CN110702266A - 一种耐高温fbg温度传感器的封装方法 - Google Patents

一种耐高温fbg温度传感器的封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温FBG温度传感器的封装方法，尤其是涉及一种使用聚酰亚胺薄膜和聚酰胺酸溶液对FBG封装的技术。封装步骤包括：选择聚酰亚胺涂覆的耐高温光纤制作的FGB温度传感器，制备聚酰胺酸溶液，将烘箱预热至180℃，制备两片尺寸与形状完全相同的聚酰亚胺膜片，使用聚酰胺酸溶液和两片聚酰亚胺膜片对FBG温度传感器的裸栅区进行初步封装，将初步封装的FBG放入烘箱中，加热40分钟，使聚酰胺酸充分固化后变为聚酰亚胺，最后等烘箱充分冷却后，取出聚酰亚胺固化后封装好的FBG。本发明采用聚酰亚胺薄膜对FBG栅区进行封装，此封装工艺制成的耐高温FBG线性度好、灵敏度高、重复性好，测温范围大，且封装工艺简单易操作，可实施性强。

Description

一种耐高温FBG温度传感器的封装方法
技术领域
本发明涉及一种耐高温FBG温度传感器的封装方法，尤其是涉及一种使用聚酰亚胺薄膜对FBG封装的技术，可用于高温环境内的设备温度监测。
背景技术
光纤布拉格光栅(FBG)是一种新型光纤传感器，具有体积小、重量轻、耐腐蚀、不受电磁干扰、易于植入智能结构和组成分布式测量网络等诸多优点，广泛应用于结构健康监测、航空航天、石油化工等领域。FBG传感的基本工作原理是当外界环境发生变化时，会引起光栅周期和折射率的变化，进而导致光栅布拉格波长变化，通过检测FBG中心波长的漂移，可以间接测量外界物理量的变化。
受FBG制造工艺限制，在制作光栅时需先剥除紫外线照射区光纤的涂覆层，成栅后的栅区为裸栅。这就使得裸FBG很容易损坏，因此必须采取一定的封装形式才能工程化应用。聚合物涂覆是FBG常用的封装方法，可以起到保护裸光栅的作用。对作为温度传感器的FBG，既要保证为FBG提供一定强度的保护，又要避免FBG的温度灵敏度过高，否则会减少FBG传感器的测温点数。
对于聚酰亚胺涂层的耐高温光纤来说，成栅后的栅区同样为裸栅。聚酰亚胺涂覆工艺较为复杂，而且涂覆不均匀会导致光栅光谱质量变差，甚至不能使用，因此，市场上出售的耐高温光栅的栅区均未涂覆。这样的裸FBG在使用过程中很容易折断，而耐高温FBG价格昂贵，会造成较大的损失。
发明内容
本发明意在提供一种耐高温FBG温度传感器的封装方法，解决耐高温光纤成栅后的裸FBG在使用过程中很容易折断的问题，可使其用于高温环境内的设备温度监测。
本发明采用的技术方案为：FBG温度传感器采用与耐高温光纤涂覆层相同的材料聚酰亚胺薄膜和聚酰胺酸溶液对栅区(1)进行封装；
所述一种耐高温FBG温度传感器的封装包括以下步骤：
步骤1、选择聚酰亚胺涂覆的耐高温光纤制作的栅区长度为Nmm的FGB温度传感器；
步骤2、制备聚酰胺酸溶液；
步骤3、将烘箱预热至180℃；
步骤4、制备两片尺寸与形状完全相同的聚酰亚胺膜片；
步骤5、在一片聚酰亚胺膜片表面涂一层聚酰胺酸溶液；
步骤6、将包含栅区的长度(N+12)mm光纤部分浸入聚酰胺酸溶液；
步骤7、将裸栅区部分放在两片聚酰亚胺膜片中心线上并粘合；
步骤8、将初步封装的FBG放入烘箱中，加热40分钟，使聚酰胺酸充分固化后变为聚酰亚胺；
步骤9、等烘箱充分冷却后，取出聚酰亚胺固化后封装好的FBG；
所述步骤1中FGB温度传感器选择涂覆层为具有耐高温特性的聚酰亚胺涂覆的耐高温光纤制作的FGB温度传感器；
所述步骤4中制备封装材料时选择市场上现有的厚度为0.05mm的聚酰亚胺薄膜，并制作两片尺寸与形状完全相同的聚酰亚胺膜片，其中制作后的聚酰亚胺膜片长度为(N+6)mm，宽度为5mm，并且在聚酰亚胺膜片的两端留有3mm长的正方形区域，用于保护栅区与传输光纤的结合部分(2)；采用此形状为减小聚酰亚胺膜片对FBG温度传感器测量精度的影响；
