CN112393751A - 光纤传感器的气密式封装结构、封装装置、及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种气密式封装结构，所述封装结构包括封装管、光纤传感器、封装气体和密封结构。本发明还提供的一种气密式封装装置、以及封装方法。本发明所提供的一种气密式封装结构，可有效减少或避免在极端恶劣环境下，如高温强电磁强辐射的环境中，光纤与外界污染物和空气等发生化学反应引起的机械强度和光学性能急剧恶化等问题。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及光纤传感器的气密式封装结构、封装装置、及封装方法。
背景技术
在航空航天、核电站、石油化工等极端恶劣环境下的传感探测一直都是传感探测领域的难点，高温、强电磁、强辐射的极端恶劣环境会影响传统的电学传感器和仪器仪表的性能。
光纤传感器具有抗干扰性强、体积小重量轻、测量精度高等一系列优良特性，因此在极端恶劣环境下的传感探测领域中具有广阔的应用前景。但由于受外来环境中污染物和空气等的侵害，如水汽、粉尘等，存在高温、强电磁、强辐射的极端恶劣环境下光纤材料机械强度和光学性能急剧恶化的致命问题，在很大程度上限制了极端恶劣环境领域光纤传感器的发展。
现有的方法中，胶粘法、基片式封装、聚合物封装和传统的管式封装等面临着高温、强电磁、强辐射的极端恶劣环境下工作失效的难题，也无法从根本上减少或避免外来环境中污染物和空气等对光纤的侵害，因此针对极端恶劣环境下的光纤传感器的气密式封装方案极其重要。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了光纤传感器的气密式封装结构、封装装置、及封装方法。
本申请所提供的一种光纤传感器的气密式封装结构，所述封装结构包括封装管、光纤传感器、封装气体和密封胶；所述光纤传感器的主体位于封装管内，所述光纤传感器至少一端位于封装管外部，所述封装管的管口设置有密封结构，所述封装管的内部填充有封装气体。
本申请还提供了一种光纤传感器的气密式封装装置，包括密封箱、供气装置、以及管口密封装置；
所述供气装置包括提供封装气体的气源、设置在密封箱上的气体入口、以及导气管；所述光纤传感器插入封装管中，所述封装管的管口与密封箱内空腔相连通；
所述供气装置通过气体入口对密封箱空腔填充气体，所述导气管用于伸入进封装管中对封装管内部进行气体填充；
所述管口密封装置设置在密封箱内。
本申请实施例所提供的一种光纤传感器的气密式封装装置，所述供气装置还包括与气源相连接的气体控制装置；所述密封箱上设置有气体出口。
本申请实施例所提供的一种光纤传感器的气密式封装装置，其还包括气体检测装置，所述气体检测装置的探头设置在密封箱内。
本申请实施例所提供的一种光纤传感器的气密式封装装置，所述密封箱上设置有通孔，所述导气管从通孔伸入封装管中，所述通孔处设置有中空密封塞。
本申请实施例所提供的一种光纤传感器的气密式封装装置，所述密封箱具有可视窗口或者所述密封箱为透明结构。
本申请实施例所提供的一种光纤传感器的气密式封装装置，所述密封结构为密封胶，所述气密式封装装置还包括固化装置。
本申请还提供了一种光纤传感器的气密式封装方法，用于实现上述的气密式封装结构，其特征在于，包括如下步骤：
准备阶段：将光纤传感器插入封装管中，使封装管的管口与密封箱内空腔相连通，将导气管一端伸入进封装管中；
气体填充：对密封箱空腔填充封装气体，通过导气管对封装管内部进行封装气体填充；
管口密封：将毛细导气管抽离封装管，对封装管的管口处进行密封。
本申请实施例所提供的一种光纤传感器的气密式封装方法，在气体填充过程中，利用气体检测装置对密封箱内封装气体浓度进行实时监测；在封装气体浓度达到要求后，进行管口密封。
本申请实施例所提供的一种光纤传感器的气密式封装方法，利用密封胶对封装管的管口处进行密封处理后，还进行固化处理。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种气密式封装结构、封装装置、以及封装方法，可有效减少或避免在极端恶劣环境下，如高温强电磁强辐射的环境中，光纤与外界污染物和空气等发生化学反应引起的机械强度和光学性能急剧恶化等问题。可以提高光纤传感器在极端恶劣环境中的稳定性、耐久性，进一步提升光纤传感器的测量温度范围、增强光纤传感器的可靠性，从而可以广泛应用于如航空发动机、核电站、石油化工等领域。
附图说明
