通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器及其製作和使用方法
2024-01-24 04:15:15 1
專利名稱：通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器及其製作和使用方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器，尤其涉及一種通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器及其製作和使用方法。
背景技術：
光纖光柵是一種製作在光纖纖芯中的具有窄帶反射特性的光學濾波器件，具有對溫度和應力敏感的特性，其反射譜中心波長會隨著光纖光柵所受應力和溫度的變化而改變，因此可以通過測量其反射譜中心波長的變化確定所感知的溫度和應力。利用這一特性可以測量許多物理量，如應變、應力、溫度、振動、壓力、電參量以及某些化學量等。
和傳統的測量手段相比，光纖光柵傳感具有許多優點，如體積小、精度高、頻帶寬、可實現分布式測量、耐腐蝕、不受電磁幹擾、壽命長、信號衰減小、穩定性好等，在傳感技術領域受到廣泛的關注，被應用於航空航天、土木工程、電力工業、石化工業、生物醫學工程等許多領域。
由於光纖光柵直接製作在去掉塗敷層的單模石英光纖內部，因此，用於檢測未知物理量的敏感光柵和用於信號傳輸的傳輸光纖實際上是同一根光纖，即二者是一體的。同時，由於單模石英光纖的外徑只有125微米，因此光纖光柵的抗剪切能力很差，非常容易折斷。這就要求光纖光柵在工程現場使用時必須有良好的保護，並且不能由一般的工程技術人員操作，而必須由受過長期專業訓練的技術人員利用特殊的設備才可以實現。這些情況大大的增加了光纖光柵的使用成本，極大的限制了光纖光柵的適用範圍，在很大程度上抵消了光纖光柵傳感的優勢，嚴重阻礙了光纖光柵在傳感技術領域的推廣應用。為此，設計一種結構簡單，易於施工，同時能夠在不改變光纖光柵傳感特性的前提下對其進行有效保護的預製結構，保證光纖光柵傳感器在工業現場環境中能夠為一般工程技術人員使用，同時具有符合工程要求的穩定性、可靠性、易用性和安全性是十分必要的。
目前存在的光纖光柵傳感結構很多，但都建立在敏感光柵與傳輸光纖一體的基礎上，結構複雜，體積較大，難以解決溫度與應力交叉敏感的問題，不能充分發揮光纖傳感技術的優勢。而且不易保護，難於施工，嚴重阻礙了光纖光柵在工程領域的推廣。具體表現為(1)目前存在的光纖光柵傳感結構採用手工封裝，重複性差，生產效率低，穩定性、可靠性和實用性難以達到工程要求，在實際使用中存在著成本高、易故障、難維護的技術缺陷。而且直接面向最終用戶，針對特定工程項目設計，不具有普適性，難於推廣。
(2)目前存在的光纖光柵傳感結構是一體化的，也即傳感用的敏感光柵與傳輸信號用的傳輸光纖是同一根光纖，人為增大了傳感器件的尺度，增加了對傳感器進行保護的難度，在實際使用中存在著結構複雜、不便安裝的技術缺陷。
(3)目前存在的光纖光柵傳感結構採用電弧放電方法連接，必須由光學專業人員利用昂貴的焊接設備操作，一般工程測試專業人員難以使用。這種連接方式極大的限制了光纖光柵在傳感領域的應用，與目前工程測試專業人員對光纖傳感技術的大量需求相矛盾。同時也增加了現場施工的難度，為光纖光柵傳感器在現場的安裝和日常維護帶來極大的不便。
發明內容
本發明的目的就是為了解決目前光纖傳感器通用性差，安裝過程困難等問題，提供一種面向工程測試專業人員使用的結構合理、連接方便、易於安裝、便於維護、能夠適用於多種工程測量條件的通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器及其製作和使用方法。
