CN220829242U - 一种光纤温湿度传感器封装结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种光纤温湿度传感器封装结构。所述封装结构的金属探头包括两端敞开的中空金属套管和位于金属套管内的光纤光栅，在金属套管内设有固定基座，所述光纤光栅安装在固定基座上，并在其外部套设有防尘网，所述金属套管套设在防尘网外部，在金属套管的管壁上开设有多个透气孔，在金属套管的两敞口端分别设有封堵头，所述固定基座的两端分别与两封堵头连接，所述光纤光栅两端的输出光纤分别穿过封堵头伸出金属套管，并封装在两端的金属铠管内。本实用新型的金属探头可有效保护光纤，又具有透气性强，对温湿度的感应更加灵敏，温湿度敏感单元不易弯、不易折、不易受其他因素影响，整体抗弯性能好、使用寿命长，可适用多种恶劣工业环境。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感领域，具体涉及一种具有透气性良好、方便维护、过滤性好、使用寿命长、外形美观、便于安装等优良特点的光纤温湿度传感器封装结构。
背景技术
随着信息技术和工业技术的不断发展，石化行业、化工行业、武器炸药存储、电力行业、土木工程等对用以监测环境湿度的湿度传感器的要求越来越高。在石油、化工、武器炸药等危险品存储环境中，环境易燃易爆的特性要求湿度传感器必须符合苛刻的电气要求，在核电厂、电力工业等强电磁干扰环境中，传统的湿度传感器易受电磁干扰而导致湿度测定的可靠性无法得到保障，用于建筑物墙体内部湿度监测的湿度传感器，不仅要求具备分布式测量能力、长期稳定性好，还要求结构轻巧、便于安装、机械性能良好。而现有的温湿度传感器一般存在封装简单、对于湿度敏感单元保护较弱导致机械性能较差，传感器使用率低等问题；或者封装保护性好，但是不易安装或体积较大、响应速度慢、灵敏度低、使用不便等性能缺陷。
发明内容
针对现有技术缺陷，本实用新型提供了一种光纤光栅温湿度传感器封装结构，该封装结构体积轻巧、结构紧凑，可适用多种环境，并方便安装固定，能实现高精度的环境温湿度实时监测。
为了解决上述问题，本实用新型提供了一种光纤温湿度传感器封装结构，所述封装结构包括中部的金属探头和对称设置在金属探头两端部的金属铠管，在两金属铠管的端部设有光纤跳线头；所述金属探头包括两端敞开的中空金属套管和位于金属套管内的光纤光栅，在金属套管内设有固定基座，所述光纤光栅安装在固定基座上，并在安装有光纤光栅的固定基座外套设有防尘网，所述金属套管套设在防尘网外部，在金属套管的管壁上开设有多个透气孔，在金属套管的两敞口端分别设有封堵头，所述固定基座的两端分别与两封堵头连接，所述光纤光栅的光纤两端别穿过封堵头伸出金属套管，并封装在两端的金属铠管内，且每端输出光纤与对应侧的光纤跳线头连接。
本实用新型较优的技术方案：所述固定基座的两端高度大于中部高度，并在两端较高面上分别开设有光纤安装槽，所述光纤光栅两端对应嵌设在两光纤安装槽内，其中部向下弯曲，且不接触固定基座的较低面。
本实用新型较优的技术方案：所述光纤光栅为双栅结构，分别为温度栅和湿度栅，温度栅采用磁控溅射镀膜技术进行镀钛膜，湿度栅采用提拉镀膜技术进行湿敏薄膜涂敷。
本实用新型较优的技术方案：所述固定基座的两端分别与封堵头螺纹连接，所述封堵头为金属封堵头，每个封堵头与金属套管螺纹连接。
本实用新型较优的技术方案：所述金属套管最大外径为10mm，长度为80～100mm。
本实用新型较优的技术方案：所述光纤光栅的光纤采用石英光纤、蓝宝石光纤、YAG晶体光纤、光子晶体光纤中的任意一种；所述光纤光栅的温湿度敏感元件采用准分子激光器刻制的光纤光栅中的一种微纳加工结构，各零部件采用螺纹连接、玻璃珠焊接或者高温胶粘接。
