CN114322816A - 一种安装胶水及其在光纤传感器中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种安装胶水及其在光纤传感器中的应用，该安装胶水包括金属盐粉末、环氧树脂胶水和无水乙醇；将该安装胶水应用应变式光纤传感器的安装，所述应变式光纤传感器通过如下安装步骤得到：(1)准备安装基底，并对安装基底进行预处理；其中，所述安装基底为因瓦合金；(2)将应变式光纤传感器预先固定到所述预处理后的安装基底上；(3)将安装胶水涂覆至所述应变式光纤传感器表面后，对其进行加热固化。采用本发明提供的安装胶水及安装基底进行安装光纤传感器，可以显著降低因温度串扰引起的光纤传感器测量误差，极大提高光纤传感器的测量精度。

Description

一种安装胶水及其在光纤传感器中的应用
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，特别涉及一种安装胶水及其在光纤传感器中的应用。
背景技术
光纤传感器由于其自身具有抗电磁干扰，耐高温、体积小、灵敏度高等优点，被广泛应用于航空航天、医疗器械、能源探测、安防、工业自动化等诸多领域。其中，光纤传感器被广泛应用于恶劣环境下的应变、压力测量，但是，温度串扰是影响光纤传感器测量精度的一大重要因素。虽然光纤传感器自身具有极低的温度灵敏度和极高的应变灵敏度，但在实际使用过程中，由于裸光纤容易损伤，影响光纤传感器的使用寿命，因此需对其进行保护性的封装，才能赋予光纤传感器更稳定的性能。
然而现有技术中虽然存在多种封装方式，但在使用过程中，测量待测物体的应变量时往往需要将光纤传感器安装到待测物体上，待测物体基底由于温度变化会产生热输出，该热输出传递到光纤传感器上会使其产生与基底热输出相应的变形量，对应变测量造成极大的温度串扰，最终影响光纤传感器测量精度。因此，需要研究一种减少光纤传感器温度串扰的方法，提高光纤传感器的测量精度。
发明内容
本发明提供了一种安装胶水及其在光纤传感器中的应用，采用本发明提供的安装胶水及安装基底进行安装光纤传感器，可以显著降低因温度串扰引起的光纤传感器测量误差，极大提高光纤传感器的测量精度。
第一方面，本发明提供了一种安装胶水：包括金属盐粉末、环氧树脂胶水和无水乙醇。
优选地，所述金属盐粉末为ZrW2O8粉末、ThP2O7粉末、HiW2O8粉末或ZrV2O7粉末中的至少一种。
优选地，所述金属盐粉末为ZrW2O8粉末。
优选地，所述金属盐粉末的含量为70～90wt％，所述环氧树脂胶水的含量为10～30wt％，所述无水乙醇的含量为0～10wt％。
优选地，所述金属盐粉末的粒径为1～3μm。
第二方面，本发明提供了一种上述第一方面任一所述的安装胶水在光纤传感器中的应用方法。
优选地，所述光纤传感器为应变式光纤传感器，所述应变式光纤传感器通过如下安装步骤得到：
(1)准备安装基底，并对安装基底进行预处理；其中，所述安装基底为因瓦合金；
(2)将应变式光纤传感器预先固定到所述预处理后的安装基底上；
(3)将安装胶水涂覆至所述应变式光纤传感器表面后，对其进行加热固化。
优选地，在步骤(1)中，所述预处理具体包括如下步骤：
(I)使用200～400目的砂纸对所述安装基底进行打磨；其中，所述打磨的面积为所述应变式光纤传感器的面积的3～5倍；
(II)依次采用丙酮和无水乙醇对所述步骤(I)中安装基底进行擦拭；
(III)将所述步骤(II)中的安装基底依次进行烘干和划线定位处理，得到预处理后的安装基底。
优选地，在步骤(3)中，所述涂覆的厚度为0.3～0.5mm。
优选地，在步骤(3)中，所述加热固化的方式为阶段式固化；第一阶段的固化温度为70～90℃，保温时间为40～60min；第二阶段的固化温度为120～130℃，保温时间为60～80min；第三阶段固化温度为200～220℃，保温时间为100～120min。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
本发明制备的安装胶水具有负热膨胀系数，使用该安装胶水将光纤传感器安装至具有低热膨胀系数的安装基底上，安装胶水与安装基底之间相互配合，能够显著降低光纤传感器在测量过程中因温度应变串扰引起的测量误差，极大地提高光纤传感器的应变测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1与对比例3中的光纤传感器的温度输出曲线图；
