一种光纤光栅传感器的封装装置的制作方法

[0001]
本发明涉及光纤光栅传感器封装设备技术领域，尤其是涉及一种光纤光栅传感器的封装装置。


背景技术：

[0002]
随着我国经济的蓬勃发展，大量基础设施不断建设，大型结构件被广泛应用于电力、冶金、化工、石油和建筑等领域，在国民生产活动中发挥着极其重要的作用。我国现役的很多大型结构件在恶劣的自然环境中服役，长期经受风化、材料的老化等因素的影响，这对大型结构件的长期稳定工作形成了巨大的挑战。
[0003]
因此，通过对大型结构件关键构件的应变、振动等参量的监测，及时发现其在运行过程中的问题，提前对大型结构件的各个关键部件进行保养维护，保证大型结构件的安全运行，对国民生产活动的意义十分重大。通过关键监测参数的分析，及时了解大型结构件的运行状况，保证了工程的顺利安全进行，也对传感技术提出更高的要求。
[0004]
伴随着光纤通信技术的发展，光纤传感技术也得到了长足的进步，涌现出各种各样的光纤光栅传感器。光纤光栅传感器因其测量精度高、波长编码、易于组成分布式网络等诸多优点被广泛用在土木工程，电力冶金，航空航天等社会生活的各个方面。通过设计不同的封装结构，光纤光栅可以实现不同物理参量测试，如应变、温度、振动甚至电流、电压，这也开辟了光纤光栅广阔的应用空间。光纤光栅传感器迎合了当代监测市场需要低成本、高精度的要求，因其特有的优势成为传感器领域发展最快的技术之一，也在大型结构监测领域受到了广泛关注。
[0005]
其中，光纤布拉格光栅作为一种新型的无源光器件，其轴向应变、温度传感灵敏度很高，但由于裸纤质地硬脆、易于折断、易受外界换环境干扰，故需要对裸纤采取一定的处理措施，即对裸纤进行封装，以便更好地适用于实际工程的监测需要。
[0006]
一般情况下，普通单模光纤外径为125μm，其主要构成材料是sio2，结构由内向外依次是纤芯、包层和涂覆层。制作fbg时需要除去涂覆层，然后用紫外激光曝光，此时栅区特别脆弱，很容易折断，这给光纤光栅传感器的实用化带来很大的挑战。在实际工程的应用中，fbg传感器还会受到来自外界环境的影响，如碰撞、振动、湿气侵蚀等，这些因素都会对fbg应变传感器的测量造成不良影响，导致测量结果不准确，有的传感器甚至被毁坏，因此必须对fbg传感器进行必要的保护性封装，才能使fbg传感器适用于大型工程监测的恶劣环境。
[0007]
一些fbg传感器在传感测试期间，容受外界环境影响，温度和应变都会使bragg中心波长产生漂移，故需要采用一些特殊的封装方式，来消除测量环境变化因其的波长漂移。裸光纤光栅的应变、温度灵敏度比较低，为了便于波长信号的解调，此时需要对光纤光栅进行增敏封装。在某些情况下希望外界参量对光纤光栅中心波长影响变小，即提高其测试精度，或者扩大测试量程。此时就需要对光纤光栅进行减敏封装，降低它对外界参量的灵敏度。以上两种技术统称为光纤光栅的敏化技术，目前增敏技术应用比较广泛。
[0008]
温度、应变交叉敏感问题是工程上需要解决的另一个难题。温度、应变都会使光栅中心波长产生漂移，单纯分析中心波长的变化，很难区分造成波长漂移的原因究竟是温度变化，还是外界应力变化。要实现光纤光栅的实用化，就必须采取一定的封装技术，将温度、应变引起的波长漂移量区别开来。这样在测量应变的时候就不会被外界温度变化干扰，同样在需要测量温度的时候也不会被外界应变干扰。
[0009]
在实际大型结构健康监测工程应用中，根据工程需要采用不同的封装方式对光纤光栅传感器进行必要的封装处理，封装技术的好坏直接关系到了fbg传感器的测试性能和使用寿命，因此，设计不同的封装结构，探究不同封装结构对光纤光栅的性能影响在实际工程的应用中尤为重要。
[0010]
目前，光纤光栅传感器大都利用环氧树脂胶等进行封装与固定，主要封装方式有基片式封装、嵌入式封装和金属管封装等。在封装过程中，常需要对光纤光栅施加一定预应力，避免了啁啾现象，从而有利于传感器的稳定和良好的重复性。对于嵌入式封装或表面粘贴式光纤光栅的封装，其与被测物体表面之间的距离即中间层距离影响被测物理量的传递效率，有效控制中间层的厚度传感器的性能具有十分重要的意义。此外，高性能的固化胶多需要在一定的温度下进行固化，加热固化能够消除常温下固化的内部应力不均的情况，使封装之后的光纤光栅传感器具有更好的线性度；同时因为对胶体和光纤进行了热处理，在使用过程中光纤光栅传感器的温度稳定性能能够保持稳定。
[0011]
经过研究发现，现阶段采用胶粘剂封装的过程中，现有的封装操作装置进行封装的光纤光栅传感器；由于封装过程中；光纤光栅传感器的松弛和直线状态差异较短，或者传感器尺寸不统一，导致封装后的灵敏度差异较大；并且封装残次品的数量较多；因此需要研发一款能够有效的解决这类问题的封装装置。


技术实现要素：

[0012]
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种封装效果好的光纤光栅传感器的封装装置。
[0013]
本发明的技术方案是这样实现的：一种光纤光栅传感器的封装装置，其特征在于：包括底座和位于底座上的工作台，所述工作台的中部设有通孔，通孔内设有用于调节光纤光栅传感器中间层厚度的升降块；升降块的下部设有用于控制升降块升降的升降机构；在工作台的通孔两侧设有用于夹持光纤的模具，模具的中部设有露出所述通孔的腔体，模具的外侧设有夹紧机构；所述封装装置还设有用于将工作台盖住的加热顶盖，以及用于在封装完成后取出光纤光栅传感器的和模具的取模工具；
[0014]
所述模具的两侧分别设置有第一光纤支撑座和第二光纤支撑座；所述工作台上开设有横向滑道；所述工作台底部安装有用于驱动第一光纤支撑座和第二光纤支撑座的在横向滑道内滑动的驱动组件；所述第一光纤支撑座和第二光纤支撑座上均安装有导线夹。
[0015]
优选为：所述驱动组件包括安装在工作台底部的安装板、动力驱动机构、主动驱动机构和从动驱动机构；所述安装板上安装有第一滑动轨道；所述主动驱动机构和从动驱动机构均滑动设置在第一滑动轨道上；所述动力驱动机构固定安装在安装板上，其输出端与主动驱动机构固定连接，且用于控制主动驱动机构在第一滑动轨道上滑行；所述动力驱动机构通过传动机构与驱动从动驱动机构在第一滑动轨道上滑行。
[0016]
优选为：所述主动驱动机构包括滑动设置在第一滑动轨道上的第一滑动座、第一滑动板、和第一滑动爪；所述第一滑动板的背面与第一滑动座固定连接；所述第一滑动爪固定安装在第一滑动板的正面且通过螺栓与第一光纤支撑座固定连接；
[0017]
所述从动驱动机构包括滑动设置在第一滑动轨道上的第二滑动座、第二滑动板、和第二滑动爪；所述第二滑动板的背面与第二滑动座固定连接；所述第二滑动爪固定安装在第二滑动板的正面且通过螺栓与第二光纤支撑座固定连接；
[0018]
所述传动机构包括设置在第一滑动轨道正下方且与安装板固定连接的第二滑动轨道、第三滑动座、第三滑动板、拉伸滑块、下滑动齿条、上滑动齿条以及传动齿轮；所述第三滑动座滑动设置在第二滑动轨道上；所述第三滑动板的背面与第三滑动座固定连接；所述拉伸滑块的侧面固定安装在第三滑动板上；所述下滑动齿条安装在拉伸滑块的上端面；所述上滑动齿条固定安装在第二滑动板正下方；所述传动齿轮通过转动杆固定安装在安装板上；该传动齿轮与转动杆转动连接；且同时与下滑动齿条和上滑动齿条啮合。
[0019]
优选为：所述动力驱动机构包括驱动气缸、安装座和连接座；所述驱动气缸通过所述安装座安装在安装板上；驱动气缸的输出端通过所述连接座与第一滑动板和/或第一滑动座固定连接。
[0020]
优选为：还包括位移检测装置；所述位移检测装置包括光电发射接收装置和至少一个反射装置以及数据接收面板；所述光电发射接收装置包括与数据接收面板电连接的主控单元、至少一个激光器、至少一个位置敏感元件；其中所述反射装置、激光器以及位置敏感元件的数量相等；且每个反射装置对应一个激光器和一个位置敏感元件；
[0021]
所述激光器和敏感元件均安装第二滑动板朝向第一滑动板一端面上；所述主控单元安装在所述安装板上；所述数据接收面板通过安装支架安装在底座上；所述反射装置包括直角棱镜，该直角棱镜安装在第一滑动板朝向第二滑动板一端面上；
[0022]
所述激光器配置成使其发射的激光能够照射到其所对应的所述直角棱镜上，所述位置敏感元件被安装成能够接收其所对应的所述直角棱镜反射的激光，所述主控电路配置成控制所述激光器的发射且接收来自所述位置敏感元件的位移信号且对所述位移信号进行处理以产生所述直角棱镜相对于所述光电发射接收装置的位移检测结果；
[0023]
所述直角棱镜安装成使其斜边沿待检测位移所在的方向。
[0024]
优选为：所述模具由两片结构对称的凹型模具片平和而成，凹型模具片的中部设置有横向的光纤凹槽，凹形模具片的顶部设有楔形孔；两片凹形模具片的凹部构成所述的腔体，两片凹形模具片的横向的光纤凹槽构成供光纤穿过的光纤通孔，两片凹形模具片的楔形孔与所述的取模工具匹配。
[0025]
优选为：所述取模工具包括上下设置的活动压板和固定压板，以及穿过固定压板与活动压板固定连接的楔形杆，活动压板与固定压板之间的楔形杆上套设有弹簧，且所述楔形杆底部的形状与所述两片凹型模具片的楔形孔相匹配。
[0026]
优选为：所述升降机构包括依次连接的调节杆、主动锥齿轮、从动锥齿轮和升降螺杆，其中升降螺杆的末端与升降块底部连接；所述的调节杆从所述的底座侧向伸出。
[0027]
优选为：所述夹紧机构包括设置在工作台上的两个滑块，滑块的底部连接有夹紧弹簧，夹紧弹簧套在导杆中；所述的工作台上设置有与所述通孔相互垂直的槽体，所述的导杆和夹紧弹簧设置在槽体中；且导杆的两端与工作台固定连接。
[0028]
优选为：所述的加热顶盖包括与工作台铰接的盖体；所述盖体中设置有电阻丝和温度传感器。
[0029]
与现有技术相比较，本发明带来的有益效果为：
[0030]
1、通过采用升降块来控制中间层厚度，采用有腔体的模具和加热顶盖的配合，受热均匀和恒定，封装材料的大小恒定，利用该装置封装的传感器具有统一的尺寸外形，从而使光纤光栅传感器的封装更标准更规范；所制作的传感器与待测物体相互独立，实现传感器的重复利用；还可对传感器进行标定后使用，提高使用精度；
[0031]
2、通过设置有驱动组件，在进行光纤光栅传感器封装的过程中，可以驱动组件将光纤光栅传感的两光纤由两端向外拉直，确保封装过程中光纤光栅传感器不存在弯曲、松弛拉胯的现象；提高光纤光栅传感器的封装质量；确保光纤光栅传感器的灵敏度偏差在合格的质量区间内。
附图说明
[0032]
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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]
图1为本发明具体实施方式结构示意图；
[0034]
图2为凹形模具片的结构示意图；
[0035]
图3为取模工具的结构示意图；
[0036]
图4为升降机构的结构示意图；
[0037]
图5为夹紧机构的结构示意图；
[0038]
图6为驱动组件的整体结构示意图；
[0039]
图7为驱动组件的具体结构示意图；
[0040]
图8为动力驱动机构的结构示意图；
[0041]
图9为位移检测装置的结构示意图。
具体实施方式
[0042]
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，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。
[0043]
如图1-图5所示，本发明公开了一种光纤光栅传感器的封装装置，在本发明具体实施方式中，包括底座1和位于底座1上的工作台2，所述底座1沿长度方向开设有横向贯穿通道11；所述工作台2的中部设有通孔，通孔内设有用于调节光纤光栅传感器中间层厚度的升降块3；升降块3的下部设有用于控制升降块3升降的升降机构4；在工作台2的通孔两侧设有用于夹持光纤的模具5，模具5的中部设有露出所述通孔的腔体，模具5的外侧设有夹紧机构6；本封装装置还设有用于将工作台2盖住的加热顶盖7，以及用于在封装完成后取出光纤光栅传感器的和模具5的取模工具8；
[0044]
所述模具5的两侧分别设置有第一光纤支撑座100和第二光纤支撑座200；所述工作台2上开设有横向滑道21；所述工作台2底部安装有用于驱动第一光纤支撑座100和第二光纤支撑座200的在横向滑道21内滑动的驱动组件9；所述第一光纤支撑座100和第二光纤支撑座200上均安装有导线夹。
[0045]
在本发明具体实施方式中，所述模具5由两片结构对称的凹型模具片51平和而成，凹型模具片51的中部设置有横向的光纤凹槽52，凹形模具片51的顶部设有楔形孔53；两片凹形模具片51的凹部构成所述的腔体，两片凹形模具片51的横向的光纤凹槽52构成供光纤穿过的光纤通孔，两片凹形模具片51的楔形孔53与所述的取模工具8匹配。
[0046]
在本发明具体实施方式中，所述取模工具8包括上下设置的活动压板81和固定压板82，以及穿过固定压板82与活动压板81固定连接的楔形杆83，活动压板81与固定压板82之间的楔形杆83上套设有弹簧84，且所述楔形杆83底部的形状与所述两片凹型模具片51的楔形孔53相匹配。
[0047]
在本发明具体实施方式中，所述升降机构4包括依次连接的调节杆41、主动锥齿轮42、从动锥齿轮43和升降螺杆44，其中升降螺杆44的末端与升降块3底部连接；所述的调节杆41从所述的底座1侧向伸出。
[0048]
在本发明具体实施方式中，所述夹紧机构6包括设置在工作台2上的两个滑块61，滑块61的底部连接有夹紧弹簧62，夹紧弹簧62套在导杆63中；所述的工作台2上设置有与所述通孔相互垂直的槽体64，所述的导杆63和夹紧弹簧62设置在槽体64中；且导杆63的两端与工作台2固定连接；本实施例中，导杆63的后端与槽体固定，导杆63的前端与前支撑块1的顶部通过挡板64和挡板固定装置65固定。
[0049]
在本发明具体实施方式中，所述的加热顶盖7包括与工作台铰接的盖体71；所述盖体71中设置有电阻丝72和温度传感器73。
[0050]
与现有技术相比较，本发明带来的有益效果为：具有机械结构简单、体积小、易操作等特点，封装过程中可在加载预应力的情况下进行高温固化，避免传感器的啁啾现象。由于利用模具进行封装，可严格控制光纤光栅传感器结构与尺寸，保证测量范围内的线性度和热稳定性，同时封装之后的光纤光栅为独立的传感器，可对其进行标定后使用，达到更准确的测量精度，此外可通过强力瞬间胶等方式固定于被测体表面，为光纤光栅传感器的重复利用提供了可能。
[0051]
实施例2，与实施例1不同之处为
[0052]
如图6-图8所示，在本发明具体实施方式中，所述驱动组件9包括安装在工作台2底部的横向贯穿通道11侧壁上的安装板91、动力驱动机构92、主动驱动机构93和从动驱动机构94；所述安装板91上安装有第一滑动轨道911；所述主动驱动机构93和从动驱动机构94均滑动设置在第一滑动轨道911上；所述动力驱动机构92固定安装在安装板91上，其输出端与主动驱动机构93固定连接，且用于控制主动驱动机构93在第一滑动轨道911上滑行；所述动力驱动机构92通过传动机构95与驱动从动驱动机构94在第一滑动轨道911上滑行。
[0053]
在本发明具体实施方式中，所述主动驱动机构93包括滑动设置在第一滑动轨道911上的第一滑动座931、第一滑动板932、和第一滑动爪933；所述第一滑动板932的背面与第一滑动座931固定连接；所述第一滑动爪933固定安装在第一滑动板932的正面且通过螺栓与第一光纤支撑座100固定连接；
[0054]
所述从动驱动机构94包括滑动设置在第一滑动轨道911上的第二滑动座941、第二滑动板942、和第二滑动爪943；所述第二滑动板942的背面与第二滑动座941固定连接；所述第二滑动爪943固定安装在第二滑动板942的正面且通过螺栓与第二光纤支撑座200固定连接；
[0055]
所述传动机构95包括设置在第一滑动轨道911正下方且与安装板91固定连接的第二滑动轨道912、第三滑动座951、第三滑动板952、拉伸滑块953、下滑动齿条954、上滑动齿条955以及传动齿轮956；所述第三滑动座951滑动设置在第二滑动轨道912上；所述第三滑动板952的背面与第三滑动座951固定连接；所述拉伸滑块953的侧面固定安装在第三滑动板952上；所述下滑动齿条954安装在拉伸滑块953的上端面；所述上滑动齿条955固定安装在第二滑动板942正下方；所述传动齿轮956通过转动杆固定安装在安装板91上；该传动齿轮956与转动杆转动连接；且同时与下滑动齿条954和上滑动齿条955啮合。
[0056]
在本发明具体实施方式中，所述动力驱动机构92包括驱动气缸921、安装座922和连接座923；所述驱动气缸921通过所述安装座922安装在安装板91上；驱动气缸921的输出端通过所述连接座923与第一滑动板固定连接932。
[0057]
与现有技术相比较，本发明带来的有益效果为：
[0058]
1、通过设置有驱动组件，在进行光纤光栅传感器封装的过程中，可以驱动组件将光纤光栅传感的两光纤由两端向外拉直，确保封装过程中光纤光栅传感器不存在弯曲、松弛拉胯的现象；提高光纤光栅传感器的封装质量；确保光纤光栅传感器的灵敏度偏差在合格的质量区间内；
[0059]
需要说明的是：
[0060]
驱动组件的工作原理为：当需进行加工时，预先根据需封装的光纤光栅传感器的长度尺寸，设置驱动气缸的行程，然后将需要封装的光纤光栅传感器；安装在模具上的光纤通孔内，并且两端通过第一光纤支撑座和第二光纤支撑座上的导线夹夹紧，此时工作人员启动驱动气缸，控制第一滑动板横向滑动，此时由于采用的是齿轮进行传动的，第二滑动板在传动机构的作用下也进行横向滑动；将光纤根据预先设定的尺寸拉直；
[0061]
在这个过程中，通过单一驱动气缸，并且利用齿轮(上滑动齿条和下滑动齿条齿数相同齿间距相同且通过同一个齿轮进行传动，因此从动驱动机构的运行速度和位移量均和主动驱动机构的速度和位移量相同)进行传动的方式，可以实现第一光纤支撑座和第二光纤支撑座在运行过程中都是以光纤封装区域为中心，向两侧拉扯，这样的方式确保光纤光栅待封装区域不会偏离出模具。进一步提高封装质量。
[0062]
实施例3，与实施例2不同之处为
[0063]
如图9所示，在本发明具体实施方式中，还包括位移检测装置10；所述位移检测装置包括光电发射接收装置101和至少一个反射装置102以及数据接收面板103；所述光电发射接收装置101包括与数据接收面板103电连接的主控单元104、至少一个激光器105、至少一个位置敏感元件106；其中所述反射装置102、激光器105以及位置敏感元件106的数量相等；且每个反射装置102对应一个激光器105和一个位置敏感元件106；
[0064]
所述激光器105和敏感元件106均安装第二滑动板942朝向第一滑动板932一端面上；所述主控单元104安装在所述安装板91上；所述数据接收面板103通过安装支架107安装在底座1上；所述反射装置102包括直角棱镜，该直角棱镜安装在第一滑动板932朝向第二滑
动板942一端面上；
[0065]
所述激光器配置成使其发射的激光能够照射到其所对应的所述直角棱镜上，所述位置敏感元件被安装成能够接收其所对应的所述直角棱镜反射的激光，所述主控电路配置成控制所述激光器的发射且接收来自所述位置敏感元件的位移信号且对所述位移信号进行处理以产生所述直角棱镜相对于所述光电发射接收装置的位移检测结果；
[0066]
所述直角棱镜安装成使其斜边沿待检测位移所在的方向。
[0067]
与现有技术相比较，本发明带来的有益效果为：
[0068]
通过采用上述位移检测装置，可以有效的达到检测第一光纤支撑座和第二光纤支撑座之间的相对位移的目的；
[0069]
并且反馈到工作人员可以观察和操作的数据接收面板上；工作人员可以根据收据接收面板上的位移量以及和原始光纤长度进行对比，确定光纤是否拉直，并且基于此数据控制驱动气缸的工作，以此方式更好的确保光纤处于最适合的伸长量，进一步提高光纤光栅传感器的封装质量；确保光纤光栅传感器的灵敏度偏差在合格的质量区间内。
[0070]
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。