所述步骤5、步骤6和步骤7中使用聚酰胺酸溶液和两片聚酰亚胺膜片对FBG温度传感器的裸栅区(1)进行初步封装；在一片聚酰亚胺膜片(3)表面涂一层聚酰胺酸溶液；将包含栅区(1)的长度(N+12)mm的光纤部分浸入聚酰胺酸溶液；取出FBG温度传感器后将裸栅区(1)部分放在已经涂一层聚酰胺酸溶液的聚酰亚胺膜片(3)中心线上，再将另一片制作好的聚酰亚胺膜片(4)完全覆盖到已经涂一层聚酰胺酸溶液的聚酰亚胺膜片(3)上，并将两片聚酰亚胺膜片无缝隙的粘合在一起，使两片聚酰亚胺膜片之间不留有孔隙和气泡；
所述步骤8中将初步封装后的FBG放入烘箱中，加热40分钟，使聚酰胺酸充分固化变为聚酰亚胺，使制备的两片聚酰亚胺膜片完全粘合；
所述步骤9中等烘箱充分冷却后，取出聚酰亚胺固化后封装好的FBG，避免骤冷导致封装后的光纤光栅产生较大的弯曲；
所述步骤1中长度Nmm为FBG温度传感器栅区(1)长度，通常为10mm到20mm。
本发明的有益效果为：
本发明一种耐高温FBG温度传感器的封装方法采用了与耐高温光纤涂覆层相同的材料聚酰亚胺薄膜对栅区进行封装，比一般的聚合物具有更高的热稳定性。采用此工艺方法制作的耐高温FBG其长期工作温度范围为-65～+300℃，短期可在350℃下工作；而普通FBG长期工作温度范围为-65～+150℃，温度范围大大提升。封装工艺简单易操作，可实施性强，采用此封装工艺制成的耐高温FBG线性度好、灵敏度高、重复性好。
附图说明
图1为本发明的具体封装方法步骤；
图2为本发明的制作聚酰亚胺膜片结构示意图；
图3为本发明的初步封装过程示意图；
图4为本发明的封装完成后结构示意图。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的部分，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
具体实施方式一
本FBG温度传感器的封装方法采用与耐高温光纤涂覆层相同的材料聚酰亚胺薄膜和聚酰胺酸溶液对栅区(1)进行封装；
所述一种耐高温FBG温度传感器的封装步骤如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、选择聚酰亚胺涂覆的耐高温光纤制作的栅区长度为Nmm的FGB温度传感器；
步骤2、制备聚酰胺酸溶液；
步骤3、将烘箱预热至180℃；
步骤4、制备两片尺寸与形状完全相同的聚酰亚胺膜片；
步骤5、在一片聚酰亚胺膜片表面涂一层聚酰胺酸溶液；
步骤6、将包含栅区的长度(N+12)mm光纤部分浸入聚酰胺酸溶液；
步骤7、将裸栅区部分放在两片聚酰亚胺膜片中心线上并粘合；
步骤8、将初步封装的FBG放入烘箱中，加热40分钟，使聚酰胺酸充分固化后变为聚酰亚胺；
步骤9、等烘箱充分冷却后，取出聚酰亚胺固化后封装好的FBG；
所述步骤1中FGB温度传感器选择涂覆层为具有耐高温特性的聚酰亚胺涂覆的耐高温光纤制作的FGB温度传感器，采用聚酰亚胺涂层的耐高温光纤，栅区不带涂覆，工作温度范围为-65℃到300℃；
所述步骤2中制备聚酰胺酸溶液时所用原材料包括4,4′-二氨基二苯醚、N,N-二甲基乙酰胺、均苯四甲酸二酐等，将均苯四甲酸二酐和芳香族二胺在适当的有机溶剂中制成可溶性聚酰胺酸；将4,4′-二氨基二苯醚溶于一定量的N,N-二甲基乙酰胺中，搅拌使其完全溶解后，向该溶液中以少量多次方式加入均苯四甲酸二酐，随着反应进行，溶液粘度越来越大，当加入的均苯四甲酸二酐摩尔量与4,4′-二氨基二苯醚相当时，溶液的粘度会增大至出现爬竿现象，说明聚酰胺酸的分子量已达到理想的实验要求，此时停止加入均苯四甲酸二酐；爬竿1小时后加入质量分数1％的流平剂，继续搅拌一定时间，使其充分反应，以便得到高分子量的聚酰胺酸溶液，反应约16小时后，滤胶，抽气泡，准备使用；
所述步骤4中制备封装材料时选择市场上现有的厚度为0.05mm的聚酰亚胺薄膜，并制作两片尺寸与形状完全相同的聚酰亚胺膜片，其形状如图2所示，其中制作后的聚酰亚胺膜片长度为(N+6)mm，宽度为5mm，并且在聚酰亚胺膜片的两端留有3mm长的正方形区域，用于保护栅区与传输光纤的结合部分(2)；采用此形状为减小聚酰亚胺膜片对FBG温度传感器测量精度的影响；
所述步骤5、步骤6和步骤7中使用聚酰胺酸溶液和两片聚酰亚胺膜片对FBG温度传感器的裸栅区(1)进行初步封装，初步封装如图3所示；在一片聚酰亚胺膜片(3)表面涂一层聚酰胺酸溶液；将包含栅区(1)的长度(N+12)mm的光纤部分浸入聚酰胺酸溶液；取出FBG温度传感器后将裸栅区(1)部分放在已经涂一层聚酰胺酸溶液的聚酰亚胺膜片(3)中心线上，再将另一片制作好的聚酰亚胺膜片(4)完全覆盖到已经涂一层聚酰胺酸溶液的聚酰亚胺膜片(3)上，并将两片聚酰亚胺膜片无缝隙的粘合在一起，使两片聚酰亚胺膜片之间不留有孔隙和气泡；
所述完成初步封装后的FBG传感器如图4所示，步骤8中将初步封装后的FBG放入烘箱中，加热40分钟，使聚酰胺酸充分固化变为聚酰亚胺，使制备的两片聚酰亚胺膜片完全粘合；
所述步骤9中等烘箱充分冷却后，取出聚酰亚胺固化后封装好的FBG，避免骤冷导致封装后的光纤光栅产生较大的弯曲；
所述步骤1中长度Nmm为FBG温度传感器栅区(1)长度，通常为10mm到20mm。
尽管根据上述实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种耐高温FBG温度传感器的封装方法，其特征在于：FBG温度传感器采用与耐高温光纤涂覆层相同的材料聚酰亚胺薄膜和聚酰胺酸溶液对栅区进行封装；
所述一种耐高温FBG温度传感器的封装方法，其特征在于其封装包括以下步骤：
步骤1、选择聚酰亚胺涂覆的耐高温光纤制作的栅区长度为Nmm的FGB温度传感器；
步骤2、制备聚酰胺酸溶液；
步骤3、将烘箱预热至180℃；
步骤4、制备两片尺寸与形状完全相同的聚酰亚胺膜片；
步骤5、在一片聚酰亚胺膜片表面涂一层聚酰胺酸溶液；
步骤6、将包含栅区的长度（N+12）mm光纤部分浸入聚酰胺酸溶液；
步骤7、将裸栅区部分放在两片聚酰亚胺膜片中心线上并粘合；
步骤8、将初步封装的FBG放入烘箱中，加热40分钟，使聚酰胺酸充分固化后变为聚酰亚胺；
步骤9、等烘箱充分冷却后，取出聚酰亚胺固化后封装好的FBG；
所述一种耐高温FBG温度传感器的封装方法，其特征在于：所述步骤1中FGB温度传感器选择涂覆层为具有耐高温特性的聚酰亚胺涂覆的耐高温光纤制作的FGB温度传感器；
所述一种耐高温FBG温度传感器的封装方法，其特征在于：所述步骤4中制备封装材料时选择市场上现有的厚度为0.05mm的聚酰亚胺薄膜，并制作两片尺寸与形状完全相同的聚酰亚胺膜片，其中制作后的聚酰亚胺膜片长度为（N+6）mm，宽度为5mm，并且在聚酰亚胺膜片的两端留有3mm长的正方形区域，用于保护栅区与传输光纤的结合部分；
所述一种耐高温FBG温度传感器的封装方法，其特征在于：所述步骤5、步骤6和步骤7中使用聚酰胺酸溶液和两片聚酰亚胺膜片对FBG温度传感器的裸栅区进行初步封装；在一片聚酰亚胺膜片表面涂一层聚酰胺酸溶液；将包含栅区的长度（N+12）mm的光纤部分浸入聚酰胺酸溶液；取出FBG温度传感器后将裸栅区部分放在已经涂一层聚酰胺酸溶液的聚酰亚胺膜片中心线上，再将另一片制作好的聚酰亚胺膜片完全覆盖到已经涂一层聚酰胺酸溶液的聚酰亚胺膜片上，并将两片聚酰亚胺膜片无缝隙的粘合在一起，使两片聚酰亚胺膜片之间不留有孔隙和气泡；
所述一种耐高温FBG温度传感器的封装方法，其特征在于：所述步骤8中将初步封装后的FBG放入烘箱中，加热40分钟，使聚酰胺酸充分固化变为聚酰亚胺，使制备的两片聚酰亚胺膜片完全粘合。
2.根据权利要求1所述一种耐高温FBG温度传感器的封装方法，其特征在于：所述步骤1中长度Nmm为FBG温度传感器栅区长度，通常为10mm到20mm。
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