CN113340221B - 一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传输技术领域，公开了一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构及封装方法；第一光纤穿过第一毛细玻璃管，第一光纤的一端进入第二毛细玻璃管内，第一光纤与第一毛细玻璃管熔接固定；第二光纤的一端置于第二毛细玻璃管内，第二光纤的另一端穿过第二毛细玻璃管，第二光纤与第二毛细玻璃管熔接固定；第一毛细玻璃管和第二毛细玻璃管对称等高布置在金属基件上；第一耐高温金属垫片覆盖在第一毛细玻璃管上，并与金属基件焊接固定；第二耐高温金属垫片覆盖在第二毛细玻璃管上，并与金属基件焊接固定。本发明解决金属基件与光纤传感器之间的封装可靠性较差的问题，本发明在高温下具有高可靠性。
Description
技术领域
本发明属于光纤传输技术领域，更具体地，涉及一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构及封装方法。
背景技术
光纤传感器技术因具有体积小、质量轻、不受电磁干扰、测量精度高和耐高温等特点符合现代传感器技术的发展需求，在航空航天、石油化工等特殊领域，工况温度大都超过1000℃，利用光纤传感器对特定参数特别是应变的实时测量时，光纤传感器存在质脆及抗剪切能力差等缺点，导致金属基件与光纤传感器之间不能可靠粘合封装。而常用粘合封装方式是环氧类有机胶，在温度过高时(一般不超过800℃)，就会产生碎裂、剥落现象，使得粘结可靠性差，应变传递不准确的问题。
发明内容
本发明通过提供一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构及封装方法，解决现有技术中金属基件与光纤传感器之间的封装可靠性较差的问题。
本发明提供一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构，包括：金属基件、第一光纤、第二光纤、第一毛细玻璃管、第二毛细玻璃管、第一耐高温金属垫片、第二耐高温金属垫片；
所述第一光纤穿过所述第一毛细玻璃管，所述第一光纤的一端进入所述第二毛细玻璃管内，所述第一光纤与所述第一毛细玻璃管熔接固定；所述第二光纤的一端置于所述第二毛细玻璃管内，所述第二光纤的另一端穿过所述第二毛细玻璃管，所述第二光纤与所述第二毛细玻璃管熔接固定；
所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管对称等高布置在所述金属基件上；所述第一耐高温金属垫片覆盖在所述第一毛细玻璃管上，所述第一耐高温金属垫片与所述金属基件焊接固定；所述第二耐高温金属垫片覆盖在所述第二毛细玻璃管上，所述第二耐高温金属垫片与所述金属基件焊接固定。
优选的，所述第一耐高温金属垫片与所述金属基件之间采用六点分布式对称点焊进行焊接固定，所述第二耐高温金属垫片与所述金属基件之间采用六点分布式对称点焊进行焊接固定。
优选的，所述第一光纤和所述第二光纤均采用耐高温纯石英光纤。
优选的，所述第一耐高温金属垫片和所述第二耐高温金属垫片的结构尺寸相同，均包括槽体结构和位于所述槽体结构两侧的平板结构；所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管的结构尺寸相同，所述槽体结构的外径与毛细玻璃管的外径相同。
优选的，所述六点分布式对称点焊为：在耐高温金属垫片的每个所述平板结构上焊接六个焊点，其中两个焊点距离毛细玻璃管轴向的距离为第一距离，四个焊点距离毛细玻璃管轴向的距离为第二距离，所述第一距离小于所述第二距离。
优选的，所述金属基件采用耐高温材料DZ125或DD6中的一种制成。
优选的，所述第一耐高温金属垫片和所述第二耐高温金属垫片的制作材料相同，均采用GH303或GH309中的一种材料制成。
本发明提供一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装方法，包括以下步骤：
步骤1、去除所述第一光纤和所述第二光纤的涂覆层；
步骤2、将所述第一光纤穿过第一毛细玻璃管，并使得所述第一光纤的两端均位于所述第一毛细玻璃管外；然后将所述第一毛细玻璃管与所述第一光纤熔接固定；
步骤3、将所述第二光纤穿入所述第二毛细玻璃管，并使得所述第二光纤的一端置于所述第二毛细玻璃管内，另一端位于所述第二毛细玻璃管外；然后将所述第二毛细玻璃管与所述第二光纤熔接固定；
