CN111006700A - 一种光纤光栅封装装置及封装方法 - Google Patents
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Abstract
一种光纤光栅封装装置及封装方法，包括封装仪和控制器，封装仪通过导线连接控制器；可调式封装工作台上设有U型槽，U型槽的底部设有至少8个小孔，小孔通过密封块和空气软管与真空阀相连，通过空气吸附的方式固定U型槽内的封装管，可调式封装工作台的下方设置三维调节架，三维调节架置于由一对立板、顶板和底板构成的腔室内，两光纤固定夹具设置于可调式封装工作台的两侧，通过螺丝钉固定在顶板表面，顶板上二号光纤固定夹具所处一侧固定应力施加仪，加热顶盖通过金属转轴与可调式封装工作台相连。本发明可以在封装前对光纤光栅施加恒定预应力，并对光纤光栅进行标准和规范的管式封装，实现对管式封装光纤光栅结构性能的精确控制。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅封装装置及封装方法。
背景技术
光纤传感器是一种新型传感器，跟传统的传感器相比，具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小和灵活方便等优点。光纤光栅传感器除了具有一般光纤传感器的优点之外，还具有波长编码的特性，它使光纤光栅的抗干扰能力增强，易于组网复用，是传统传感器的理想替代品。但是光纤光栅本身非常脆弱，容易折损，直接将其作为传感器在实际的工程应用中遇到了布设工艺的大难题。因此，针对需要解决的问题研究实用的光纤光栅封装工艺有非常大的意义。
由于光纤光栅传感器存在交叉敏感的问题，即温度和应变都会对光纤光栅的波长产生影响，目前在处理光纤光栅的耦合波长移动时很难对应变和温度两者进行有效区分。所以，处理好交叉敏感所带来的不利影响，是提高光纤光栅传感器精度的一个非常重要的先决条件。
而双层金属套管式的封装结构是一种降低交叉敏感效应的一个比较可行的方案。外层的封装管不与内层的封装管直接接触，可以使传感器在精确测量温度的同时不受外力的影响。
另外，在耐高温光纤光栅传感器封装领域，也需要利用双层管式封装结构。在设计耐高温光纤光栅传感器的封装结构时，需要考虑一下三方面的内容：首先是封装材料本身需要在高温条件下性质稳定，自身的耐高温性能尽量与光纤相匹配；其次是这个封装结构能否对光纤光栅进行可靠地保护；最后是封装好的光纤光栅传感器的传感性能怎么样。
为此，在对耐高温光纤光栅封装技术的研究过程中，有的团队制作了石英-金属双层封装的高温光纤光栅传感器。
双层管式封装结构在推动光纤光栅的实际工程应用方面有极大的潜力，但是这种封装工艺难度较大，需要保证光纤光栅和两层套管都保证空间同轴。目前，采用双层管式结构对光纤光栅进行封装时，往往需要几个人同时手动操作，这也使得封装过后的光纤光栅传感器尺寸规格不统一，灵敏度差异较大。难以达到重复利用的目的，且难以制定灵敏度的统一标准。对于光纤光栅进行双层管式封装尚未提出一套实用的封装装置及操作方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种光纤光栅封装装置及封装方法，可以在封装前对光纤光栅施加恒定预应力，并对光纤光栅进行标准和规范的管式封装，实现对光纤光栅管式封装结构性能的精确控制。
本发明提供一种光纤光栅封装装置，包括封装仪和控制器，封装仪通过导线连接控制器；
封装仪包括可调式封装工作台（11）、三维调节架（13）、一号光纤固定夹具（8）、二号光纤固定夹具（9）、应力施加仪（10）、加热顶盖（12）、密封块（14）、真空阀（15）、空气软管（16）、底板（1）、一号立板（2）、二号立板（3）和顶板（4）；可调式封装工作台（11）上设有U型槽，U型槽的底部设有8个小孔，小孔通过密封块（14）和空气软管（16）与真空阀（15）相连，通过空气吸附的方式固定U型槽内的封装管，可调式封装工作台（11）的下方设置三维调节架（13），三维调节架（13）置于底板（1）、一号立板（2）、二号立板（3）与顶板（4）构成的腔室内，一号光纤固定夹具（8）和二号光纤固定夹具（9）设置于可调式封装工作台（11）的两侧，通过螺丝钉固定在顶板表面，二号光纤固定夹具（9）所处一侧的边上固定应力施加仪（10），加热顶盖（12）通过金属转轴与可调式封装工作台（11）相连。
作为本发明的进一步技术方案，控制器包括温度控制单元、应力控制单元、吸力控制单元和中央处理单元；温度控制单元、应力控制单元和吸力控制单元的接收端均与中央处理单元的控制端相连；
温度控制单元，用于控制加热顶盖加热温度的大小和时长；
应力控制单元，用于控制应力施加仪施加轴向应力的大小；
吸力控制单元，用于控制真空阀吸力的大小。
进一步的，三维调节架（13）包括X方向调距微分头（5）、Y方向调距微分头（6）和Z方向调距微分头（7），Z方向调距微分头（7）的连杆与可调式封装工作台（11）相连，X方向调距微分头（5）、Y方向调距微分头（6）和Z方向调距微分头（7）的调距精度为0.005mm。
进一步的，一号光纤固定夹具（8）和二号光纤固定夹具（9）上均设有若干个V型槽。
进一步的，加热顶盖包括加热顶盖盖体（12-1）、加热电阻丝（12-3）和温度传感器（12-2），加热顶盖盖体（12-1）的内表面上安装温度传感器（12-2），温度传感器（12-2）沿边界设有加热电阻丝（12-3），加热顶盖（12）与可调式封装工作台（11）通过金属转轴相连。
本发明还提供一种光纤光栅封装装置的封装方法，包括如下步骤，
S1、打开一号光纤固定夹具（8）、二号光纤固定夹具（9）的盖子及加热顶盖（12），分别调节三维调节架（13）上X方向调距微分头（5）、Y方向调距微分头（6）和Z方向调距微分头（7），使可调式封装工作台（11）上开设的U型槽与光纤固定夹具上根据光纤直径选定的V型槽轴心保持一致；
S2、将光纤光栅穿过封装管，使光纤光栅栅区位于封装管中部，将封装管置于可调式封装工作台（11）上开设的U型槽内，封装管两侧的光纤自由水平地置于两个光纤固定夹具对应的V型槽中；
S3、盖紧一号光纤固定夹具（8）的盖子；将光纤右端自由地放置于应力施加仪当中，设定好需要施加应力的大小，对光纤光栅施加恒定预应力；盖紧二号光纤固定夹具（9）的盖子；
S4、再次调节三维调节架（13）上X方向调距微分头（5）、Y方向调距微分头（6）和Z方向调距微分头（7），使得封装管与光纤光栅保持空间同轴；打开真空阀开关，通过空气吸附的作用，确保封装管位置固定；
S5、利用针管向封装管两端加注胶水或其他封装材料；合上加热顶盖（12），设置温度对封装材料进行加热固化；
S6、固化完成后重复至少一次上述操作，根据设计需要完成至少一层封装管的固化；
S7、在最终封装完成后，利用工具将封装好的光纤光栅取出。
本发明通过调节三维调节架可以控制两层但不限于两层封装管空间同轴、互不接触；设置有预应力施加装置，可以进一步提高封装效果的可靠性；在可调式封装工作台的U型槽内设置有空气吸附装置，可以有效固定封装管，尤其是微小尺寸的封装管。利用该装置封装的管式光纤光栅传感器具有相对统一的尺寸外形，也使得光纤光栅的管式封装更加标准和规范；所制作的传感器与待测物体相互独立，实现传感器的重复利用；还可以对传感器进行标定后使用，提高了使用精度，可以对封装后的传感器性能进行有效控制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构正视图；
图3为本发明的空气吸附模块的结构示意图；
图4为本发明的俯视图；
图5为本发明的控制器的结构框图
图中，1底板、2一号立板、3二号立板、4顶板、5X方向调距微分头、6Y方向调距微分头、7Z方向调距微分头、8一号光纤固定夹具、9二号光纤固定夹具、10应力施加仪、11可调式封装工作台、12加热顶盖、12.1加热顶盖盖体、12.2温度传感器、12.3加热电阻丝、13三维调节架、14密封块。15真空阀、16空气软管。
具体实施方式
请参阅图1-图5，本实施例提供一种光纤光栅封装装置及封装方法，具体的，该封装装 置包括一封装仪和和一控制器，封装仪与控制器之间通过导线相连。
封装仪包括可调式封装工作台11、三维调节架13、一号光纤固定夹具8、二号光纤固定夹具9、应力施加仪10、加热顶盖12、密封块14、真空阀15、空气软管16、底板1、一号立板2、二号立板3和顶板4；可调式封装工作台11上设有U型槽，U型槽的底部设有8个小孔，小孔通过密封块14和空气软管16与真空阀15相连，通过空气吸附的方式固定U型槽内的封装管，可调式封装工作台11的下方设置三维调节架13，三维调节架13置于底板1、一号立板2、二号立板3与顶板4构成的腔室内，一号光纤固定夹具8和二号光纤固定夹具9设置于可调式封装工作台11的两侧，通过螺丝钉固定在顶板表面，二号光纤固定夹具9所处一侧的边上固定应力施加仪10，加热顶盖12通过金属转轴与可调式封装工作台11相连。
控制器包括温度控制单元、应力控制单元、吸力控制单元和中央处理单元。温度控制单元用于控制加热顶盖加热温度的大小和时长，应力控制单元用于控制应力施加仪施加轴向应力的大小，吸力控制单元用于控制真空阀吸力的大小。温度控制单元、应力控制单元和吸力控制单元均与中央处理单元相连并由其统一控制；
作为一种实施例，利用的光纤光栅的封装装置实现双层不锈钢管的封装，包括以下步骤：
S1、作为一种实施例，的光纤光栅直径为250μm，栅区长度为20mm。打开一号光纤固定夹具8和二号光纤固定夹具9的盖子及加热顶盖12，分别调节三维调节架上X方向调距微分头5、Y方向调距微分头6和Z方向调距微分头7，使可调式封装工作台11上开设的U型槽与一号光纤固定夹具、二号光纤固定夹具上固定250μm直径光纤的V型槽轴心保持一致；
S2、作为一种实施例，的内层封装管选用直径为0.6mm、管壁厚为0.1mm、长度为30mm的304不锈钢管。将光纤光栅穿过内层封装管，使光纤光栅栅区位于封装管中部，将封装管置于可调式封装工作台11上开设的U型槽内，封装管两侧的光纤自由水平地置于两个光纤固定夹具250μm的V型槽中；
S3、盖紧一号光纤固定夹具8的盖子，将光纤右端自由地放置于应力施加仪10当中，对光纤光栅施加恒定预应力，作为一种实施例，设定预应力大小为1N，盖紧二号光纤固定夹具9的盖子；
S4、再次调节三维调节架上X方向调距微分头5、Y方向调距微分头6和Z方向调距微分头7，使得封装管与光纤光栅保持空间同轴，打开真空阀15开关，通过空气吸附的作用，确保封装管位置固定；
S5、利用针管向封装管两端加注耐高温硅胶，合上加热顶盖12，作为一种实施例，设置温度为60℃，保持四小时，对高温硅胶进行加热固化；
S6、固化完成后，将封装结构穿入外层金属套管当中。作为一种实施例，外层套管选取直径为1.4 mm、管壁厚0.1 mm、长度为40 mm的304不锈钢管，不再对光纤光栅施加轴向预应力，重复上述操作；
S7、在最终封装完成后，利用工具将封装好的光纤光栅传感器取出。
本专利尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本专利的保护范围之内。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种光纤光栅封装装置，其特征在于，包括封装仪和控制器，所述封装仪通过导线连接所述控制器；
所述封装仪包括可调式封装工作台（11）、三维调节架（13）、一号光纤固定夹具（8）、二号光纤固定夹具（9）、应力施加仪（10）、加热顶盖（12）、密封块（14）、真空阀（15）、空气软管（16）、底板（1）、一号立板（2）、二号立板（3）和顶板（4）；所述可调式封装工作台（11）上设有U型槽，所述U型槽的底部设有8个小孔，所述小孔通过所述密封块（14）和所述空气软管（16）与所述真空阀（15）相连，通过空气吸附的方式固定U型槽内的封装管，所述可调式封装工作台（11）的下方设置所述三维调节架（13），所述三维调节架（13）置于所述所述底板（1）、一号立板（2）、二号立板（3）与所述顶板（4）构成的腔室内，所述一号光纤固定夹具（8）和二号光纤固定夹具（9）设置于所述可调式封装工作台（11）的两侧，通过螺丝钉固定在顶板表面，所述二号光纤固定夹具（9）所处一侧的边上固定所述应力施加仪（10），所述加热顶盖（12）通过金属转轴与所述可调式封装工作台（11）相连。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅封装装置，其特征在于，所述控制器包括温度控制单元、应力控制单元、吸力控制单元和中央处理单元；所述温度控制单元、所述应力控制单元和所述吸力控制单元的接收端均与所述中央处理单元的控制端相连；
所述温度控制单元，用于控制所述加热顶盖加热温度的大小和时长；
所述应力控制单元，用于控制所述应力施加仪施加轴向应力的大小；
所述吸力控制单元，用于控制所述真空阀吸力的大小。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅封装装置，其特征在于，所述三维调节架（13）包括X方向调距微分头（5）、Y方向调距微分头（6）和Z方向调距微分头（7），所述Z方向调距微分头（7）的连杆与可调式封装工作台（11）相连，所述X方向调距微分头（5）、所述Y方向调距微分头（6）和所述Z方向调距微分头（7）的调距精度为0.005mm。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅封装装置，其特征在于，所述一号光纤固定夹具（8）和二号光纤固定夹具（9）上均设有若干个V型槽。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅封装装置，其特征在于，所述加热顶盖包括加热顶盖盖体（12-1）、加热电阻丝（12-3）和温度传感器（12-2），所述加热顶盖盖体（12-1）的内表面上安装所述温度传感器（12-2），所述温度传感器（12-2）沿边界设有加热电阻丝（12-3），加热顶盖（12）与所述可调式封装工作台（11）通过金属转轴相连。
6.一种光纤光栅封装装置的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、打开一号光纤固定夹具（8）、二号光纤固定夹具（9）的盖子及加热顶盖（12），分别调节三维调节架（13）上X方向调距微分头（5）、Y方向调距微分头（6）和Z方向调距微分头（7），使可调式封装工作台（11）上开设的U型槽与光纤固定夹具上根据光纤直径选定的V型槽轴心保持一致；
S2、将光纤光栅穿过封装管，使光纤光栅栅区位于封装管中部，将封装管置于可调式封装工作台（11）上开设的U型槽内，封装管两侧的光纤自由水平地置于两个光纤固定夹具对应的V型槽中；
S3、盖紧一号光纤固定夹具（8）的盖子；将光纤右端自由地放置于应力施加仪当中，设定好需要施加应力的大小，对光纤光栅施加恒定预应力；盖紧二号光纤固定夹具（9）的盖子；
S4、再次调节三维调节架（13）上X方向调距微分头（5）、Y方向调距微分头（6）和Z方向调距微分头（7），使得封装管与光纤光栅保持空间同轴；打开真空阀开关，通过空气吸附的作用，确保封装管位置固定；
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