测量。
在实际应用过程中，限制该类传感器的工作温度上限的因素除了压力敏感元件所采用材料的耐温之外，还必须要考虑压力敏感元件与传输光纤进行有效连接的封装结构的耐温范围。目前大部分的膜片式光纤压力传感器采用石英、Pyrex玻璃、单晶硅等多种材料，各种材料之间的连接方式多为胶粘连接，这对传感器的耐温上限、精度、温度湿度特性不利，因此国内外研究人员进行了相关研究。
授权公告号CN102384809B的专利采用的是单晶硅片和Pyrex玻璃制作压力敏感元件，通过Pyrex玻璃制作的中空圆柱体将压力敏感元件与传输光纤焊接在一起，实现了无胶封装，但该传感器的工作温度上限受限于Pyrex玻璃，不能超过300℃。授权公告号CN103234673 B的专利采用碳化硅和蓝宝石光纤等材料制作压力传感器，蓝宝石光纤与传感器基板之间采用耐高温陶瓷胶进行密封和固定，该结构的密封性有待考证，且陶瓷胶与碳化硅基板分属两种材料，热匹配将对高温环境下的应用造成影响。Oxsensis公司的专利WO2009/077727通过引入了基于蓝宝石的压力敏感元件，并将光纤与压力敏感元件拉开距离以使得光纤离开超高温环境的方法来提高整个压力传感器的工作温度。为保证光纤的传输效率，该专利需要在光纤末端使用准直镜，为保证整体光路的稳定性，引入了非常复杂的封装结构对整个光路进行调整和固定。该公司的另一个专利US 2017/0045384 A1对此进行了改进设计，提出了一种新的封装结构，改进了调整和固定的工艺，但其工作温度依旧受限于封装结构所采用金属材料，其设计工作温度为600℃。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明公开的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构及封装方法要解决的技术问题为：利用耐高温材料结合螺纹紧固和激光焊接的封装方法，实现对光纤压力传感器的无胶封装。本发明可用于超过800℃的高温环境进行压力测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构，用于膜片式压力敏感元件与传输光纤的稳固连接，膜片式压力敏感元件是具有预定厚度的中心对称的片状结构，圆片内部设有圆形的感压腔，圆片上表面是对外界压力敏感的感压膜片。所述耐高温的光纤压力传感器的封装结构主要由定位壳帽和转接柱体两个主要部分组成。
定位壳帽是由耐高温陶瓷材料制成，主体是一端封闭、内部中空的氧化铝圆柱体，定位壳帽封闭前端中心开有感压孔，感压孔的直径比压力敏感元件的直径小；封闭前端的内表面加工有定位槽，所述定位槽的直径与压力敏感元件的直径匹配，与感压孔同心，定位槽的深度比压力敏感元件的厚度小；定位壳帽的内壁上有内螺纹，直径比压力敏感元件的直径大，内螺纹与转接柱体的外螺纹匹配。
转接柱体由耐高温陶瓷材料制成，主体是圆柱体，尾部收缩为椎体，圆柱体的外表面有外螺纹，与定位壳帽的内螺纹匹配，其内部设有细长通孔为传输光纤固定孔，所述传输光纤固定孔的孔径与传输光纤外径匹配。
所针对的压力敏感元件为具有预定厚度的中心对称的片状结构，包括圆片形状、方片形状。压力敏感元件优选圆片形状。根据压力敏感元件形状改变定位壳帽内部的定位槽形状，使定位槽形状与壳帽内部空腔匹配。
作为优选，感压孔直径比压力敏感元件的直径小的尺寸范围应保证其直径小于压力敏感元件的直径，但大于感压腔的直径
作为优选，定位槽的深度比压力敏感元件的厚度小的尺寸范围应保证定位槽的深度大于压力敏感元件的厚度的一半，且不超过压力敏感元件的厚度。
本实施例的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构的封装方法，包括如下步骤：
步骤一：将压力敏感元件放入定位壳帽的定位槽中，压力敏感元件感压膜片与定位壳帽上表面的感压孔紧贴，保持压力敏感元件与感压孔同心；
步骤二：将转接柱体上带有螺纹的一端拧入定位壳帽，直到转接柱体的端面与压力敏感元件的下表面接触；
步骤三：将传输光纤穿入转接柱体的传输光纤固定孔，直到光纤端面与压力敏感元件的下表面接触；
步骤四：使用激光器将定位壳帽下表面与转接柱体接触部分进行焊接，将转接柱体尾部与传输光纤进行焊接，在焊接的过程中监测传感器返回的光谱信号，通过监测光谱信号确保焊接牢固且不造成过多的光信号衰减。
有益效果：
1、本发明公开的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构及封装方法，通过引入耐高温陶瓷材料作为转接柱体材料，与压力敏感元件的单晶蓝宝石材料同属于陶瓷基材料体系，热匹配性好。
2、本发明公开的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构及封装方法，通过引入螺纹紧固的方式对压力敏感元件进行固定和定位，能够避免在压力敏感元件上进行直接焊接，避免压力敏感元件因直接焊接受损的可能性。
3、本发明公开的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构及封装方法，通过螺纹紧固和激光焊接实现对光纤压力传感器的无胶封装，使其可用于超过800℃的高温环境进行压力测量。
4、本发明公开的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构及封装方法，根据压力敏感元件形状改变定位壳帽内部的定位槽形状，使定位槽形状与壳帽内部空腔匹配，适配性强。
附图说明
图1为本发明的封装结构所构成的光纤压力传感器的示意图；
图2为本发明的耐高温封装结构的结构示意图；
图3为本发明所封装的压力传感器的压力敏感元件的结构示意图；
图4为本发明的定位壳帽的结构示意图；
图5为本发明的转接柱体的结构示意图；
其中，1-敏感元件，2-定位壳帽，3-转接柱体，4-传输光纤，5-第一焊接点，6-第二焊接点，7-感压腔，8-感压膜片，9-感压孔，10-定位槽，11-内螺纹，12-传输光纤固定孔，13-外螺纹。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例所要封装的压力敏感元件1如图3所示，其材料为单晶蓝宝石，采用圆片式密封结构，其外径Rp为3mm，厚度dp为0.7mm，感压腔7的直径rp为1.5mm。圆片由单晶蓝宝石材料构成。