本实用新型中涂有湿敏膜的光纤光栅栅区置于固定基座中间位置，通过固定基座可保证封装完的光纤光栅能处于无应力的状态工作，使光纤光栅微微向下弯曲但不触底；所述防尘保护网设置在固定基座外部，整体安装在探头金属外壳内；所述金属铠管与金属探头外壳两端用金属堵头固定连接，制作两端金属跳线头，传感器通过两端金属跳线头能够通过光纤法兰进行串行布置，可实现分布式测量；所述尾纤段采用无熔点连接方式，所有元器件均选用耐温超过300℃的材质。
本实用新型的光纤光栅为双栅结构，分别为温度栅和湿度栅，温度栅采用磁控溅射镀膜技术进行镀钛膜工艺，保护温度栅不受湿度(水汽)干扰，湿度栅采用提拉镀膜技术进行湿敏薄膜涂敷。本实用新型中湿敏材料为聚酰亚胺高分子材料，在光栅栅区涂覆聚酰亚胺，当环境中的相对湿度发生变化时，即聚酰亚胺吸收或释放空气中的水分子，从而对光栅产生应力作用，对栅区进行拉伸或压缩从而改变光栅周期，产生反射光中心波长的漂移，大量研究已表明：镀有聚酰亚胺(PI)薄膜的光纤光栅的反射峰位置漂移量与湿度呈线性关系。本实用新型对光纤余量进行严格验证，确保消除温度变化带来的金属与光纤之间的膨胀量误差，提高温湿度传感器的测量精度及性能。
本实用新型的有益效果：
(1)本实用新型的金属探头的测温/湿探头金属外壳为两端设有开口的中空多孔金属管，该金属探头设计为中空多孔金属管既因为圆柱状抗弯性能强，可有效保护基座及光纤，又在于其透气性强，辅以防尘网可形成双重透气防灰尘保护，对温湿度的感应更加灵敏；中空多孔金属管和防尘网双重保护，温湿度敏感单元不易弯、不易折、不易受其他因素影响，只对温度和湿度传感。
(2)本实用新型相比与传统湿度传感器相比缩小了传感器封装件的尺寸，外表美观、透气性强，灵敏性高，便于安装，且便于组网，抗弯性能好、使用寿命长，可适用多种恶劣工业环境。
(3)本实用新型的固定基座结构的设计满足了光纤光栅的无应力工作状态，即双栅仅受温度和湿度影响，且双栅结构的设计可以对湿度栅进行一定的温度补偿，使其测湿结果更精确；尾纤段采用特氟龙白管和金属软装铠管双重封装，保护光纤在恶劣的使用环境中不易折且耐高温，使用寿命长；长度可定制，便于形成测温测湿组网，进行分布式测量。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型金属探头内部示意图；
图3是本实用新型光纤光栅安装示意图；
图4是本实用新型金属套管结构示意图；
图5是本实用新型防尘网结构示意图。
图中：1—光纤跳线头，2—金属铠管，3—封堵头，4—金属套管，5—光纤光栅，6—防尘网，7—固定基座，700—光纤安装槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。附图1至图5均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本实用新型实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本实用新型的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