步骤4、将所述第一光纤的一端穿入所述第二毛细玻璃管内，并与置于所述第二毛细玻璃管内的所述第二光纤的一端间隔第三距离；
步骤5、控制所述第一毛细玻璃管与所述第二毛细玻璃管之间的光纤长度在预设范围内，完成光纤珐珀腔高温应变传感器的制作；
步骤6、将所述光纤珐珀腔高温应变传感器放置在金属基件上，并使得所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管对称等高布置在所述金属基件上；
步骤7、将第一耐高温金属垫片覆盖在所述第一毛细玻璃管上，利用点焊机将所述第一耐高温金属垫片与所述金属基件焊接固定；将第二耐高温金属垫片覆盖在所述第二毛细玻璃管上，利用点焊机将所述第二耐高温金属垫片与所述金属基件焊接固定；
所述光纤珐珀腔高温应变传感器封装方法用于得到上述的光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构。
优选的，所述步骤7中，在耐高温金属垫片的每个平板结构上焊接六个焊点，先在距离毛细玻璃管轴向的距离为第二距离的区域点焊四个焊点，再在距离毛细玻璃管轴向的距离为第一距离的区域点焊两个焊点。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，第一光纤穿过第一毛细玻璃管，第一光纤的一端进入第二毛细玻璃管内，第一光纤与第一毛细玻璃管熔接固定；第二光纤的一端置于第二毛细玻璃管内，第二光纤的另一端穿过第二毛细玻璃管，第二光纤与第二毛细玻璃管熔接固定；第一毛细玻璃管和第二毛细玻璃管对称等高布置在金属基件上；第一耐高温金属垫片覆盖在第一毛细玻璃管上，第一耐高温金属垫片与金属基件焊接固定；第二耐高温金属垫片覆盖在第二毛细玻璃管上，第二耐高温金属垫片与金属基件焊接固定。本发明提供的双毛细玻璃管对称布置结构能够平衡高温环境下光纤珐珀腔入射端玻璃管边沿处裸光纤剪切应力；采用的金属焊接方式在高温下固定的可靠性更高，在高温环境中能耐受的时间更长。此外，毛细玻璃管与金属垫片对称布置，利用点焊机六点分布式对称点焊，可抵消不同材料的热膨胀系数引起的热应力，实现穿有光纤的毛细玻璃管与金属基件的可靠连接。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构中光纤珐珀腔高温应变传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构中耐高温金属垫片的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构的整体示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
实施例1提供一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构，包括：金属基件、第一光纤、第二光纤、第一毛细玻璃管、第二毛细玻璃管、第一耐高温金属垫片、第二耐高温金属垫片。所述第一光纤穿过所述第一毛细玻璃管，所述第一光纤的一端进入所述第二毛细玻璃管内，所述第一光纤与所述第一毛细玻璃管熔接固定；所述第二光纤的一端置于所述第二毛细玻璃管内，所述第二光纤的另一端穿过所述第二毛细玻璃管，所述第二光纤与所述第二毛细玻璃管熔接固定。所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管对称等高布置在所述金属基件上；所述第一耐高温金属垫片覆盖在所述第一毛细玻璃管上，所述第一耐高温金属垫片与所述金属基件焊接固定；所述第二耐高温金属垫片覆盖在所述第二毛细玻璃管上，所述第二耐高温金属垫片与所述金属基件焊接固定。
其中，所述第一耐高温金属垫片与所述金属基件之间采用六点分布式对称点焊进行焊接固定，所述第二耐高温金属垫片与所述金属基件之间采用六点分布式对称点焊进行焊接固定。
所述第一光纤和所述第二光纤均采用耐高温纯石英光纤。
所述第一耐高温金属垫片和所述第二耐高温金属垫片的结构尺寸相同，均包括槽体结构和位于所述槽体结构两侧的平板结构；所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管的结构尺寸相同，所述槽体结构的外径与毛细玻璃管的外径相同。
具体的，所述六点分布式对称点焊为：在耐高温金属垫片的每个所述平板结构上焊接六个焊点，其中两个焊点距离毛细玻璃管轴向的距离为第一距离，四个焊点距离毛细玻璃管轴向的距离为第二距离，所述第一距离小于所述第二距离。
所述金属基件采用耐高温材料制成，例如采用DZ125或DD6。所述第一耐高温金属垫片和所述第二耐高温金属垫片的制作材料相同，例如采用GH303或GH309。
实施例2：
实施例2提供一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装方法，包括以下步骤：
步骤1、去除所述第一光纤和所述第二光纤的涂覆层；
步骤2、将所述第一光纤穿过第一毛细玻璃管，并使得所述第一光纤的两端均位于所述第一毛细玻璃管外；然后将所述第一毛细玻璃管与所述第一光纤熔接固定；
步骤3、将所述第二光纤穿入所述第二毛细玻璃管，并使得所述第二光纤的一端置于所述第二毛细玻璃管内，另一端位于所述第二毛细玻璃管外；然后将所述第二毛细玻璃管与所述第二光纤熔接固定；
步骤4、将所述第一光纤的一端穿入所述第二毛细玻璃管内，并与置于所述第二毛细玻璃管内的所述第二光纤的一端间隔第三距离；
步骤5、控制所述第一毛细玻璃管与所述第二毛细玻璃管之间的光纤长度在预设范围内，完成光纤珐珀腔高温应变传感器的制作；
步骤6、将所述光纤珐珀腔高温应变传感器放置在金属基件上，并使得所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管对称等高布置在所述金属基件上；
步骤7、将第一耐高温金属垫片覆盖在所述第一毛细玻璃管上，利用点焊机将所述第一耐高温金属垫片与所述金属基件焊接固定；将第二耐高温金属垫片覆盖在所述第二毛细玻璃管上，利用点焊机将所述第二耐高温金属垫片与所述金属基件焊接固定；
所述光纤珐珀腔高温应变传感器封装方法用于得到如实施例1所述的光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构。
具体的，所述步骤7中，在耐高温金属垫片的每个平板结构上焊接六个焊点，先在距离毛细玻璃管轴向的距离为第二距离的区域点焊四个焊点，再在距离毛细玻璃管轴向的距离为第一距离的区域点焊两个焊点。
下面对本发明做进一步的说明。
参见图3，本发明提供的一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构从下向上(从里层向外)依次包括金属基件301、耐高温纯石英光纤(第二光纤302和第一光纤309)、对称毛细玻璃管(第二毛细玻璃管303和第一毛细玻璃管306)、对称耐高温金属垫片(第一耐高温金属垫片307和第二耐高温金属垫片304)。所述耐高温纯石英光纤穿过所述对称毛细玻璃管后通过毛细玻璃管附着于金属基件301上；两所述耐高温金属垫片对称覆盖于两所述毛细玻璃管上，利用脉冲点焊机将耐高温金属垫片与所述金属基件301可靠连接。
所述第一光纤309的两端完全穿过所述第一毛细玻璃管306并与所述第一毛细玻璃管306固定后，所述第一光纤309的一端穿入所述第二毛细玻璃管303作为入射段。所述第二光纤302置于所述第二毛细玻璃管303的一端作为反射端，利用熔接机将所述第二光纤302与所述第二毛细玻璃管303熔接固定。
所述第一毛细玻璃管306与所述第二毛细玻璃管303对称等高布置，平衡高温环境下光纤珐珀腔高温应变传感器入射端毛细玻璃管边沿处裸光纤剪切应力。
图1所示为本发明提供的一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构中光纤珐珀腔高温应变传感器的结构示意图，所述光纤珐珀腔高温应变传感器的制作过程包括以下步骤：
步骤一、取第一光纤103，利用火焰燃烧去除法去除涂覆层；第一毛细玻璃管102和第二毛细玻璃管105的长度控制在15mm-17mm，内径为125um，外径为250um或500um；
步骤二、将去除涂覆层的所述第一光纤103穿入所述第一毛细玻璃管102，利用熔接机控制放电量和放电时间将所述第一毛细玻璃管102与所述第一光纤103放电熔接可靠固定；第一熔接点101控制在距离所述第一毛细玻璃管端面3mm-5mm处；
步骤三、取第二光纤106，利用火焰燃烧去除法去除涂覆层，将去除涂覆层的所述第二光纤106穿入所述第二毛细玻璃管105，利用熔接机控制放电量和放电时间将所述第二光纤106与所述第二毛细玻璃管105放电熔接可靠固定，第二熔接点104控制在距离所述第二毛细玻璃管端面3mm-5mm处；
步骤四、将穿过所述第一毛细玻璃管102的所述第一光纤103的一端穿入所述第二毛细玻璃管105；
步骤五、控制所述第一毛细玻璃管102与所述第二毛细玻璃管105之间的光纤长度在0.5mm-1mm；完成光纤珐珀腔高温应变传感器的制作。
图2所示为本发明提供的一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构中耐高温金属垫片的结构示意图，所述耐高温金属垫片201的制作材料可选用GH303、GH309等，利用线切割制成厚度为0.6mm-0.8mm，尺寸为10mm*5mm。参见图3，所述金属基件301可采用耐高温(1100℃)材料DZ125、DD6等制作而成。
参见图3，制作得到所述光纤珐珀腔高温应变传感器后，进行封装包括以下步骤：
步骤一、设置点焊机脉冲形式、脉冲数、脉冲能量等参数；
步骤二、将贯穿双毛细玻璃管的光纤珐珀腔高温应变传感器放置于金属基件301上；
步骤三、用外径为500mm或250mm不锈钢管使得第一耐高温金属垫片307对中折叠相同外径槽体，并覆盖在第一毛细玻璃管306上，用点焊接机将所述第一耐高温金属垫片307最外侧距垫片边沿0.3mm-0.5mm处，沿边沿两边对称各点焊四点，再与边沿平行靠近所述第一毛细玻璃管306轴向0.8mm-1mm处焊接两点；焊点对称布置如第一焊点308和第二焊点310；
步骤四、用外径为500mm或250mm不锈钢管使得第二耐高温金属垫片304对中折叠相同外径槽体，并覆盖在第二毛细玻璃管303上，用点焊接机将所述第二耐高温金属垫片304最外侧距垫片边沿0.3mm-0.5mm处，沿边沿两边对称各点焊四点，再与边沿平行靠近所述第二毛细玻璃管303轴向0.8mm-1mm处焊接两点；焊点对称布置如第三焊点305和第四焊点311；完成光纤珐珀腔高温应变传感器无胶化封装。
其中，所述第一耐高温金属垫片307和所述第二耐高温金属垫片304对称分布至所述第一毛细玻璃管306与所述第二毛细玻璃管303上。耐高温金属垫片利用线切割制成，厚度为0.6mm-0.8mm，尺寸为10mm*5mm。
本发明实施例提供的一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构及封装方法至少包括如下技术效果：
(1)传统的采用单毛细玻璃管构造珐珀腔时，为了使金属基件的轴向应变有效的传递给光纤珐珀腔传感器，高温下入射端裸光纤也要固定在金属基件上，若采用金属垫片直接覆盖于入射端裸光纤，因裸光纤芯经过小，金属垫片难以实现固定；此外，由于毛细玻璃管自身的厚度，在穿有珐珀腔的毛细玻璃管处，入射端裸光纤成坡度传入固定反射端的毛细玻璃管中，使得入射端存在剪切应力，而且会使裸光纤在毛细玻璃管内平行于光纤轴线方向的平面产生弯曲现象，使得珐珀腔内入反射光纤的对中性下降，导致光纤传感器的失效。本发明采用双毛细玻璃管对称等高布置结构，穿过入射端裸光纤并使得毛细玻璃管与入射端裸光纤利用熔接机固定，金属基件的应变变化传递给固定于金属基件的两毛细玻璃管，进而传递给毛细玻璃管内的珐珀腔，影响珐珀腔内部腔长的变化，实现腔长的变化对于金属基件应变的解调。
(2)在高温下，金属垫片及金属基件都会发生热膨胀效应，因膨胀系数不同导致处于金属垫片和金属基件之间的光纤受到剪切力的作用，因光纤受力面积很小，所以因为金属的热膨胀导致对光纤产生的剪切应力很大，从而会使光纤发生垂直于光纤轴线方向的弯曲现象，光纤与毛细玻璃管同轴度降低，此时珐珀腔内入射端和反射端的光纤对中性下降，导致光谱的对比度逐渐下降。当光纤所受应力大于光纤极限弯曲强度时，光纤就会发生断裂，从而导致珐珀腔应变传感器失效。为解决此问题，本发明采用单个耐高温金属垫片与金属基件通过点焊机六点分布式对称点焊，可有效抵消毛细玻璃管两侧因耐高温金属垫片与金属垫片不同材料的热膨胀系数引起的热应力，实现穿有光纤的毛细玻璃管与金属基件的可靠连接，实现光纤珐珀腔高温应变传感器的无胶化封装。与传统的高温胶固定方式相比，本发明采用的金属焊接方式在高温下固定的可靠性更高，在高温环境中能耐受的时间更长。
(3)本发明提供的光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构可应用于温度1050℃下大应变测量，应变值达10000με。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构，其特征在于，包括：金属基件、第一光纤、第二光纤、第一毛细玻璃管、第二毛细玻璃管、第一耐高温金属垫片、第二耐高温金属垫片；
所述第一光纤穿过所述第一毛细玻璃管，所述第一光纤的一端进入所述第二毛细玻璃管内，所述第一光纤与所述第一毛细玻璃管熔接固定；所述第二光纤的一端置于所述第二毛细玻璃管内，所述第二光纤的另一端穿过所述第二毛细玻璃管，所述第二光纤与所述第二毛细玻璃管熔接固定；
所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管对称等高布置在所述金属基件上；所述第一耐高温金属垫片覆盖在所述第一毛细玻璃管上，所述第一耐高温金属垫片与所述金属基件焊接固定；所述第二耐高温金属垫片覆盖在所述第二毛细玻璃管上，所述第二耐高温金属垫片与所述金属基件焊接固定。
2.根据权利要求1所述的光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构，其特征在于，所述第一耐高温金属垫片与所述金属基件之间采用六点分布式对称点焊进行焊接固定，所述第二耐高温金属垫片与所述金属基件之间采用六点分布式对称点焊进行焊接固定。
3.根据权利要求1所述的光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构，其特征在于，所述第一光纤和所述第二光纤均采用耐高温纯石英光纤。
4.根据权利要求2所述的光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构，其特征在于，所述第一耐高温金属垫片和所述第二耐高温金属垫片的结构尺寸相同，均包括槽体结构和位于所述槽体结构两侧的平板结构；所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管的结构尺寸相同，所述槽体结构的外径与毛细玻璃管的外径相同。
5.根据权利要求4所述的光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构，其特征在于，所述六点分布式对称点焊为：在耐高温金属垫片的每个所述平板结构上焊接六个焊点，其中两个焊点距离毛细玻璃管轴向的距离为第一距离，四个焊点距离毛细玻璃管轴向的距离为第二距离，所述第一距离小于所述第二距离。
6.根据权利要求1所述的光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构，其特征在于，所述金属基件采用耐高温材料DZ125或DD6中的一种制成。
7.根据权利要求1所述的光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构，其特征在于，所述第一耐高温金属垫片和所述第二耐高温金属垫片的制作材料相同，均采用GH303或GH309中的一种材料制成。
8.一种光纤珐珀腔高温应变传感器封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、去除所述第一光纤和所述第二光纤的涂覆层；
步骤2、将所述第一光纤穿过第一毛细玻璃管，并使得所述第一光纤的两端均位于所述第一毛细玻璃管外；然后将所述第一毛细玻璃管与所述第一光纤熔接固定；
步骤3、将所述第二光纤穿入所述第二毛细玻璃管，并使得所述第二光纤的一端置于所述第二毛细玻璃管内，另一端位于所述第二毛细玻璃管外；然后将所述第二毛细玻璃管与所述第二光纤熔接固定；
步骤4、将所述第一光纤的一端穿入所述第二毛细玻璃管内，并与置于所述第二毛细玻璃管内的所述第二光纤的一端间隔第三距离；
步骤5、控制所述第一毛细玻璃管与所述第二毛细玻璃管之间的光纤长度在预设范围内，完成光纤珐珀腔高温应变传感器的制作；
步骤6、将所述光纤珐珀腔高温应变传感器放置在金属基件上，并使得所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管对称等高布置在所述金属基件上；
步骤7、将第一耐高温金属垫片覆盖在所述第一毛细玻璃管上，利用点焊机将所述第一耐高温金属垫片与所述金属基件焊接固定；将第二耐高温金属垫片覆盖在所述第二毛细玻璃管上，利用点焊机将所述第二耐高温金属垫片与所述金属基件焊接固定；
所述光纤珐珀腔高温应变传感器封装方法用于得到如权利要求1-7中任一项所述的光纤珐珀腔高温应变传感器封装结构。
9.根据权利要求8所述的光纤珐珀腔高温应变传感器封装方法，其特征在于，所述步骤7中，在耐高温金属垫片的每个平板结构上焊接六个焊点，先在距离毛细玻璃管轴向的距离为第二距离的区域点焊四个焊点，再在距离毛细玻璃管轴向的距离为第一距离的区域点焊两个焊点。
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