图1是本发明实施例一的一种光纤传感器的气密式封装结构的示意图；
图2是本发明实施例二的一种光纤传感器的气密式封装装置，在气体填充阶段时的示意图；
图3是图2中的密封箱的结构示意图；
图4是本发明实施例二的一种光纤传感器的气密式封装装置，在封装预备阶段时的示意图；
图5是本发明实施例的一种光纤传感器的气密式封装结构具体应用的结构示意图。
附图标注：
101-气源，102-气体控制装置，20-密封箱，
201-第一通孔，202-第二通孔，203-第三通孔，204-气体入口，205-气体出口，206-第四通孔，207-毛细导气管，301-光纤传感器，302-封装管，303-封装气体，304-密封胶，305-元件，306-特定部件，401-气体采样探针，402-气体检测仪，403-连接管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
实施例一
本申请具体实施例提供了一种光纤传感器的气密式封装结构。
如图1所示，封装结构包括封装管（302）、光纤传感器（301）、封装气体（303）和密封结构。
在本申请中，光纤传感器（301）的主体位于封装管（302）内，通过封装管（302）对光纤传感器（301）的主体进行保护。光纤传感器（301）的端部位于封装管（302）外部。封装管（302）的管口设置有密封结构。封装管（302）的内部密封填充有封装气体（303）。
在本发明实施例中，光纤传感器（301）由光纤制备而成，光纤的材料包括但不限定于：α-Al2O3、红宝石、MgO、ZrO2、石英、或其它材料。
优选的，采用耐高温、耐腐蚀、防辐射且气密性优异的材料作为封装管（302）的制作材料，能够防止外来环境中污染物和空气等的侵害。封装管（302）的材料包括但不限定于： Al2O3、MgO、ZrO2、BeO、或金属、或液晶聚合物、或其它材料。
在一个具体的实施例中，封装管（302）的一端封闭，另一端开口。在封装后，光纤传感器（301）只有一端露出封装管（302）。
但是可以理解的，封装结构并不限于此。例如，一些类型的光纤传感器（301）可以两端露出封装管（302），也可以一端露出封装管（302）。这取决于光纤传感器的类型与其应用的环境。
当光纤传感器（301）两端都露出封装管（302）的情况下，封装管（302）为两端开口结构。
封装管（302）的内径稍大于光纤的直径，为后续使用毛细导气管（207）对封装管（302）内进行气体填充的过程预留操作空间。
密封结构可以为密封胶密封、也可以为机械焊接、无氧铜垫圈等密封结构对封装管（302）的管口处进行密封。
在一个优选的实施例中，密封结构为密封胶（304）。密封胶（304）具有气密性优异、强粘结性能的性质。密封胶（304）例如为环氧树脂胶，或单组份胶，或双组份胶，或其它胶体材料。密封胶（304），优选选用耐高温、气密性优异且热膨胀系数与封装管（302）相近的性能，保证封装过后光纤传感器（301）在极端恶劣环境下能够长时间正常稳定地工作。
封装气体（303）具有稳定性高、不易与光纤材料发生反应的性质。封装气体（303）为氩气，或氮气，或氦气，或其它气体。
通过使用特定气体对封装管（302）内进行填充保护，可减少或避免光纤传感器（301）与外界污染物和空气等发生化学反应引起的机械强度及光学性能急剧恶化等问题，保护光纤传感器（301）在极端恶劣环境下长时间正常稳定地工作，增强光纤传感器（301）的耐久性等。
实施例二
本申请具体实施例提供了一种光纤传感器的气密式封装装置，该气密式封装装置用于制作实施例一所述的气密式封装结构。
如图2所示，气密式封装装置包括密封箱（20）、供气装置、以及气体检测装置（402）。
其中，在气密式封装装置的密封箱（20）对光纤传感器（301）进行封装。
供气装置包括提供封装气体（303）的气源（101）、设置在密封箱（20）上的气体入口（204）。供气装置通过气体入口（204）对密封箱（20）空腔填充封装气体（303）。密封箱（20）上设置有气体出口（205）。气体检测装置（402）的气体采样探头（401）设置在密封箱（20）内，可以在对密封箱（20）内的封装气体（303）浓度进行实时监测。
本申请的气密式封装装置，光纤传感器（301）插入封装管（302）中，封装管（302）的一端封闭，封装管的管口与密封箱（20）内空腔相连通。
进一步的，供气装置还包括导气管。导气管优选为毛细导气管（207），毛细导气管（207）可以与供气装置相连。
毛细导气管（207）用于伸入进封装管（302）中对封装管（302）内部进行气体填充。作为更加优选的方案，毛细导气管（207）伸入到封装管（302）的封闭端部，以保证封装气体（303）的充分填充。
一部分封装气体（303）通过气体入口（204）进入密封箱（20）空腔内，另一部分封装气体（303）通过毛细导气管（207）导入封装管（302）中。前者是对密封箱（20）进行气体的填充。后者是对封装管（302）内进行气体的填充。封装过程中封装气体（303）导入后，原空间内的气体通过气体出口（205）排出。
本申请，通过同时对密封箱（20）空腔和封装管（302）进行填充，一方面使得整个封装过程是在封装气体（303）的环境下，另一方面保证封装后，封装管（302）内的封装气体（303）的浓度达到相应的高要求。避免封装管（302）内的封装气体（303）的浓度不够。
封装管（302）内部体积较小，因此封装管（302）内的封装气体（303）的密度最先达到所要求气体浓度，密封箱（20）空腔内的封装气体（303）的浓度后达到所要求气体浓度，因此，当气体检测装置（402）检测到气体浓度到达时，气体填充完成。后续需要保持封装过程中气体浓度。气体检测装置（402）包括气体检测仪，气体检测仪例如为泵吸式气体检测仪，或电化学式气体检测仪，或红外气体探测器，或其他类型气体检测仪。气体检测仪与气体采样探头（401）相连接。
优选的，使用高精度的气体检测装置（402），实时监测、显示封装过程中的多种气体成分的浓度，提高封装的可靠性和准确性。
在本发明实施例中，气源（101）例如为气罐。气罐可以提供封装过程所需封装气体（303）。气源（101）还可以是气体发生装置，气体发生装置为惰性气体发生装置或启普发生器等。
供气装置还包括气体控制装置（102），气体控制装置（102）与气源（101）相连接用于控制流向气体入口（204）和毛细导气管的气体，气体控制装置（102）可以为气体压力控制器，或气体流量计，或针阀等。
本申请具体实施例的密封箱（20）具有可视窗口。可以方便的观察。优选的，密封箱（20）整体采用透明材料，可以使密封箱（20）内视野良好，整体状态完全可视，便于操作。
密封箱（20）具有优异气密性，可以用来保证封装过程的气体环境，增强封装过程整体的可靠性和准确性。
气密式封装装置还包括管口密封装置，管口密封装置设置在密封箱（20）内。气体填充完成后，将毛细导气管（207）抽离封装管（302），对封装管（302）的管口处进行密封处理。
在密封时，可以通过密封胶密封、也可以通过机械焊接、无氧铜垫圈等密封结构对封装管（302）的管口处进行密封。
管口密封装置优选为一个施胶装置。施胶装置可以是涂胶棒、胶嘴、淋胶头、以及其它可以用来施胶的设备的施胶件或出胶口，胶体通过涂胶、喷胶、淋胶、或挤胶的方式施加在封装管302的管口处。
作为其中一个更加具体的实施方案，可在密封箱（20）的顶部设置第四通孔（206），伸入施胶装置（图中未示意出）来蘸取非固态的密封胶（304）胶体对封装管（302）的管口进行涂胶。可以理解的，在第四通孔（206）设置有气密性优异的中空密封塞。
可以理解的，管口密封装置用于对封装管（302）的管口处进行密封，不限于上述具体实施例。
本申请实施例所提供的一种光纤传感器的气密式封装装置，在密封箱（20）上设置有通孔，封装管（302）和毛细导气管（207）从通孔伸入封装管（302）中。
更具体的，密封箱（20）上设置有第一通孔（201）和第三通孔（203）。其中，封装管（302）从第一通孔（201）伸入密封箱（20），毛细导气管（207）从第三通孔（203）伸入封装管（302）中。可以理解的，第一通孔（201）和第三通孔（203）的高度位置相对应，以便毛细导气管（207）伸入封装管（302）中。第一通孔（201）和第三通孔（203）也可以为一个通孔，封装管（302）和毛细导气管（207）同时从第一通孔（201）伸入。
封装管（302）并不限于从通孔伸入封装管（302）中，封装管（302）也可以固定在密封箱内。
可以理解的，为保证整个装置的气密性，在第一通孔（201）和第三通孔（203）处均设置有气密性优异的中空密封塞，中空结构便于封装管（302）和毛细导气管（207）的伸入伸出。
在气体填充完成，并将毛细导气管（207）抽离封装管（302）后，毛细导气管（207）仍然位于中空密封塞处。
密封箱（20）上还设置有第二通孔（202），第二通孔（202）用于安装气体采样探头（401）。气体采样探头（401）通过连接管（403）与气体检测仪相连。
本申请实施例，当通过密封胶（304）对封装管（302）的管口进行密封时，更进一步的，根据密封胶材质的不同，气密式封装装置还包括胶体固化装置，用于对密封胶（304）进行进一步的固化处理。胶体固化装置为白炽灯，或红外线加热灯，或碘钨灯，或其他能提供热源的器件。
气体填充完成后，通过密封胶（304）对封装管（302）的管口进行密封，形成密封结构，再进行固化处理。
实施例三
本申请具体实施例提供了一种光纤传感器的气密式封装方法，用于实现上述实施例一的气密式封装结构，具体包括如下步骤：
S1、准备阶段：将光纤传感器（301）插入封装管（302）中，使封装管（302）的管口与密封箱（20）内空腔相连通，将导气管伸入进封装管（302）中；
S2、气体填充：开启气源（101）和气体控制装置（102），对密封箱（20）空腔填充封装气体（303），同时通过导气管对封装管（302）内部进行封装气体填充；
S3、气体检测：在气体填充过程中，利用气体检测装置（402）对密封箱（20）内气体浓度进行实时监测；
S4、管口密封：气体浓度达到要求后，将导气管抽离封装管（302），对封装管（302）的管口处进行密封。
其中，所述密封箱（20）具有可视窗口。
在步骤S4中，对管口处进行密封是在密封箱（20）中进行。
在步骤S1中， 将封装管（302）一端插入密封箱（20）中，使封装管（302）的管口与密封箱（20）内空腔相连通。
导气管优选为毛细导气管（207），毛细导气管（207）的一端伸入进封装管（302）中。
在步骤S2中，气源（101）提供的封装气体（303）由气体控制装置（102）进行控制。一部分封装气体（303）通过气体入口（204）进入密封箱（20）空腔内，另一部分封装气体（303）通过毛细导气管（207）导入封装管（302）中。前者是对密封箱（20）进行气体的填充。后者是对封装管（302）内进行气体的填充。封装过程中封装气体（303）导入后，原空间内的气体通过气体出口（205）排出。
在气体填充过程中，封装管（302）内部体积较小，因此封装管（302）内的封装气体（303）的密度最先达到所要求气体浓度，密封箱（20）空腔内的封装气体（303）的浓度后达到要求。
气体检测装置（402）可以实时监测与显示相应的气体成分的浓度，当气体检测装置（402）检测到气体浓度到达时，气体填充完成。后续需要保持封装过程中封装气体浓度。
本申请实施例所提供的一种光纤传感器的气密式封装方法，在步骤S4中，可利用密封胶（304）对封装管（302）的管口处进行涂胶密封处理。
除了涂胶密封处理方法，还可以通过机械焊接、无氧铜垫圈等密封方式对封装管（302）的管口处进行密封，也可以达到良好密封效果。
通过密封胶（304）对封装管（302）的管口处进行密封时，选用耐高温、气密性优异且热膨胀系数与封装管（302）相近的密封胶（304），以保证封装结构的气密性，使得封装过后光纤传感器（301）在极端恶劣环境下能够长时间正常稳定地工作。
然后对密封胶（304）进行固化处理。固化处理可以是在常温下自然固化。但优选的，为了提高固化后密封胶的性能，可以进行加热固化处理。
作为更加优选的方案，管口密封后先放置在密封箱（20）中，在室温下固化一定时间，进行预固化。得到了初步的光纤传感器的气密式封装结构。之后，利用胶体固化装置对密封胶（304）进行加热升温，以进一步固化处理。这是为了确保密封胶（304）固化完全，以保证封装结构的气密性，从而保护封装过的光纤传感器（301）在极端恶劣环境下能够长时间正常稳定地工作。为了进一步提高封装后的光纤传感器的气密性，优选的，在进一步固化处理时，封装管（302）的管口仍保持在密封箱（20）内，如图4所示。完全固化后，再将封装管（302）从第一通孔（201）处抽离。
本申请实施例所提供的一种光纤传感器的气密式封装方法，在步骤S1中，封装管（302）和毛细导气管（207）从通孔伸入封装管（302）中。更具体的，在一个具体的实施例中，封装管（302）从密封箱（20）一侧的第一通孔（201）伸入密封箱（20），毛细导气管（207）从密封箱（20）另一侧的第三通孔（203）伸入封装管（302）中。优选的，毛细导气管（207）一直伸入到封装管（302）的尽端以保证气体充分的填充。
在第一通孔（201）和第三通孔（203）均设置有中空密封塞，用于保证密封箱（20）的气密性。第一通孔（201）和第三通孔（203）也可以为一个通孔，封装管（302）和毛细导气管（207）同时从该通孔伸入。
需要说明的是，封装管（302）并不限于从通孔伸入封装管（302）中，封装管（302）也可以固定在密封箱内。
根据上述气密式封装方法，当封装管（302）选用刚玉管，封装气体（303）选氩气时，制备得到的光纤传感器（301）可用作光纤高温传感器。该光纤高温传感器可用于航空航天领域，如用于特定部件（306）如航空发动机处，仪器、系统或者元件（305）与光纤传感器（301）相连接，用于实时状态监测与故障诊断，以确保发动机的安全可靠运行。
根据上述气密式封装方法，当封装管（302）选用氧化铍陶瓷管，封装气体（303）选氮气时，制备得到的光纤传感器（301）可用作光纤高温传感器。该光纤高温传感器可用于核电站领域，如用于特定部件（306）如核反应堆堆芯出口处，仪器、系统或者元件（305）与光纤传感器（301）相连接，用于实时温度监测，以监督核反应堆安全运转的状况。
本实施例，可采用实施例二的气密式封装装置来实现光纤传感器的气密式封装结构的制备。
以上封装方法不仅适用于图1所示的光纤传感器的气密式封装结构，即光纤传感器（301）只有一端露出封装管（302）。也同时适用于光纤传感器（301）两端都露出封装管（302）的结构。
在光纤传感器（301）两端都露出封装管（302）的情况下，封装管（302）为两端开口结构。可先将光纤传感器（301）插入封装管，然后将光纤传感器（301）的两端露出封装管。进一步的，选择封装管（302）其中的一端进行密封处理，，这相当于上述步骤S1中的将光纤传感器插入封装管中。之后，再进行步骤S1的其它操作：使封装管（302）的另一个未封闭的端口与密封箱（20）内空腔相连通，将导气管伸入进封装管（302）中。然后，进行步骤S2~S4。
本实施例通过上述方法制备得到光纤传感器（301）的气密式封装结构后。该气密式封装结构在具体应用于特定部件时，可以与应用环境的相关元件（305）进行多种方式进行连接。例如，该气密式封装结构可以与相关元器件采用卡套式连接、卡压式连接、螺纹连接等连接方式。
显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利保护范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤传感器的气密式封装结构，其特征在于，所述封装结构包括封装管、光纤传感器、封装气体和密封结构；所述光纤传感器的主体位于封装管内，所述光纤传感器至少一端位于封装管外部，所述密封结构设置在封装管的管口处，所述封装管的内部填充有封装气体。
2.一种光纤传感器的气密式封装装置，其特征在于，包括密封箱、供气装置、以及管口密封装置；
所述供气装置包括提供封装气体的气源、设置在密封箱上的气体入口、以及导气管；所述光纤传感器插入封装管中，所述封装管的管口与密封箱内空腔相连通；
所述供气装置通过气体入口对密封箱空腔填充气体，所述导气管用于伸入进封装管中对封装管内部进行气体填充；
所述管口密封装置设置在密封箱内。
3.如权利要求2所述的气密式封装装置，其特征在于，所述供气装置还包括与气源相连接的气体控制装置；所述密封箱上设置有气体出口。
4.如权利要求2所述的气密式封装装置，其特征在于，其还包括气体检测装置，所述气体检测装置的探头设置在密封箱内。
5.如权利要求2所述的气密式封装装置，其特征在于，所述密封箱上设置有通孔，所述导气管从通孔伸入封装管中，所述通孔处设置有中空密封塞。
6.如权利要求2所述的气密式封装装置，其特征在于，所述密封箱具有可视窗口或者所述密封箱为透明结构。
7.如权利要求2所述的气密式封装装置，其特征在于，所述密封结构为密封胶，所述气密式封装装置还包括固化装置。
8.一种光纤传感器的气密式封装方法，用于实现权利要求1的气密式封装结构，其特征在于，包括如下步骤：
准备阶段：将光纤传感器插入封装管中，使封装管的管口与密封箱内空腔相连通，将导气管一端伸入进封装管中；
气体填充：对密封箱空腔填充封装气体，通过导气管对封装管内部进行封装气体填充；
管口密封：将毛细导气管抽离封装管，对封装管的管口处进行密封。
9.如权利要求8所述的气密式封装方法，其特征在于，在气体填充过程中，利用气体检测装置对密封箱内封装气体浓度进行实时监测；在封装气体浓度达到要求后，进行管口密封。
10.如权利要求8所述的气密式封装方法，其特征在于，利用密封胶对封装管的管口处进行密封处理后，还进行固化处理。
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