实施例提供了一种光纤温湿度传感器封装结构，如图1至图5所示，所包括中部的金属探头和对称设置在金属探头两端部的金属铠管2，在两金属铠管2的端部设有光纤跳线头1；所述金属探头包括两端敞开的中空金属套管4和位于金属套管4内的光纤光栅5，所述金属套管4最大外径为10mm，长度为80～100mm。在金属套管4内设有固定基座7，所述固定基座7的两端高度大于中部高度，并在两端较高面上分别开设有光纤安装槽，所述光纤光栅5安装在固定基座7上，其两端对应嵌设在两光纤安装槽700内，其中部向下弯曲，且不接触固定基座7的较低面。并在安装有光纤光栅5的固定基座7外套设有防尘网6，所述防尘网6为直径小于金属套管4内径的圆筒状金属网，所述金属套管4套设在防尘网6外部，在金属套管4的管壁上均匀开设有多个透气孔700，在金属套管4的两敞口端分别设有封堵头3，所述固定基座7的两端分别与封堵头3螺纹连接，所述封堵头3为金属封堵头，每个封堵头3与金属套管4螺纹连接。
实施例提供了一种光纤温湿度传感器封装结构，所述光纤光栅5为双栅结构，分别为温度栅和湿度栅，温度栅采用磁控溅射镀膜技术进行镀钛膜，湿度栅采用提拉镀膜技术进行湿敏薄膜涂敷。所述光纤光栅5的光纤采用石英光纤、蓝宝石光纤、YAG晶体光纤、光子晶体光纤中的任意一种；所述光纤光栅5的温湿度敏感元件采用准分子激光器刻制的光纤光栅中的一种微纳加工结构，各零部件采用螺纹连接、玻璃珠焊接或者高温胶粘接。所述光纤光栅5两端的输出光纤分别穿过封堵头3伸出金属套管4，并封装在两端的金属铠管2内，且每端输出光纤与对应侧的光纤跳线头1连接。
实施例中光纤温湿度传感器封装结构的封装件金属测温测湿探头，最大外径为10mm，内径8mm，长度为80mm，为两端设有开口及内螺纹的中空多孔金属管，第一个孔距端头23.75mm孔径3mm，每孔之间间隔5mm，4侧开孔，每侧8孔，共计32孔。该金属探头设计为中空多孔金属管目的其一在于圆柱状抗弯性能强，可有效保护基座及光纤，目的其二在于透气性强，辅以防尘网形成双重透气防灰尘保护，对温湿度的感应更加灵敏。实施例中的封堵头3外径为8.6mm，内径1为2.85mm，长5mm，内径2为6mm，长5mm，设有外螺纹，一侧穿入金属铠管，一侧与多孔金属管点胶并螺旋固定。实施例中的固定基座7长80mm，为两端开孔的圆柱形，两端分为三个阶段设计，第一阶段长5mm，外径6mm，内径2.8mm，端口与金属铠管固定。第二阶段长5mm，外径6mm，内径2.8mm，并在下方开有长为5mm、直径为1mm的半圆槽，第三阶段外径6mm，高2mm且在上方开有长为5mm、直径为1mm的半圆槽，基座底部长50mm，宽4.5mm。
实施例中光纤温湿度传感器封装结构的光纤光栅在基座中封装的状态，由于金属的热膨胀系数高于石英光纤的热膨胀系数，在相同的温度变化中金属的膨胀量高于光纤的膨胀量，从而拉长光纤，使光纤处于绷直状态，从而对光纤造成应力，光纤波长发生偏移，测量结果偏差过大。针对上述问题进行光纤余量验证，经计算可得光纤弯曲高度h应符合1.3mm<h<2mm，1.3mm为光纤弯曲临界值，2mm为所开半圆槽高度。
计算过程如下：
经资料显示，在0～100℃区间内，304不锈钢金属的热膨胀系数α1为17.2×10-6mm/mm·℃，石英光纤的热膨胀系数α2为0.55×10-6mm/mm·℃，ΔT为温度变化量，r为半径，h为弯曲高度，设ΔL1为理论计算上不锈钢金属与石英光纤的热膨胀量之差，ΔL2为当弯曲高度为h时的实际热膨胀量之差，设β＝2θ，其中β为扇形圆心角，基座长度L＝50mm。
ΔL1＝(α1-α2)·L·ΔT＝(17.2-0.55)×10-6×50×100＝0.08325mm
①当h＝1mm时，由(r-1)2+12＝r2可得r＝313mm
由反正弦函数可知:
由扇形弧长公式可得：
即ΔL2<ΔL1
因此当弯曲高度为1mm时，在0～100℃的温度变化范围内其实际热膨胀量之差小于理论数值，在温度升高过程中，光纤会被逐渐拉直，从而对光纤光栅产生应力，影响温湿度传感器性能。
②同理可得，当h＝1.5mm时，由(r-1.5)2+1.52＝r2可得r＝209.0833mm