图2是本发明实施例1中的光纤传感器的微结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种安装胶水，包括金属盐粉末、环氧树脂胶水和无水乙醇。
需要说明的是，本发明中采用的金属盐粉末均为负热膨胀系数，将其与环氧树脂胶水和无水乙醇进行混合，得到的安装胶水具有负热膨胀系数。
根据一些优选的实施方式，所述金属盐粉末为ZrW2O8粉末、ThP2O7粉末、HiW2O8粉末或ZrV2O7粉末中的至少一种。
需要说明的是，在本发明中，至少一种即为任意一种或几种以任意比例进行混合。同时，本发明中的金属盐粉末包括但不限于上述金属盐粉末，其负热膨胀系数满足一定的要求即可。
根据一些优选的实施方式，所述金属盐粉末为ZrW2O8粉末。
需要说明的是，相比于其他金属盐的粉末，钨酸锆粉末的理论热膨胀系数可达-8.7×10-6/K，其负膨胀效应温度范围较宽，并且制备成的安装胶水的机械性能优异，而其他金属盐粉末的负膨胀效应温度范围较窄，且与钨酸锆配制得到的安装胶水相比，其他金属盐粉末配制的安装胶水的机械性能较差，会限制安装胶水在光纤传感器中的应用，因此，在本发明中，金属盐粉末优选为钨酸锆粉末。
根据一些优选的实施方式，所述金属盐粉末的含量为70～90wt％，所述环氧树脂胶水的含量为10～30wt％，所述无水乙醇的含量为0～10wt％。
在一个优选的实施方式中，所述金属盐粉末的含量为70～90wt％(例如，可以为70wt％、72wt％、75wt％、78wt％、80wt％、82wt％、85wt％、88wt％或90wt％)，所述环氧树脂胶水的含量为10～30wt％(例如，可以为10wt％、15wt％、18wt％、20wt％、25wt％、28wt％或30wt％)，所述无水乙醇的含量为0～10wt％(0wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％或10wt％)。若金属盐粉末的含量高于上述范围，则会降低安装胶水的粘度，而金属盐粉末的含量低于上述范围，则不能有效降低安装胶水的热膨胀系数；因此，将金属盐粉末、环氧树脂胶水和无水乙醇的含量控制在上述范围，不仅可以保证安装胶水的粘度，而且能够有效降低安装胶水的热膨胀系数。
根据一些优选的实施方式，所述金属盐粉末的粒径为1～3μm(例如，可以为1μm、1.5μm、2μm、2.5μm或3μm)。
需要说明的是，在本发明中金属盐粉末的粒径高于或低于上述范围，则会造成安装胶水固化后出现气孔，降低安装胶水的机械强度，影响本发明所述光纤应变传感器的性能。
第二方面，本发明提供了一种上述第一方面所述的安装胶水在光纤传感器中的应用。本发明中，主要体现在降低光纤传感器在测量过程中因温度应变串扰引起的测量误差中的应用。
根据一些优选的实施方式，所述光纤传感器为应变式光纤传感器，所述应变式光纤传感器通过如下安装步骤得到：
(1)准备安装基底，并对安装基底进行预处理；其中，所述安装基底为因瓦合金；
(2)将应变式光纤传感器预先固定到所述预处理后的安装基底上；
(3)将安装胶水涂覆至所述应变式光纤传感器表面后，对其进行加热固化。
现有技术中，应变式光纤传感器一般采用F141材料作为安装基底，F141材料虽然具有较好的机械强度，但其热膨胀系数较大，作为应变式光纤传感器的安装基底，在温度发生变化时安装基底会产生热输出，该热输出传递到应变式光纤传感器上会使其产生与基底热输出相应的变形量，极大地降低了应变式光纤传感器的应变测量精度。而在本发明中，采用具有极低热膨胀系数的因瓦合金作为安装基底，其热膨胀系数在204℃以下仅为F141材料的热膨胀系数的十分之一，同时采用本发明中的安装胶水进行封装，该安装胶水具备负热膨胀系数，在温度发生变化时，安装胶水与安装基底的热膨胀系数相互抵消，安装基底不会产生热输出对光纤传感器的应变测量产生影响，能够降低光纤应变传感器因温度应变串扰引起的测量误差，从而使得应变式光纤传感器的应变测量精度显著提高。
需要说明的是，在本发明中应变式光纤传感器可以为光纤FP传感器或光纤FBG传感器；同时，为了保证光纤传感器的安装精度，在上述步骤(2)中，可以预先采用胶水或胶带将应变式光纤传感器预先固定到安装基底的划线定位位置，当应变式光纤传感器为光纤FBG传感器时，在固定时还需对其施加预拉，防止后续操作过程光纤FBG传感器出现折叠现象。