本实施例公开的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构，由定位壳帽2和转接柱体3两个主要部分组成，定位壳帽2和转接柱体3由陶瓷材料制造。。
定位壳帽2如图4所示，其外径Lc为8mm，厚度dc为10mm，感压孔9的直径ac为2mm，深度h为2mm，定位槽10的直径bc为3.2mm，深度hc为0.5mm，内螺纹11为M5螺纹。
转接柱体3如图5所示，其外径Lz为4.5mm，总长度tz为50mm，圆柱体部分长度t2为40mm，传输光纤固定孔12的直径f为0.14mm，外螺纹13为M5螺纹，螺纹长度t1为10mm。
本实施例公开的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构的封装方法，包括如下步骤：
步骤一：将压力敏感元件1放入定位壳帽2的定位槽10中，其感压膜片8外表面与感压孔9紧贴，保持压力敏感元件1与感压孔9同心；
步骤二：将转接柱体3上带有外螺纹13的一端拧入定位壳帽2，直到转接柱体的端面与压力敏感元件1的下表面接触；
步骤三：将传输光纤4穿入转接柱体3的传输光纤固定孔12，直到光纤端面与压力敏感元件1的下表面接触；
步骤四：使用激光器将定位壳帽2下表面与转接柱体3接触部分(即图1中的第一焊接点5)进行焊接，将转接柱体3尾部与传输光纤4(即图1中的第二焊接点6)进行焊接，在焊接的过程中注意监测传感器返回的光谱信号，确保焊接牢固且不造成过多的光信号衰减。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构，用于膜片式压力敏感元件(1)与传输光纤(4)的稳固连接，膜片式压力敏感元件(1)是具有预定厚度的中心对称的片状结构，由单晶蓝宝石材料制造，圆片内部设有圆形的感压腔(7)，圆片上表面是对外界压力敏感的感压膜片(8)；其特征在于：主要由定位壳帽(2)和转接柱体(3)两个主要部分组成；
定位壳帽(2)是由耐高温陶瓷材料制成，主体是一端封闭、内部中空的氧化铝圆柱体，定位壳帽(2)封闭前端中心开有感压孔(9)，感压孔(9)的直径比压力敏感元件(1)的直径小；封闭前端的内表面加工有定位槽(10)，所述定位槽(10)的直径与压力敏感元件(1)的直径匹配，与感压孔(9)同心，定位槽(10)的深度比压力敏感元件(1)的厚度小；定位壳帽(2)的内壁上有内螺纹(11)，直径比压力敏感元件(1)的直径大，内螺纹(11)与转接柱体(3)的外螺纹(13)匹配；
转接柱体(3)由耐高温陶瓷材料制成，主体是圆柱体，尾部收缩为椎体，圆柱体的外表面有外螺纹(13)，与定位壳帽(2)的内螺纹(11)匹配，其内部设有细长通孔为传输光纤(4)固定孔(12)，所述传输光纤(4)固定孔(12)的孔径与传输光纤(4)外径匹配。
2.如权利要求1所述的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构，其特征在于：所针对的压力敏感元件(1)为具有预定厚度的中心对称的片状结构，包括圆片形状、方片形状；根据压力敏感元件(1)形状改变定位壳帽(2)内部的定位槽(10)形状，使定位槽(10)形状与壳帽(2)内部空腔匹配。
3.如权利要求1所述的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构，其特征在于：感压孔(9)直径比压力敏感元件(1)的直径小的尺寸范围应保证其直径小于压力敏感元件(1)的直径，但大于感压腔(7)的直径；
定位槽(10)的深度比压力敏感元件(1)的厚度小的尺寸范围应保证定位槽(10)的深度大于压力敏感元件(1)的厚度的一半，且不超过压力敏感元件(1)的厚度。
4.用于如权利要求1、2、3所述的一种耐高温的光纤压力传感器的封装结构的封装方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：将压力敏感元件(1)放入定位壳帽(2)的定位槽(10)中，压力敏感元件(1)感压膜片(8)与定位壳帽(2)上表面的感压孔(9)紧贴，保持压力敏感元件(1)与感压孔(9)同心；
步骤二：将转接柱体(3)上带有螺纹的一端拧入定位壳帽(2)，直到转接柱体(3)的端面与压力敏感元件(1)的下表面接触；
步骤三：将传输光纤(4)穿入转接柱体(3)的传输光纤(4)固定孔(12)，直到光纤端面与压力敏感元件(1)的下表面接触；
步骤四：使用激光器将定位壳帽(2)下表面与转接柱体(3)接触部分进行焊接，将转接柱体(3)尾部与传输光纤(4)进行焊接，在焊接的过程中监测传感器返回的光谱信号，通过监测光谱信号确保焊接牢固且不造成过多的光信号衰减。
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Inventor after: Jiang Qin Inventor after: Zhang Huijun Inventor after: Sui Guanghui Inventor after: Zhang Xinying Inventor after: Chen Shuang Inventor after: Wu Tian Inventor before: Jiang Qin Inventor before: Zhang Huijun Inventor before: Sui Guanghui Inventor before: Zhang Xinying Inventor before: Chen Shuang Inventor before: Wu Tian |
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Application publication date: 20190820 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |