CN112629696B - 一种高温快速响应光纤光栅温度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅温度传感器及其制备方法。传感器包括光纤光栅、以及传感器保护壳，传感器保护壳两端具有固定槽、以及与固定槽正交联通焊接槽；固定槽延光纤光栅轴向设置，焊接槽延光纤光栅径向设置；光纤光栅穿过传感器保护壳两端的固定槽，通过填充在焊接槽内玻璃焊料与传感器外壳焊接固定。方法包括：(1)将光纤穿过传感器保护壳两端的固定槽内；(2)向焊接槽内填充焊料，直至焊料通过焊接槽填充至固定槽；(3)采用与焊接槽配合的加热盘将焊接槽加热至焊接温度。本发明提供的一种快速响应的光纤光栅温度传感器及其制造方法，能够解决传统光纤光栅温度传感器响应时间慢，长期处于高温环境胶水容易脱落的问题。

Description

一种高温快速响应光纤光栅温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种高温快速响应光纤光栅温度传感器及其制备方法。
背景技术
光纤光栅是一种新型的传感技术，可以实现温度、应变等多种参量测量。光纤光栅温度传感器在石油石化、交通隧道、电力等多领域有广泛的应用。
然而目前的光纤光栅传感器，测温范围大多限于-40℃～120℃，无法满足某些高温场景测量需求。
而在高温环境下，普通光纤光栅传感器的敏感性度受到严重影响，响应不及时，同时可靠性和使用寿命也达不到实际应用的要求。目前的光纤光栅温度传感器大多采用不锈钢、陶瓷等材料，通过紫外胶、353ND、环氧树脂等胶水进行封装。高温环境下传感器的热响应时间很不理想。而且胶水在高温环境下容易发生脱落现象，传感器长期稳定性较差。
因此，有必要研发一种长期稳定性好、又具有较快响应速度的高温环境下使用的光纤光栅温度传感器。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高温快速响应光纤光栅温度传感器及其制备方法，其目的在于通过采用玻璃焊料代替胶水封装光纤光栅传感器并选择与玻璃焊料结合良好的高导热材料外壳，由此解决现有的光纤光栅在高温环境下稳定性不佳、热响应时间不理想的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光纤光栅温度传感器，包括光纤光栅、以及传感器保护壳，所述传感器保护壳两端具有固定槽、以及与所述固定槽正交联通焊接槽；所述固定槽延光纤光栅轴向设置，所述焊接槽延光纤光栅径向设置；所述光纤光栅穿过所述传感器保护壳两端的固定槽，通过填充在所述焊接槽内玻璃焊料与所述传感器外壳焊接固定。
优选地，所述光纤光栅温度传感器，其所述玻璃焊料为封接温度在350℃～380℃的光纤低温玻璃焊料，优选Pb-Bi-B系玻璃粉。
优选地，所述光纤光栅温度传感器，其所述传感器外壳为石墨掺杂金属基复合材料，优选为石墨-铝复合材料。
优选地，所述光纤光栅温度传感器，其所述石墨铝复合材料，石墨掺杂质量分数在0.3％～0.5％之间，热导系数在400～650W/m.K。
优选地，所述光纤光栅温度传感器，其所述传感器外壳中部具有中空的凹槽，所述光纤光栅以自然松弛状态处于中空的凹槽内。
优选地，所述光纤光栅温度传感器，其还包括外壳盖，所述外壳盖与所述传感器保护壳配合，覆盖所述焊接槽和/或凹槽。
优选地，所述光纤光栅温度传感器，其所述光纤光栅具有聚酰亚胺涂敷层。
按照本发明的另一方面，提供了一种所述光纤光栅传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将光纤穿过所述传感器保护壳两端的固定槽内；
(2)向焊接槽内填充焊料，直至焊料通过焊接槽填充至固定槽；
(3)采用与所述焊接槽配合的加热盘，将焊接槽加热至焊接温度，使得玻璃焊料熔化后保证焊接槽处的光纤完全浸泡在玻璃焊料中，将光纤光栅与所述传感器保护壳焊接。
优选地，所述光纤光栅传感器的制备方法，其步骤(3)所述将焊接槽加热至焊接温度，持续10s～20s。
优选地，所述光纤光栅传感器的制备方法，其包括步骤：
(4)将外壳盖与所述光纤传感器保护壳固定，覆盖焊接槽和/或所述传感器凹槽。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的一种快速响应的光纤光栅温度传感器及其制造方法，能够解决传统光纤光栅温度传感器响应时间慢，长期处于高温环境胶水容易脱落的问题。通过上述方案，高导热石墨-金属合材料传感器保护外壳不仅能够将环境温度更高效快速的传导至温敏光纤光栅元件上，响应时间快，而且与耐高温的玻璃焊料结合能力良好，解决了传感器高温环境胶水容易脱落的问题，在高温环境下长期稳定性好。
附图说明
图1是本发明提供的高温快速响应光纤光栅温度传感器内部结构示意图；
图2是本发明提供的高温快速响应光纤光栅温度传感器装配示意图；
图3是本发明提供的高温快速响应光纤光栅温度传感器装配效果示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为光纤光栅，2为传感器保护壳，3为焊接槽，4为固定槽，5为光纤，6为凹槽，7为外壳盖。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
我们发现目前的传感器采用不锈钢、陶瓷等材料，通过紫外胶、353ND、环氧树脂等胶水进行封装。这种结构一方面固定胶在高温环境下受到光合热的影响，容易发生老化和胶水脱落现象，使得传感器长期稳定性差和使用寿命短。同时密封结构的外壳，仅能通过封装材料导热来传导温度变化，目前光纤光栅传感器采用的外壳材料为不锈钢、陶瓷等材料，不锈钢导热系数一般小于30W/m.K，陶瓷导热系数一般小于10W/m.K。在高温环境下，同样的温度变化量，温度变化幅度相对小很多，现有的密封型传感器，不能敏锐的感受高温环境下的温度变化，测量精度、滞后时间等方面均不理想。
本发明提供的光纤光栅温度传感器，包括光纤光栅、传感器保护壳、以及外壳盖。
所述传感器保护壳两端具有固定槽、以及与所述固定槽正交联通焊接槽；所述固定槽延光纤光栅轴向设置，所述焊接槽延光纤光栅径向设置；所述光纤光栅穿过所述传感器保护壳两端的固定槽，通过填充在所述焊接槽内玻璃焊料与所述传感器外壳焊接固定；所述外壳盖与所述传感器保护壳配合，覆盖所述焊接槽和/或凹槽。
所述玻璃焊料为封接温度在350℃～380℃的光纤低温玻璃焊料，优选Pb-Bi-B系玻璃粉，其含有氧化铅70％～72％、氧化铋5％～7％、氧化硼5％～7％、氧化锌4％～6％、以及氧化钛6％～8％。
所述传感器外壳、以及外壳盖为石墨掺杂金属基复合材料，优选为石墨-铝复合材料。石墨掺杂质量分数在0.3％～0.5％之间，优选0.5％，热导系数在400～650W/m.K。石墨-铝复合材料在此掺杂范围内，不仅具有良好的导热系数和优秀的加工性能，同时与玻璃焊料结合能力较好，能够维持在高温状态下光纤光栅的传感器外壳的稳定性，不至于容易脱胶或者变形导致传感器损坏。所述传感器外壳中部具有中空的凹槽，所述光纤光栅以自然松弛状态处于中空的凹槽内。中空的凹槽，使得光纤光栅呈完全自由状态，因而对环境应力不敏感，确保了传感器的长期稳定性。
所述光纤光栅具有聚酰亚胺涂敷层，耐受300℃高温。
玻璃焊料虽然避免了胶状带来的使用寿命短和不耐高温的问题，然而对于使用对象有严格的选择，其适合金属和玻璃之间的焊接，因此高导热材料制作的外壳，需要配合金属基的高导热材料。金属基的高导热材料，通过石墨掺杂提高导热性能，然而较高的石墨掺杂率虽然能提高导热性能，但是不利于传感器保护壳的机械加工性能，同时不利于玻璃焊料焊接的牢固程度。因此本发明确定了石墨掺杂量在以质量分数记载0.3％～0.5％的石墨铝，是考虑到机械加工性能、导热性能和焊料结合的牢固程度以及成本等因素多方性能平衡的结果。
本发明提供的光纤光栅传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将光纤穿过所述传感器保护壳两端的固定槽内；光纤光栅应采用自然松弛的方式放置；
(2)向焊接槽内填充焊料，直至焊料通过焊接槽填充至固定槽；
(3)采用与所述焊接槽配合的加热盘，将焊接槽加热至焊接温度，持续时间优选10s～20s，使得玻璃焊料熔化后保证焊接槽处的光纤完全浸泡在玻璃焊料中，将光纤光栅与所述传感器保护壳焊接。
玻璃焊料的封焊过程，需要维持封接温度，在350℃，迫近光纤光栅的耐受极限，一方面采用具有聚酰亚胺涂敷层的光纤光栅，另一方面，需要严格控制维持封焊温度的时间，过长则导致光纤光栅损坏，过短则会导致焊接不牢固，稳定性差。而本发明经过实验证实，维持封接温度持续10s～20s可有效的封焊石墨铝复合材料传感器保护壳与光纤，同时，光纤的聚酰亚胺涂敷层不至于损坏。
(4)将外壳盖与所述光纤传感器保护壳固定，覆盖焊接槽和/或所述传感器凹槽。
以下为实施例：
如图1所示，是本发明提供的一种快速响应的光纤光栅温度传感器的内部结构示意图，包括光纤光栅1、传感器保护壳2。
所述传感器保护壳2两端具有固定槽4、以及与所述固定槽4正交联通焊接槽3；所述固定槽4延光纤光栅轴向设置，所述焊接槽3延光纤光栅径向设置；所述光纤光栅穿过所述传感器保护壳两端的固定槽4，通过填充在所述焊接槽3内玻璃焊料与所述传感器外壳焊接固定；中间设有容纳光纤通过的凹槽6，左右各设有固定光纤的焊接槽3，两端固定有保护光纤的光缆连接头。
所述玻璃焊料为封接温度在350℃～380℃的光纤低温玻璃焊料，优选Pb-Bi-B系玻璃粉，其含有氧化铅72％、氧化铋7％、氧化硼7％、氧化锌4％、氧化钛7％、以及其他2％。
如图2所示，是本发明中光纤光栅温度传感器保护壳和外壳盖配合示意图，主要包括配套压合的传感器保护壳2和外壳盖7，传感器保护壳2和外壳盖7采用m2螺丝固定。所述传感器外壳、以及外壳盖为为石墨-铝复合材料，石墨掺杂质量分数0.5％，热导系数在450W/m.K。
如图3所示，是本发明中光纤光栅温度传感器制造完成后的效果图，传感器为长方体结构，传感器保护壳长度为40mm，宽度8mm，厚度5mm。
所述光纤光栅具有聚酰亚胺涂敷层，耐受300℃高温。
本发明中光纤光栅温度传感器制造方法包括下列步骤：
(1)将具有聚酰亚胺涂敷层的耐300℃高温的光纤穿过所述传感器保护壳两端的固定槽内；光纤光栅置于石墨-铝复合材料制造的传感器保护壳凹槽正中间，光纤光栅应采用自然松弛的方式放置。
(2)光纤焊接槽3中放置封接温度为350℃的光纤低温玻璃焊料，直至焊料通过焊接槽填3充至固定槽4；
(3)采用与所述焊接槽3配合的加热盘，将焊接槽3加热至焊接温度，持续时间优选10s～20s，使得玻璃焊料熔化后保证焊焊接槽3的光纤完全浸泡在玻璃焊料中，将光纤光栅与所述传感器保护壳焊接。
(4)将传感器保护壳外壳盖通过螺丝与底座固定。
(5)将外径0.9mm光纤松套管套在光纤光栅尾纤外面。
(6)将外径3mm铠装光缆套在0.9mm光纤松套管外面，铠装光缆采用铆压方式固定在光缆连接头上。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种密封型的光纤光栅温度传感器，其特征在于，包括光纤光栅、以及传感器保护壳，所述传感器保护壳两端具有固定槽、以及与所述固定槽正交联通焊接槽；所述固定槽延光纤光栅轴向设置，所述焊接槽延光纤光栅径向设置；所述光纤光栅穿过所述传感器保护壳两端的固定槽，通过填充在所述焊接槽内玻璃焊料与所述传感器外壳焊接固定；
所述传感器外壳为石墨-铝复合材料；石墨掺杂质量分数在0.3％～0.5％之间；
所述玻璃焊料为封接温度在350℃～380℃的光纤低温玻璃焊料，为Pb-Bi-B系玻璃粉；其含有氧化铅70％～72％、氧化铋5％～7％、氧化硼5％～7％、氧化锌4％～6％、以及氧化钛6％～8％。
2.如权利要求1所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述石墨铝复合材料，热导系数在400～650W/m.K。
3.如权利要求1所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述传感器外壳中部具有中空的凹槽，所述光纤光栅以自然松弛状态处于中空的凹槽内。
4.如权利要求1所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，还包括外壳盖，所述外壳盖与所述传感器保护壳配合，覆盖所述焊接槽和/或凹槽。
5.如权利要求1所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述光纤光栅具有聚酰亚胺涂敷层。
6.如权利要求1至5任意一项所述的光纤光栅温度 传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将光纤穿过所述传感器保护壳两端的固定槽内；
(2)向焊接槽内填充焊料，直至焊料通过焊接槽填充至固定槽；
(3)采用与所述焊接槽配合的加热盘，将焊接槽加热至焊接温度，使得玻璃焊料熔化后保证焊接槽处的光纤完全浸泡在玻璃焊料中，将光纤光栅与所述传感器保护壳焊接。
7.如权利要求6所述的光纤光栅温度 传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述将焊接槽加热至焊接温度，持续10s～20s。
8.如权利要求6所述的光纤光栅温度 传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(4)将外壳盖与所述光纤传感器保护壳固定，覆盖焊接槽和/或所述传感器凹槽。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114184301B (zh) * 2021-11-16 2022-12-09 西安交通大学 一种超耐高温光纤光栅温度传感器及信号解调方法
CN114353840B (zh) * 2021-12-02 2023-08-22 长飞光纤光缆股份有限公司 一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器及其制作方法
CN114486021B (zh) * 2022-04-07 2022-09-09 成都凯天电子股份有限公司 一种无尾纤型光纤智能螺栓及状态监控方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6626043B1 (en) * 2000-01-31 2003-09-30 Weatherford/Lamb, Inc. Fluid diffusion resistant glass-encased fiber optic sensor
CN101413831A (zh) * 2008-11-29 2009-04-22 大连理工大学 一种增敏的光纤光栅温度传感器封装方法
CN102636290B (zh) * 2012-05-03 2016-02-24 无锡成电光纤传感科技有限公司 一种fbg高温传感器的低温无胶化封装工艺
CN202582782U (zh) * 2012-05-03 2012-12-05 无锡成电光纤传感科技有限公司 Fbg温度传感器的封装结构
CN103115694B (zh) * 2013-01-17 2015-02-04 中国地震局地壳应力研究所 基于低熔点玻璃焊接的光纤光栅高灵敏度温度传感器
CN210774420U (zh) * 2019-11-29 2020-06-16 深圳中科传感科技有限公司 无胶封装的光纤光栅温度传感器

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