為實現上述目的，本發明採用如下技術方案一種通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器，它包括帶有光纖光柵和敏感體基底的敏感體，它還有至少一個與敏感體相互插接的連接體，該連接體包括傳輸光纖、連接體基底，其中光纖光柵與傳輸光纖在敏感體和連接體插接後連接，傳輸光纖和光纖光柵相連接處的端面為平面和/或曲面。
所述連接體還包括連接體蓋層和連接體保護層。
所述光纖光柵還包括敏感體蓋層。
所述連接體和敏感體為片狀，敏感體插入連接體內組成內插式連接；或連接體插入敏感體內組成外插式連接。
所述連接體和敏感體為柱狀，敏感體插入連接體內組成內插式連接或敏感體插入連接體內組成外插式連接。
所述曲面為凸面或凹面。
一種通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器的製作方法，首先，製作連接體以浸膠紙或膠膜為材料，用機械方法獲得所需尺寸的長方體，然後在其下表面開一個深度為0.1～0.2mm的方形或V型淺槽或按所需尺寸確定，並用機械方法在長方體中間加工一個符合預定工藝要求的方形通孔，得到連接體蓋層；選擇一端帶有光纖連接器的單模光纖作為傳輸光纖，將不帶連接器的那段光纖的護套和塗覆層剝掉，得到預定長度的裸光纖，清洗後備用；將粘結劑均勻塗於方形或V型淺槽中，放入清洗好的裸光纖，然後覆蓋一層浸膠紙或膠膜作為連接體基底，並壓實、粘牢；最後，在相對的表面上粘貼用膠塊或金屬製作的保護層，並利用光學加工方法把傳輸光纖端面加工成符合預定要求的平面或凹面形狀，完成連接體的製作；其次，製作敏感體以同樣的浸膠紙或膠膜為材料，用機械方法獲得與連接體方孔幾何尺寸相匹配的長方體，然後在其下表面，位置與連接體開槽位置相同處，開一個與連接體淺槽相同深度的方形或V型淺槽，得到敏感體蓋層；選擇製作好的光纖光柵，切除傳輸光纖部分，得到敏感光柵；將粘結劑均勻塗於方形或V型淺槽中，放入製備好的敏感光柵，然後覆蓋一層浸膠紙作為敏感體基底，並壓實、粘牢；最後，利用光學加工方法把敏感光柵端面加工成符合預定要求的平面或凹面，完成敏感體的製作。
一種通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器的製作方法，首先，製作連接體以浸膠紙或膠膜為基體，用機械方法獲得所需尺寸的圓柱體，然後在其軸線位置開一個直徑為0.13～0.15mm的圓孔；選擇一端帶有光纖連接器的單模光纖作為傳輸光纖，將不帶連接器的那段光纖的護套和塗覆層剝掉，得到預定長度的裸光纖，清洗後備用；將製備好的傳輸光纖穿入圓孔內，並在圓孔兩端將傳輸光纖粘牢；最後，用光學加工方法把傳輸光纖端面加工成符合預定要求的平面或曲面，即凸面或凹面形狀，完成連接體的製作；其次，製作敏感體以同樣的浸膠紙或膠膜為基底，用機械方法獲得與連接體所開圓孔幾何尺寸相匹配的圓柱體，然後在軸線位置，位置與連接體開孔位置相同處，開一個同樣直徑的圓形通孔，得到敏感體基底；選擇製作好的光纖光柵，切除傳輸光纖部分，得到敏感光柵；將敏感光柵傳入圓孔內，並在圓孔兩端將其粘牢；最後，利用光學加工方法把敏感光柵端面加工成符合預定要求的平面或曲面(凹面或凸面)，完成敏感體的製作。
一種通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器的使用方法，使用時首先要把被測表面清理乾淨，然後將粘結劑均勻塗在敏感體基底上，並把敏感體粘貼在被測表面；最後在敏感體的上表面均勻塗膠，並把連接體插接在敏感體上，對齊、粘牢後即可。
一種通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器的使用方法，使用時首先要利用夾具把敏感體與被測物體固定在一起，也可以把敏感體粘貼在被測物體表面上，然後在敏感體的外表面均勻塗膠，並把連接體插接在敏感體上，對齊、粘牢後即可。
本發明包括敏感體和連接體兩個主要組成部分，可以採用相同的材料製作，也可以採用不同的材料製作，彼此之間通過機械插接的方式連接在一起，並輔以化學粘貼的方式保證兩者緊密地結合成一個整體。具體結構表述如下●敏感體敏感體呈規則的片狀或柱狀，主要目的是將外界被測物理量轉換為光信號的變化。它包括光纖光柵、基底和蓋層三個組成部分，連接處的光纖光柵端面加工成平面或曲面(凸面或凹面)形狀，即可以一端連接，也可以兩端連接。具體介紹如下■光纖光柵 利用去掉塗敷層的單模石英光纖製作，只保留對壓力或溫度敏感的敏感光柵部分，其餘部分(傳輸光纖部分)則儘可能切除。切割後的端面可以根據需要加工成平面或曲面(凸面或凹面)以保證光線的無損傳輸。
■基底 採用浸膠紙或膠膜製作，也可以根據測量條件採用其他材料(如金屬薄膜)製作。
■蓋層 採用浸膠紙或膠膜製作，也可以根據測量條件採用其他材料(如金屬薄膜)製作。一般與基底材料相同。
●連接體連接體呈規則的片狀或柱狀，中間開孔(方孔或圓孔)，主要目的是連接敏感體與檢測裝置，實現信號的傳輸。連接體包括傳輸光纖、基底、蓋層和保護層四個組成部分，連接處的傳輸光纖端面加工成平面或曲面(凸面或凹面)形狀，以內插的方式與敏感體連接；也可以外插的方式與敏感體連接，具體介紹如下■傳輸光纖 利用普通的一端帶光纖連接器的單模石英光纖製作。不帶連接器的一端去掉護套和塗敷層作為傳輸光纖，並且根據需要把端面加工成平面或曲面(凸面或凹面)以保證光線的無損傳輸。
■基底 採用浸膠紙或膠膜製作，也可以根據測量條件採用其他材料(如金屬薄膜)製作。
■蓋層 採用浸膠紙或膠膜製作，也可以根據測量條件採用其他材料(如金屬薄膜)製作。一般與基底材料相同。
■保護層 根據測量條件採用膠膜或其他材料(如金屬薄膜)製作。
與現有技術相比，本發明主要具有以下優點(1)結構簡單，增強了光纖光柵的抗剪切能力，易於通過工程手段解決應力與溫度的交叉敏感問題。
(2)分體式結構加工簡單，粘貼方便，使用靈活，既利於保護光纖光柵，又易於工程測試人員安裝維護。
(3)插接式連接操作簡單，連接可靠，利於工程測試人員使用，能夠極大地推動光纖光柵傳感在各領域的使用。
(4)通用型結構便於機械加工，成本低廉，既利於產業化生產，又可以提高光纖光柵傳感的穩定性和重複性。
(5)可以根據實際情況選擇單端或雙端連接方式，既易實現單點測量，也易構成分布式傳感網絡。
圖1為片狀分體內插接式光纖光柵傳感結構剖面圖；圖2為片狀分體外插接式光纖光柵傳感結構剖面圖；圖3為柱狀分體內插接式光纖光柵傳感結構剖面圖；圖4為柱狀分體外插接式光纖光柵傳感結構剖面圖；其中，1.敏感體，11.光纖光柵，12.敏感體基底，13.敏感體蓋層，2.連接體，21.傳輸光纖，22.連接體基底，23.連接體蓋層，24.連接體保護層，3.端面。
具體實施方案實施例1片狀分體插接式光纖光柵傳感結構，如圖1，圖2所示。
以浸膠紙為材料，用機械方法獲得所需尺寸的長方體連接體2，然後在其下表面開一個深度為0.1～0.2mm的方形或V型淺槽(具體尺寸根據需要選擇)，並用機械方法在長方體中間加工一個符合預定工藝要求的方形通孔，得到連接體蓋層23。選擇一端帶有光纖連接器的單模光纖作為傳輸光纖21，將不帶連接器的那段光纖的護套和塗覆層剝掉，得到預定長度的裸光纖，清洗後備用。將粘結劑均勻塗於方形或V型淺槽中，放入清洗好的裸光纖，然後覆蓋一層浸膠紙作為連接體基底22，並壓實、粘牢。最後，在相對的表面上粘貼用膠塊或金屬製作的連接體保護層24，並利用光學加工方法把傳輸光纖21的端面3加工成符合預定要求的平面或凹面形狀，完成連接體2的製作。
以同樣的浸膠紙為材料，用機械方法獲得與連接體方孔幾何尺寸相匹配的長方體，然後在其下表面(具體位置與連接體開槽位置相同)開一個與連接體2淺槽相同深度的方形或V型淺槽，得到敏感體蓋層13。選擇製作好的光纖光柵11，切除傳輸光纖21部分，得到敏感光柵。將粘結劑均勻塗於方形或V型淺槽中，放入製備好的敏感光柵，然後覆蓋一層浸膠紙作為敏感體基底12，並壓實、粘牢。最後，利用光學加工方法把敏感光柵端面3加工成符合預定要求的平面或凹面，完成敏感體1的製作。
實際使用時，首先要把被測表面清理乾淨，然後將粘結劑均勻塗在敏感體基底12上，並把敏感體1粘貼在被測表面。最後在敏感體1的上表面均勻塗膠，並把連接體2插接在敏感體1上，對齊、粘牢後即可得到圖1所示的片狀分體插接式光纖光柵傳感結構。
在實施過程中，可以根據測量要求的不同選擇不同的基底材料和粘結劑，以得到不同的測量精度。也可以把連接體2插入敏感體1的內部而得到圖2所示的結構，它和圖1所示結構實質上是一樣的。
實施例2柱狀分體插接式光纖光柵傳感結構，如圖3，圖4所示。
以浸膠紙為連接體基底22，用機械方法獲得所需尺寸的圓柱體，然後在其軸線位置開一個直徑為0.13～0.15mm的圓孔。選擇一端帶有光纖連接器的單模光纖作為傳輸光纖21，將不帶連接器的那段光纖的護套和塗覆層剝掉，得到預定長度的裸光纖，清洗後備用。將製備好的傳輸光纖穿入圓孔內，並在圓孔兩端將傳輸光纖21粘牢。最後，用光學加工方法把傳輸光纖21的端面3加工成符合預定要求的平面或曲面(凸面或凹面)形狀，完成連接體2的製作。
以同樣的浸膠紙為基底，用機械方法獲得與連接體2所開圓孔幾何尺寸相匹配的圓柱體，然後在軸線位置(具體位置與連接體開孔位置相同)開一個同樣直徑的圓形通孔，得到敏感體基底12。選擇製作好的光纖光柵21，切除傳輸光纖部分，得到敏感光柵。將敏感光柵傳入圓孔內，並在圓孔兩端將其粘牢。最後，利用光學加工方法把敏感光柵端面3加工成符合預定要求的平面或曲面(凹面或凸面)，完成敏感體1的製作。
實際使用時，首先要利用夾具把敏感體1與被測物體固定在一起，然後在敏感體的外表面均勻塗膠，並把連接體插接在敏感體上，對齊、粘牢後即可得到圖3所示的柱狀分體插接式光纖光柵傳感結構。也可以把敏感體1粘貼在被測物體表面上。
在實施過程中，可以根據測量要求的不同選擇不同的基底材料和粘結劑，以得到不同的測量精度。也可以把連接體2插入敏感體1的內部而得到圖4所示的結構，它和圖3所示結構實質上是一樣的。
權利要求
1.一種通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器，它包括帶有傳輸光纖(21)和連接體基底(22)的連接體(2)，其特徵是它還有至少一個與連接體(2)相互插接的敏感體(1)，該敏感體(1)包括光纖光柵(11)、敏感體基底(12)，其中光纖光柵(11)與傳輸光纖(21)在敏感體(1)和連接體(2)插接後連接，傳輸光纖(21)和光纖光柵(11)相連接處的端面(3)為平面和/或曲面。
2.根據權利要求1所述的通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器，其特徵是所述連接體(2)還包括連接體蓋層(23)和連接體保護層(24)。
3.根據權利要求1所述的通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器，其特徵是所述光纖光柵(11)還包括敏感體蓋層(13)。
4.根據權利要求1或2或3所述的通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器，其特徵是所述連接體(2)和敏感體(1)為片狀，敏感體(1)插入連接體(2)內組成內插式連接；或連接體(2)插入敏感體(1)內組成外插式連接。
5.根據權利要求1或2或3所述的通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器，其特徵是所述連接體(2)和敏感體(1)為柱狀，敏感體(1)插入連接體(2)內組成內插式連接或敏感體(1)插入連接體(2)內組成外插式連接。
6.根據權利要求1所述的通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器，其特徵是所述曲面為凸面或凹面。
7.一種權利要求1所述通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器的製作方法，其特徵是首先，製作連接體以浸膠紙或膠膜為材料，用機械方法獲得所需尺寸的長方體，然後在其下表面開一個深度為0.1～0.2mm的方形或V型淺槽或按所需尺寸確定，並用機械方法在長方體中間加工一個符合預定工藝要求的方形通孔，得到連接體蓋層；選擇一端帶有光纖連接器的單模光纖作為傳輸光纖，將不帶連接器的那段光纖的護套和塗覆層剝掉，得到預定長度的裸光纖，清洗後備用；將粘結劑均勻塗於方形或V型淺槽中，放入清洗好的裸光纖，然後覆蓋一層浸膠紙或膠膜作為連接體基底，並壓實、粘牢；最後，在相對的表面上粘貼用膠塊或金屬製作的保護層，並利用光學加工方法把傳輸光纖端面加工成符合預定要求的平面或凹面形狀，完成連接體的製作；其次，製作敏感體以同樣的浸膠紙或膠膜為材料，用機械方法獲得與連接體方孔幾何尺寸相匹配的長方體，然後在其下表面，位置與連接體開槽位置相同處，開一個與連接體淺槽相同深度的方形或V型淺槽，得到敏感體蓋層；選擇製作好的光纖光柵，切除傳輸光纖部分，得到敏感光柵；將粘結劑均勻塗於方形或V型淺槽中，放入製備好的敏感光柵，然後覆蓋一層浸膠紙作為敏感體基底，並壓實、粘牢；最後，利用光學加工方法把敏感光柵端面加工成符合預定要求的平面或凹面，完成敏感體的製作。
8.一種權利要求1所述通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器的製作方法，其特徵是首先，製作連接體以浸膠紙或膠膜為基體，用機械方法獲得所需尺寸的圓柱體，然後在其軸線位置開一個直徑為0.13～0.15mm的圓孔；選擇一端帶有光纖連接器的單模光纖作為傳輸光纖，將不帶連接器的那段光纖的護套和塗覆層剝掉，得到預定長度的裸光纖，清洗後備用；將製備好的傳輸光纖穿入圓孔內，並在圓孔兩端將傳輸光纖粘牢；最後，用光學加工方法把傳輸光纖端面加工成符合預定要求的平面或曲面，即凸面或凹面形狀，完成連接體的製作；其次，製作敏感體以同樣的浸膠紙或膠膜為基底，用機械方法獲得與連接體所開圓孔幾何尺寸相匹配的圓柱體，然後在軸線位置，位置與連接體開孔位置相同處，開一個同樣直徑的圓形通孔，得到敏感體基底；選擇製作好的光纖光柵，切除傳輸光纖部分，得到敏感光柵；將敏感光柵傳入圓孔內，並在圓孔兩端將其粘牢；最後，利用光學加工方法把敏感光柵端面加工成符合預定要求的平面或曲面(凹面或凸面)，完成敏感體的製作。
9.一種權利要求1所述通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器的使用方法，其特徵是使用時首先要把被測表面清理乾淨，然後將粘結劑均勻塗在敏感體基底上，並把敏感體粘貼在被測表面；最後在敏感體的上表面均勻塗膠，並把連接體插接在敏感體上，對齊、粘牢後即可。
10.一種權利要求1所述通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器的使用方法，其特徵是使用時首先要利用夾具把敏感體與被測物體固定在一起，也可以把敏感體粘貼在被測物體表面上，然後在敏感體的外表面均勻塗膠，並把連接體插接在敏感體上，對齊、粘牢後即可。
全文摘要
本發明公開了一種通用型分體預製插接式光纖光柵傳感器及其製作和使用方法。它解決了目前光纖傳感器通用性差，安裝過程困難等問題，具有面向工程測試專業人員使用的結構合理、連接方便、易於安裝、便於維護、能夠適用於多種工程測量條件等優點，其結構為它包括帶有光纖光柵和敏感體基底的敏感體，它還有至少一個與敏感體相互插接的連接體，該連接體包括傳輸光纖、連接體基底，其中光纖光柵與傳輸光纖在敏感體和連接體插接後連接，傳輸光纖和光纖光柵相連接處的端面為平面和/或曲面。
文檔編號G01L1/24GK101021599SQ20071001376
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月8日 優先權日2007年3月8日
發明者李東升, 趙紅生, 賈磊, 隋青美, 陳祥力 申請人:山東大學