根据一些优选的实施方式，在步骤(1)中，所述预处理具体包括如下步骤：
(I)使用200～400目(例如，可以为200目、250目、300目、350目或400目)的砂纸对所述安装基底进行打磨；其中，所述打磨的面积为所述应变式光纤传感器的面积的3～5倍(例如，可以为3倍、3.5倍、4倍、4.5倍或5倍)；
(II)依次采用丙酮和无水乙醇对所述步骤(I)中安装基底进行擦拭；
(III)将所述步骤(II)中的安装基底依次进行烘干和划线定位处理，得到预处理后的安装基底。
需要说明的是，在本发明中，为了提高光纤传感器和安装基底的粘贴强度，首先需要采用砂纸将安装基底打磨成成与轴线成45°的交叉细纹，打磨后安装基底的打磨处要求纹路清洗，深浅一致；首先使用脱脂棉蘸取丙酮对安装基底进行反复擦拭，然后使用脱脂棉蘸取少量无水乙醇沿单方向擦拭安装基底表面，直至脱脂棉上无污渍为止；最后使用红外加热装置进行烘干和划线定位处理。
根据一些优选的实施方式，在步骤(3)中，所述涂覆的厚度为0.3～0.5mm。
需要说明的是，在本发明中所述安装胶水的涂覆厚度为0.3～0.5mm(例如，可以为0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm或0.5mm)。若安装胶水的涂覆厚度低于上述范围，则安装胶水的机械强度太低，导致光纤传感器与安装基底的结合强度较差，光纤传感器容易从安装基底上掉落；若安装胶水的涂覆厚度高于上述范围，则会使安装基底与待测物体的应变传递发生损失，导致光纤传感器的应变测量精度下降。因此，安装胶水的涂覆厚度控制在上述范围，既可以保证光纤传感器与安装基底的结合强度，也可以保证光纤传感器的应变测量精度。
根据一些优选的实施方式，在步骤(3)中，所述加热固化的方式为阶段式固化；第一阶段的固化温度为70～90℃(例如，可以为70℃、75℃、80℃、85℃或90℃)，保温时间为40～60min(例如，可以为40min、45min、50min、55min或60min)；第二阶段的固化温度为120～130℃(例如，可以为120℃、122℃、124℃、125℃、128℃或130℃)，保温时间为60～80min(例如，可以为60min、65min、70min、75min或80min)；第三阶段固化温度为200～220℃(例如，可以为200℃、205℃、210℃、215℃或220℃)，保温时间为100～120min(例如，可以为100min、105min、110min、115min或120min)。
为了减小温度变化对光纤传感器应变测量精度的影响，本发明提出了一种使用针对光纤FP传感器和光纤FBG传感器的温度补偿方案，该方案采用低膨胀系数合金4J36(因瓦合金INVAR)作为光纤传感器的安装基底，负热膨胀系数的安装胶水作为粘接剂对光纤传感器进行安装，采用本发明中的方案安装的光纤传感器，可极大的减小基底由于受热膨胀而引起的光纤传感器的测量误差，提高了光纤传感器在应变测量领域的应用范围。
采用本发明提供的方法进行安装的光纤FP传感器的微结构图如图2所示，光源发出的光通过第一反射面，第一反射面和第二反射面类似一个平行平板干涉，信号光通过第二反射面沿传输光纤到探测器中，然后连接上位机解调系统对第一反射面和第二反射面之间的距离LC的变化量ΔLC解调，对应测量点的应变计算公式为ΔLC＝l0ε。
为了更加清楚地说明本发明的技术方案及优点，下面通过几个实施例对一种安装胶水及其在光纤传感器中的应用进行详细说明。
实施例1
(1)准备安装基底因瓦合金，并对安装基底进行预处理；
预处理操作具体包括如下步骤：
(I)使用300目的砂纸对安装基底打磨成与轴线成45°角的交叉细纹；打磨的面积为应变式光纤传感器面积的4倍；
(II)依次使用脱脂棉蘸取丙酮和无水乙醇对步骤(I)中的安装基底进行擦拭，直至脱脂棉上无污渍为止；
(III)将步骤(II)中的安装基底依次进行红外加热烘干和划线定位处理，得到预处理后的安装基底；
(2)将应变式光纤传感器使用胶带预先固定到所述预处理后的安装基底的划线定位位置；
(3)将90wt％的ZrW2O8粉末(粒径为1.5μm)、5wt％的环氧树脂胶水和5wt％的无水乙醇配制得到安装胶水，将配制的安装胶水均匀涂覆(厚度为0.4mm)至应变式光纤传感器表面后，将其放置于高温炉中进行加热固化；其中，加热固化为阶段式固化，首先升温至90℃，保温40min；升温至120℃，保温125min；升温至200℃，保温120min，之后随炉降温至室温(25℃)。
实施例2
(1)准备安装基底因瓦合金，并对安装基底进行预处理；
预处理操作具体包括如下步骤：
(I)使用200目的砂纸对安装基底打磨成与轴线成45°角的交叉细纹；打磨的面积为应变式光纤传感器面积的3倍；
(II)依次使用脱脂棉蘸取丙酮和无水乙醇对步骤(I)中的安装基底进行擦拭，直至脱脂棉上无污渍为止；
(III)将步骤(II)中的安装基底依次进行红外加热烘干和划线定位处理，得到预处理后的安装基底；
(2)将应变式光纤传感器使用胶水预先固定到预处理后的安装基底的划线定位位置；
(3)将80wt％的ZrW2O8粉末(粒径为2μm)、10wt％的环氧树脂胶水和10wt％的无水乙醇配制得到安装胶水，将配制的安装胶水均匀涂覆(厚度为0.3mm)至应变式光纤传感器表面后，将其放置于高温炉中进行加热固化；其中，加热固化为阶段式固化，首先升温至85℃，保温50min；升温至125℃，保温65min；升温至210℃，保温115min，之后随炉降温至室温(25℃)。
实施例3
(1)准备安装基底因瓦合金，并对安装基底进行预处理；
预处理操作具体包括如下步骤：
(I)使用400目的砂纸对安装基底打磨成与轴线成45°角的交叉细纹；打磨的面积为应变式光纤传感器面积的5倍；
(II)依次使用脱脂棉蘸取丙酮和无水乙醇对步骤(I)中的安装基底进行擦拭，直至脱脂棉上无污渍为止；
(III)将步骤(II)中的安装基底依次进行红外加热烘干和划线定位处理，得到预处理后的安装基底；
(2)将应变式光纤传感器使用胶水预先固定到预处理后的安装基底的划线定位位置；
(3)将70wt％的ThP2O7粉末(粒径为1μm)、20wt％的环氧树脂胶水和10wt％的无水乙醇配制得到安装胶水，将配制的安装胶水均匀涂覆(厚度为0.5mm)至应变式光纤传感器表面后，将其放置于高温炉中进行加热固化；其中，加热固化为阶段式固化，首先升温至70℃，保温60min；升温至128℃，保温65min；升温至215℃，保温100min，之后随炉降温至室温(25℃)。
实施例4
(1)准备安装基底因瓦合金，并对安装基底进行预处理；
预处理操作具体包括如下步骤：
(I)使用350目的砂纸对安装基底打磨成与轴线成45°角的交叉细纹；打磨的面积为应变式光纤传感器面积的5倍；
(II)依次使用脱脂棉蘸取丙酮和无水乙醇对步骤(I)中的安装基底进行擦拭，直至脱脂棉上无污渍为止；
(III)将步骤(II)中的安装基底依次进行红外加热烘干和划线定位处理，得到预处理后的安装基底；
(2)将应变式光纤传感器使用胶水预先固定到预处理后的安装基底的划线定位位置；
(3)将75wt％的HiW2O8粉末(粒径为2.5μm)、18wt％的环氧树脂胶水和7wt％的无水乙醇配制得到安装胶水，将配制的安装胶水均匀涂覆(厚度为0.35mm)至应变式光纤传感器表面后，将其放置于高温炉中进行加热固化；其中，加热固化为阶段式固化，首先升温至85℃，保温55min；升温至130℃，保温75min；升温至220℃，保温115min，之后随炉降温至室温(25℃)。
实施例5
(1)准备安装基底因瓦合金，并对安装基底进行预处理；
预处理操作具体包括如下步骤：
(I)使用300目的砂纸对安装基底打磨成与轴线成45°角的交叉细纹；打磨的面积为应变式光纤传感器面积的3.5倍；
(II)依次使用脱脂棉蘸取丙酮和无水乙醇对步骤(I)中的安装基底进行擦拭，直至脱脂棉上无污渍为止；
(III)将步骤(II)中的安装基底依次进行红外加热烘干和划线定位处理，得到预处理后的安装基底；
(2)将应变式光纤传感器使用胶水预先固定到预处理后的安装基底的划线定位位置；
(3)将85wt％的ZrV2O7粉末(粒径为3μm)、10wt％的环氧树脂胶水和5wt％的无水乙醇配制得到安装胶水，将配制的安装胶水均匀涂覆(厚度为0.4mm)至应变式光纤传感器表面后，将其放置于高温炉中进行加热固化；其中，加热固化为阶段式固化，首先升温至90℃，保温40min；升温至130℃，保温60min；升温至200℃，保温120min，之后随炉降温至室温(25℃)。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同，不同之处：步骤(3)中的安装胶水仅采用环氧树脂胶水。
对比例2
对比例2与实施例1基本相同，不同之处在于：将步骤(1)中的安装基底替换为F141材料。
对比例3
对比例3与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(1)中的安装基底为F141材料，步骤(3)中的安装胶水为环氧树脂胶水。
采用实施例1至5和对比例1至3中的安装方法对应变式光纤传感器进行安装，将安装后的光纤应变计置于高温炉中，进行应变计的温度系数测试，得到光纤传感器的温度系数，测试结果如表1所示。
表1
实施例 温度系数(pm/℃) 测试温度范围
实施例1 5.7 30℃～100℃
实施例2 12.3 30℃～100℃
实施例3 6.9 300℃～400℃
实施例4 6.0 30℃～100℃
实施例5 5.4 100℃～200℃
对比例1 46.5 30℃～100℃
对比例2 62.5 30℃～100℃
对比例3 88 30℃～100℃
由表1可知，采用本发明实施例中的安装胶水和安装基底安装的光纤传感器的温度系数为5.4～12.3pm/℃，光纤传感器的应变测量精度高；而在对比例3中，采用传统的基底材料F141进行安装的光纤传感器的温度系数为88pm/℃，其测量精度较差，与实施例1至3中的光纤传感器的温度系数相差10倍左右；而在对比例1至2中，采用其他安装基底或安装胶水进行安装的光纤传感器，其温度系数均会显著增加，光纤传感器的应变测量精度较差。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例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同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。本发明未详细说明部分为本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.一种安装胶水，其特征在于：包括金属盐粉末、环氧树脂胶水和无水乙醇。
2.根据权利要求1所述的安装胶水，其特征在于：所述金属盐粉末为ZrW2O8粉末、ThP2O7粉末、HiW2O8粉末或ZrV2O7粉末中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的安装胶水，其特征在于：所述金属盐粉末为ZrW2O8粉末。
4.根据权利要求1所述的安装胶水，其特征在于：所述金属盐粉末的含量为70～90wt％，所述环氧树脂胶水的含量为10～30wt％，所述无水乙醇的含量为0～10wt％。
5.根据权利要求4所述的安装胶水，其特征在于：所述金属盐粉末的粒径为1～3μm。
6.根据权利要求1至5中任一所述的安装胶水在光纤传感器中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述光纤传感器为应变式光纤传感器，所述应变式光纤传感器通过如下安装步骤得到：
(1)准备安装基底，并对安装基底进行预处理；其中，所述安装基底为因瓦合金；
(2)将应变式光纤传感器预先固定到所述预处理后的安装基底上；
(3)将安装胶水涂覆至所述应变式光纤传感器表面后，对其进行加热固化。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，在步骤(1)中：
所述预处理具体包括如下步骤：
(I)使用200～400目的砂纸对所述安装基底进行打磨；其中，所述打磨的面积为所述应变式光纤传感器的面积的3～5倍；
(II)依次采用丙酮和无水乙醇对所述步骤(I)中安装基底进行擦拭；
(III)将所述步骤(II)中的安装基底依次进行烘干和划线定位处理，得到预处理后的安装基底。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，在步骤(3)中：所述涂覆的厚度为0.3～0.5mm。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，在步骤(3)中：
所述加热固化的方式为阶段式固化；第一阶段的固化温度为70～90℃，保温时间为40～60min；第二阶段的固化温度为120～130℃，保温时间为60～80min；第三阶段固化温度为200～220℃，保温时间为100～120min。
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