即ΔL2>ΔL1
当弯曲高度为1.5mm时，在0～100℃的温度变化范围内其实际热膨胀量之差大于理论数值，符合要求。
本实用新型在封装光纤光栅时，应将等长特氟龙白管自基座两侧半圆槽处穿入2mm，将光纤光栅取出，在温度栅左侧及湿度栅右侧2mm处使用刀片剥除3mm涂覆层，穿入两侧特氟龙白管。左侧采用环氧树脂胶通过高温固定，随后将右侧光纤向内挤压，使光纤向内轻微弯曲但不触底，弯曲高度在1.3mm<h<2mm区间内，保持该状态，右侧点胶并固定在基座上，封装完成。
本实用新型与传统湿度传感器相比，缩小了传感器封装件的尺寸，基座的长度以及光纤的弯曲程度均经过严格的公式计算，结果可靠，且便于组网，测湿测温量程大、精度高，抗弯性能好、使用寿命长，可适用多种恶劣工业环境。
本实用新型具体进行温湿度监测时：将采用本实用新型一端通过跳线接入光纤光栅解调仪的通道，传感器整体置于高温高湿设备内进行温度和湿度标定，得到温湿度灵敏度系数。在使用时需将合乎要求的系数导入软件中，即可得到对应的温湿度实时数值，目前经过测试，本实用新型所涉及的温湿度传感器其温度偏差在1℃内，湿度偏差在2％RH内。
以上所述，只是本实用新型的一个实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种光纤温湿度传感器封装结构，其特征在于：所述封装结构包括中部的金属探头和对称设置在金属探头两端部的金属铠管(2)，在两金属铠管(2)的端部设有光纤跳线头(1)；所述金属探头包括两端敞开的中空金属套管(4)和位于金属套管(4)内的光纤光栅(5)，在金属套管(4)内设有固定基座(7)，所述光纤光栅(5)安装在固定基座(7)上，并在安装有光纤光栅(5)的固定基座(7)外套设有防尘网(6)，所述金属套管(4)套设在防尘网(6)外部，在金属套管(4)的管壁上开设有多个透气孔，在金属套管(4)的两敞口端分别设有封堵头(3)，所述固定基座(7)的两端分别与两封堵头(3)连接，所述光纤光栅(5)的光纤两端分别穿过封堵头(3)伸出金属套管(4)，并封装在两端的金属铠管(2)内，且每端输出光纤与对应侧的光纤跳线头(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种光纤温湿度传感器封装结构，其特征在于：所述固定基座(7)的两端高度大于中部高度，并在两端较高面上分别开设有光纤安装槽，所述光纤光栅(5)两端对应嵌设在两光纤安装槽(700)内，其中部向下弯曲，且不接触固定基座(7)的较低面。
3.根据权利要求1所述的一种光纤温湿度传感器封装结构，其特征在于：所述光纤光栅(5)为双栅结构，分别为温度栅和湿度栅，温度栅采用磁控溅射镀膜技术进行镀钛膜，湿度栅采用提拉镀膜技术进行湿敏薄膜涂敷。
4.根据权利要求1或2所述的一种光纤温湿度传感器封装结构，其特征在于：所述固定基座(7)的两端分别与封堵头(3)螺纹连接，所述封堵头(3)为金属封堵头，每个封堵头(3)与金属套管(4)螺纹连接。
5.根据权利要求1或2所述的一种光纤温湿度传感器封装结构，其特征在于：所述金属套管(4)最大外径为10mm，长度为80～100mm。
6.根据权利要求1或2所述的一种光纤温湿度传感器封装结构，其特征在于：所述光纤光栅(5)的光纤采用石英光纤、蓝宝石光纤、YAG晶体光纤、光子晶体光纤中的任意一种；所述光纤光栅(5)的温湿度敏感元件采用准分子激光器刻制的光纤光栅中的一种微纳加工结构，各零部件采用螺纹连接、玻璃珠焊接或者高温胶粘接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |