一种可快速安装与连接的光纤光栅传感器及其制作方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种可快速安装与连接的光纤光栅传感器及其制作方法。

背景技术：

光纤光栅传感器的基本原理为采用紫外光对光纤侧面进行曝光或其它写入方法，使光纤纤芯一小段范围内的折射率沿光纤轴线发生周期性变化而得到光纤光栅；光纤光栅可将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。通过对光栅反射布喇格波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量。

光纤光栅传感器具有以下一些独特优点：1)可靠性好、抗干扰能力强。由于光纤光栅对被测信息用波长编码，不受光源功率波动和光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响。2)测量精度高。精确的反射特征(小误差)使其更加准确地反映了应力和温度的变化。3)绝对测量。光纤Bragg光栅传感器的波长偏移提供了一种绝对测量,利用该特性不仅可对工程结构进行在线实时监测,而且还可以在需要之时对结构进行周期性检测。4)单路光纤上可以制作多个光栅的能力可以对大型工程进行分布式测量，其测量点多，测量范围大。5)传感头结构简单、尺寸小，适于各种应用场合，尤其适合于埋入材料内部构成所谓的智能材料或结构。6)抗电磁干扰、抗腐蚀、能于恶劣的化学环境下工作。7)光纤光栅具有以低成本大批量生产的潜在优势。

虽然光纤光栅传感器具有以上优点，但也有一些缺点。光纤光栅传感器本质上就是光纤，其外径约为125微米，主要成分是SiO₂，比较脆弱，抗剪能力较差，因此光栅传感器及光纤传输线路比较脆弱。

光纤或光纤光栅接长时，接头焊接脆性，更加脆弱。而且需要专用的切割刀和熔接机进行操作，此外接头一般采用内带金属杆热缩管进行保护。金属杆是硬性的，光纤是柔软的，金属杆与光纤靠在一起，硬度不匹配，容易造成金属杆端头的光纤损坏。此外，接头也是光信号损耗衰减的主要来源之一。

因此光纤熔接接长，一方面接头即使连接好后易损坏，另外接长操作过程复杂，现场操作费时费劲常常不成功，其连接工艺主要包括剥外保护层、清洗接头、端头整齐切割、熔接机自动对焊、热缩管加热保护热缩。光纤光栅使用的最好的方法是不留接头或少留接头，跳线端头制作简单。

此外，目前国内外对光纤光栅主要采用金属基体封装，跳线头在工厂做好才能无接点，现场如果剪断跳线头接长，需要前述熔接处理，或者直接采用法兰盘接长。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可快速安装与连接的光纤光栅传感器及其制作方法，该可快速安装与连接的光纤光栅传感器与皮线光缆形成的信号线无接头或少接头，可降低光信号的损耗，增加信号传输距离和保证清晰准确的光纤光栅的测量信号。工程应用时，能快速安装和连接接头，可弯曲使用，传感器较结实。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可快速安装与连接的光纤光栅传感器的制作方法，包括如下步骤：

(1)选取单芯或双芯的皮线光缆；

(2)将皮线光缆的一端剥除保护层，保留纤芯和加强件，对纤芯进行光刻处理，使与皮线光缆一体化的纤芯分为光刻后的光纤光栅段和未光刻的光纤段；

(3)采用纤维布外加粘结剂，对与皮线光缆一体化的纤芯和加强件进行封装处理，即可得到所述可快速安装与连接的光纤光栅传感器。

进一步地，步骤(3)的封装前还包括在光纤光栅段外套设针管使光纤光栅段的一端悬空，形成温度传感器。

进一步地，所述针管的长度为2-10厘米，所述针管的直径为0.3-1厘米。

进一步地，步骤(3)所述的封装处理包括步骤如下：

(a)选取封装用的模子；

(b)采用上下两层纤维布夹持纤芯，并在纤维布中放入粘结剂，涂敷均匀后放入所述模子中；

(c)盖好模子，加热，使纤维布、粘结剂、纤芯和加强件固化形成整体即可。

进一步地，步骤(3)所述纤维布为碳纤维布和/或玻璃纤维布，所述粘结剂为环氧树脂、聚氨酯或聚丙烯酸酯，所述粘结剂涂覆的厚度为1-3毫米。

进一步地，所述模子由两半组成，其中一半的内表面上开设有封装光纤光栅的矩形凹槽。

进一步地，步骤(c)中所述加热的温度为120℃，时间为15分钟。

本发明还提供了一种利用上述的可快速安装与连接的光纤光栅传感器的制作方法制作得到的光纤光栅传感器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过采用可任意弯曲的皮线光缆，同时采用该皮线光缆制作的光纤光栅传感器受纤维布和聚合物保护且与传输线(皮线光缆)形成的信号线无接头，容易运输和安装；且光纤光栅传感器的信号线可以预留很长，在现场可任意长度截断，并能快速安装跳线头，不需要熔接机等复杂装备。由于传感器的传输线仍保留皮线光缆的特点，故容易布设弯曲，不易损坏。

(2)本发明光纤光栅传感器与皮线光缆形成的信号线无接头或少接头，可提高光纤传感器的可靠性，降低光信号的损耗，增加信号传输距离和保证清晰准确的光纤光栅的测量信号。工程应用时，能快速安装和连接接头，可弯曲使用，传感器较结实。且本发明采用纤维布与粘结剂组成的封装材料使光纤光栅传感器的封装效果良好，更进一步降低了光信号的损耗。

附图说明

图1为本发明实施例1一种可快速安装与连接的光纤光栅传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例2一种可快速安装与连接的光纤光栅传感器的结构示意图。

图中，1-皮线光缆，2-加强件，3-光纤段，4-光纤光栅段，5-针管，6-封装材料。

具体实施方式

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做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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

一种可快速安装与连接的光纤光栅传感器的制作方法，包括如下步骤：

(1)选取单芯的皮线光缆；

(2)将皮线光缆的一端剥除保护层，保留一定长度的纤芯和加强件，本实施例中纤芯的长度优选为20厘米。采用紫外光为光源对纤芯进行光刻处理，使与皮线光缆一体化的纤芯分为光刻后的光纤光栅段和未光刻的光纤段。其中光刻处理具体为紫外光掩模照射等处理。该光刻处理为现有技术，在此不再复述。这样处理光纤光栅传感器，保证无接头，降低光损耗，增强传感信号，此外降低了光纤接头的易损性，提供了可靠性。

(3)采用碳纤维布外加环氧树脂粘结剂，对与皮线光缆一体化的纤芯和加强件进行封装处理，即可得到所述可快速安装与连接的光纤光栅传感器。封装处理可保护脆弱的光纤，且仍然保证了良好的传感性能。

其中，上述封装处理包括步骤如下：

(a)选取封装用的模子，所述模子由两半组成，其中一半的内表面上开设有封装光纤光栅的矩形凹槽；

(b)采用上下两层碳纤维布夹持纤芯，并在纤维布中放入粘结剂环氧树脂胶，涂敷均匀后放入所述模子中，其中环氧树脂胶涂覆的厚度为2毫米；

(c)盖好模子，加热，其中加热的温度为120℃，加热时间为15分钟，使纤维布、粘结剂、纤芯和加强件固化形成整体即可。

本实施例的封装中通过优选适宜的粘结剂涂覆厚度及涂覆后加热的温度和时间，使粘结剂的粘结效果更好，封装后密闭性高。当然其他实施例中的粘结剂也可使用聚氨酯或聚丙烯酸酯等粘结剂。

根据上述制作方法制得的可快速安装与连接的光纤光栅传感器如图1所示，皮线光缆1的一端剥离保护层后形成的光纤光栅传感器中包括以端点连接的纤芯和加强件2，纤芯上包括相连接的光纤段3和光纤光栅段4，加强件2、光纤段3和和光纤光栅段4外粘结有由纤维布和粘结剂环氧树脂粘结而成的封装材料6，使本发明实施例光纤光栅传感器形成应变传感器。加强件2的保留起到了连接作用，用于保证皮线光缆1与封装材料6之间不易扯断。

在实际应用中，由于皮线光缆可适用于小弯曲半径光纤，而且皮线光缆独特的8字型构造可以在最短时间内实现现场成端，因此与本发明光纤光栅传感器相连的皮线光缆，布线时可以根据现场的距离进行任意长度裁减，并配合快速连接接头以及光纤冷接子进行安装，现场施工不需要进行熔纤、热焊接及其复杂的连接工艺和装置、电源等条件，大大提高了工程施工效率。

实施例2

一种可快速安装与连接的光纤光栅传感器的制作方法，包括如下步骤：

(1)选取双芯的皮线光缆；

(2)将皮线光缆的一端剥除保护层，保留一定长度的纤芯和加强件，本实施中保留的纤芯的长度为3厘米，当然其他实施例中该长度根据实际情况选取，如可选取在3-20厘米中的任意一长度均可。采用紫外光为光源对纤芯进行光刻处理，使与皮线光缆一体化的纤芯分为光刻后的光纤光栅段和未光刻的光纤段。其中光刻处理具体为紫外光掩模照射等处理。这样处理光纤光栅传感器，保证无接头，降低光损耗，增强传感信号，此外降低了光纤接头的易损性，提供了可靠性。

(3)在光纤光栅段外套设针管使光纤光栅段的一端悬空，使悬空的一端可以感知温度，进而对温度进行测量，以形成温度传感器。其中本实施例所选取的针管的长度为2厘米，所述针管的外径为0.5厘米，当然其他实施例中也可以根据纤芯的长度选择合适的长度(如2-10厘米中的其他长度)，并选择适宜的针管直径(如0.3-1厘米中的其他直径)，通过选取长度和直径适宜的针管，使光纤光栅段的中悬空的一端能更好地感知温度，以提高形成的温度传感器的灵敏度。

(4)采用玻璃纤维布外加环氧树脂粘结剂，对与皮线光缆一体化的光纤光栅传感器进行封装处理，即可得到所述可快速安装与连接的光纤光栅传感器。封装处理可保护脆弱的光纤，且仍然保证了良好的传感性能。

其中，上述封装处理包括步骤如下：

(a)选取一封装用的模子，所述模子由两半组成，其中一半的内表面上开设有封装光纤光栅的矩形凹槽；

(b)采用上下两层玻璃纤维布夹持纤芯，并在玻璃纤维布中放入粘结剂环氧树脂胶，涂敷均匀后放入所述模子中，其中所环氧树脂胶涂覆的厚度为3毫米；

(c)盖好模子，加热，其中加热的温度为120℃，加热时间为15分钟，使纤维布、粘结剂、纤芯和加强件固化形成整体即可。

本实施例的封装中通过优选适宜的粘结剂涂覆厚度及涂覆后加热的温度和时间，使粘结剂的粘结效果更好，封装后密闭性高。

根据上述制作方法制得的可快速安装与连接的光纤光栅传感器如图1所示，皮线光缆1的一端剥离保护层后形成的光纤光栅传感器中包括以端点连接的纤芯和加强件2，纤芯上包括相连接的光纤段3和光纤光栅段4，光纤光栅段4外套设有使光纤光栅段4一端悬空的针管5，加强件2、光纤段3和针管5外铺设有由纤维布和粘结剂环氧树脂粘结而成的封装材料6，使本发明光纤光栅传感器形成温度传感器。加强件2的保留起到了连接作用，用于保证皮线光缆1与封装材料6之间不易扯断。

在实际应用中，由于皮线光缆可适用于小弯曲半径光纤，而且皮线光缆独特的8字型构造可以在最短时间内实现现场成端，因此与本发明光纤光栅传感器相连的皮线光缆，布线时可以根据现场的距离进行任意长度裁减，并于该皮线光缆的另一端(即未连接光纤光栅传感器一端)配合快速连接接头以及光纤冷接子进行安装，现场施工不需要进行熔纤、热焊接及其复杂的连接工艺和装置、电源等条件，大大提高了工程施工效率。

实施例3

本实施例中除纤维布采用碳纤维和玻璃纤维混合而成的纤维布，及粘结剂采用聚氨酯且聚氨酯涂覆的厚度为1毫米外，其他均与实施例1相同。