一种光纤光栅传感器封装装置及方法与流程

本发明涉及一种光纤光栅传感技术，具体涉及一种光纤光栅传感器封装装置及方法。

背景技术

光纤布拉格光栅(fbg)具有体积小重量轻、熔接损耗小、抗电磁干扰能力强、灵敏度高、能埋入等特点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，且有良好的线性响应，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。光纤光栅通过不同的封装方式可制成应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器等各类传感器。而在近些年中，光纤光栅传感器亦广泛用于土木及水利工程、桥梁安全监测、公路健康检测等方面。目前，被广泛的应用于在航空航天、船舶、电力、医疗、土木工程等领域中。但是光纤光栅本身性质限制了其在实际中的应用，为了解决此问题，在实际应用中通常要对光纤光栅进行封装，封装起到保护与增敏的作用，参考文献：【张智禹光纤光栅传感封装技术的研究[d].沈阳.沈阳航空航天大学.2014.1-62】。

由于fbg是紫外光在去除涂覆层的单模石英光纤上写入，细小质脆，易折断，且在恶劣的环境下，裸露的光栅会遭到酸或碱的腐蚀，参考文献：【文昌金，李玉龙一种光纤光栅施加预应力的管式封装[j].1002-5561(2014)06-0012-04】则需要对光纤光栅加一层封装保护。光纤光栅未受预应力时，将光纤光栅固定在封装基体上，光栅不能与封装基体很好的靠紧，会朝任意方向有一定的弯曲，则其被测量出的中心波长的漂移不能真实反映被测物体参量的感应，导致传感器测试信号的不准确，所以综上可采用可施加预应力的封装装置来封装光栅，在将光纤光栅固定在封装基体之前，对光纤光栅施加一定的预应力，可保证光纤光栅与封装基体之间更加贴合，从而可测得较为准确的信号值。

目前，封装光纤光栅传感器时，很少考虑到施加预紧力这类问题，其中个别对光纤光栅轴向施加预应力的封装装置基本采用悬挂砝码等方式，这类方法不能连续控制外力的大小，因而对每组封装的光纤光栅传感器所施加预紧力都不尽相同，从而会使光纤光栅传感器所测量出的数值有一定的影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤光栅传感器封装装置及方法，以克服上述现有技术中的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种光纤光栅传感器封装装置，包括底座、工作台、加热装置、涂胶装置、两个光纤夹紧机构和预应力调节装置，预应力调节装置设置在底座上，两个光纤夹紧机构中的一个设置在预应力调节装置的输出端上，另一个设置在底座上，设置在预应力调节装置输出端上的光纤夹紧机构通过预应力调节装置的作用调整其与另一个光纤夹紧机构之间的间距，工作台布置在处于两个光纤夹紧机构之间的底座上，加热装置设置在底座与工作台之间。

本发明的有益效果是：具有操作方便、工作稳定可靠、可较为细致调节等优点，此封装装置可对光纤光栅传感器施加恒定预应力，并可在0℃～300℃温度范围内使用；使用本装置对光纤光栅传感器进行封装时能够实现施加同样的预应力，避免光纤光栅啁啾和波形畸变，从而有保证波长温度特性的稳定和良好的一致性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，还包括位置调节装置，位置调节装置设置在底座上，工作台设置在位置调节装置上，加热装置设置位置调节装置与工作台之间。

进一步，位置调节装置包括x轴调节机构、y轴调节机构和z轴调节机构，x轴调节机构设置在底座上，y轴调节机构设置在x轴调节机构上，z轴调节机构设置在y轴调节机构上，加热装置设置z轴调节机构与工作台之间。

进一步，x轴调节机构为第一丝杆导轨机构，y轴调节机构为第二丝杆导轨机构；第一丝杆导轨机构设置在底座上，第二丝杆导轨机构设置在第一丝杆导轨机构的滑块上；z轴调节机构包括基座、压盘、旋转套筒、移动导杆和导向杆，基座设置在第二丝杆导轨机构的滑块上，旋转套筒通过压盘活动固定在基座上，移动导杆的一端与旋转套筒的内腔螺纹连接，移动导杆的另一端通过加热装置与工作台相连接，基座和移动导杆内均设有多个导向孔，各导向孔内均承插有导向杆，每根导向杆的两端均分别处在基座和移动导杆内。

采用上述进一步的有益效果是：使工作台可沿x轴、y轴、z轴进行调整，可将刻有光栅的光纤较为准确的与封装基体贴合。

进一步，预应力调节装置为直线丝杆导轨机构，两个光纤夹紧机构中的一个设置在直线丝杆导轨机构中的滑块上。

采用上述进一步的有益效果是：调节方便，而且在调节到任意位置后可进行自锁。

进一步，还包括光纤光栅张力测量装置，光纤光栅张力测量装置设置在底座上。

采用上述进一步的有益效果是：便于了解刻有光栅的光纤的绷紧程度，使得刻有光栅的光纤较为准确的与封装基体贴合。

进一步，还包括控制装置、显示装置和摄像头，摄像头设置在工作台上，摄像头的采集镜头朝向工作台的工作面，显示装置、摄像头、直线丝杆导轨机构中的驱动电机和光纤光栅张力测量装置分别与控制装置电连接。

采用上述进一步的有益效果是：摄像头用于实时采集光纤的栅区相对于基片的位置，并将所采集的图像传输至控制装置，最后由控制装置传输至显示装置进行显示，以便操作者观察光纤的栅区与基片是否对正，便于调节对正。

进一步，光纤夹紧机构包括两个轴承座、两个单向轴承、夹紧轴、压板和连接组件，两个轴承座均固定在底座或预应力调节装置的输出端上，两个单向轴承分别固定在两个轴承座上，夹紧轴的两端分别与两个单向轴承的内圈相连接，压板通过连接组件与夹紧轴活动连接。

采用上述进一步的有益效果是：与位置调节装置配合后可将刻有光栅的光纤较为准确的与封装基体贴合。

进一步，连接组件包括铰链和磁铁，压板的一端通过铰链与夹紧轴相连接，压板的另一端通过磁铁吸合在夹紧轴上。

一种光纤光栅传感器的封装方法，包括如下步骤：

s1、将待封装基体置于工作台的工作面上；

s2、将刻有光栅的光纤的一端通过固定在底座上的光纤夹紧机构夹紧，然后将刻有光栅的光纤的另一端依次经过工作台的工作面和光纤光栅张力测量装置后让固定在预应力调节装置上的光纤夹紧机构夹紧，旋转夹紧轴，让刻有光栅的光纤绷直，且确保刻有光栅的光纤的栅区位于工作台的工作面正上方，微调预应力调节装置，当光纤光栅张力测量装置上显示的张力大小符合封装要求时，停止预应力调节装置；

s3、根据封装基体尺寸，利用z轴调节机构将工作台的工作面调节到与栅区接近的高度；

s4、调节x轴调节机构和y轴调节机构使栅区恰好处于封装基体正上方，再调节z轴调节机构，使封装基体与栅区恰好贴合为止；

s5、启动涂胶装置将粘接剂点涂在栅区与封装基体接触的位置；

s6、启动加热装置，对粘接剂进行加热，使其快速固化；

s7、待粘接剂固化后，即可得到光纤光栅传感器。

采用上述进一步的有益效果是：具有操作方便、工作稳定可靠、可较为细致调节等优点，可对光纤光栅传感器施加恒定预应力，对光纤光栅传感器进行封装时能够实现施加同样的预应力，避免光纤光栅啁啾和波形畸变，从而有保证波长温度特性的稳定和良好的一致性。

附图说明

图1为本发明所述光纤光栅传感器封装装置的结构示意图；

图2为本发明所述光纤夹紧机构的结构示意图；

图3为本发明所述光纤夹紧机构与预应力调节装置的结构示意图；

图4为本发明所述x轴调节机构与y轴调节机构的结构示意图；

图5为本发明所述z轴调节机构的结构示意图；

图6为本发明所述光纤光栅张力测量装置的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、底座，2、工作台，3、光纤夹紧机构，310、轴承座，320、单向轴承，330、夹紧轴，340、压板，350、连接组件，351、铰链，352、磁铁，4、预应力调节装置，5、位置调节装置，510、x轴调节机构，520、y轴调节机构，530、z轴调节机构，531、基座，532、压盘，533、旋转套筒，534、移动导杆，535、导向杆，6、光纤光栅张力测量装置，610、张力仪，620、辅支撑架，630、固定块，640、主支撑架，650、固定件，7、显示装置，8、摄像头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种光纤光栅传感器封装装置，包括底座1、工作台2、加热装置、涂胶装置、两个光纤夹紧机构3和预应力调节装置4，预应力调节装置4设置在底座1上，两个光纤夹紧机构3中的一个设置在预应力调节装置4的输出端上，另一个设置在底座1上，设置在预应力调节装置4输出端上的光纤夹紧机构3通过预应力调节装置4的作用调整其(设置在预应力调节装置输出端上的光纤夹紧机构)与另一个光纤夹紧机构3之间的间距，两个光纤夹紧机构3相对布置。预应力调节装置4优选为直线丝杆导轨机构，两个光纤夹紧机构3中的一个设置在直线丝杆导轨机构中的滑块上，工作台2布置在处于两个光纤夹紧机构3之间的底座1上，加热装置设置在底座1与工作台2之间。

光纤光栅传感器封装装置还包括位置调节装置5，位置调节装置5设置在底座1上，工作台2设置在位置调节装置5上。

在本发明中所采用的位置调节装置5的具体结构如下：

位置调节装置5包括x轴调节机构510、y轴调节机构520和z轴调节机构530，其中，x轴调节机构510设置在底座1上，y轴调节机构520设置在x轴调节机构510上，z轴调节机构530设置在y轴调节机构520上。

x轴调节机构510优选为第一丝杆导轨机构，y轴调节机构520也优选为第二丝杆导轨机构，第一丝杆导轨机构设置在底座1上，第二丝杆导轨机构设置在第一丝杆导轨机构的滑块上。z轴调节机构530包括基座531、压盘532、旋转套筒533、移动导杆534和导向杆535，基座531设置在第二丝杆导轨机构的滑块上，压盘532套在旋转套筒533上，且旋转套筒533通过压盘532活动固定在基座531上，旋转套筒533竖直布置，移动导杆534的外圆周面上设有外螺纹，旋转套筒533的内腔上设有内螺纹，移动导杆534的一端与旋转套筒533的内腔螺纹连接，移动导杆534的另一端通过加热装置与工作台2相连接，移动导杆534竖直布置，基座531和移动导杆534内均设有多个导向孔，各导向孔内均承插有导向杆535，每根导向杆535的两端均分别处在基座531和移动导杆534内，当对旋转套筒533进行旋转时，由于移动导杆534与旋转套筒533之间为螺纹连接，且在多个导向杆535的作用下，使得移动导杆534能够进行竖直升降，从而完成对工作台2的升降。

加热装置主要由发热片以及隔热块组成，发热片和隔热片安装在移动导杆534和工作台2之间，当胶涂完后打开发热片开关对工作台2进行加热，以达到使胶快速干的目的，隔热块防止加热片产生的热量快速传递到装置的其他构件上对其他构件的正常工作和调整精度造成影响，同时也防止热量快速散尽，达不到加热胶使胶快速干的目的。

光纤光栅传感器封装装置还包括光纤光栅张力测量装置6，光纤光栅张力测量装置6设置在底座1上，光纤光栅张力测量装置6包括张力仪610、辅支撑架620、固定块630、主支撑架640和固定件650，辅支撑架620下端和主支撑架640的下端均通过固定块630与底座1相连接，辅支撑架620的上端与张力仪610相连接，辅支撑架620的上端与固定件650相连接，张力仪610在固定件650的作用下被固定，当对刻有光栅的光纤施加预紧力时，通常情况下是需要对刻有光栅的光纤内部的预应力实现量化测量，其预应力的大小则可由张力仪610所测得，其原理为三点测力法，进行预紧力测量时，对刻有光栅的光纤内部预应力产生的变化微小进行测量。

光纤光栅传感器封装装置还包括控制装置、显示装置7和摄像头8，摄像头8设置在工作台2上，摄像头8的采集镜头朝向工作台2的工作面，显示装置7、摄像头8、直线丝杆导轨机构中的驱动电机和光纤光栅张力测量装置6分别与控制装置电连接，摄像头8用于实时采集光纤的栅区相对于基片的位置，并将所采集的图像传输至控制装置，最后由控制装置传输至显示装置7进行显示，以便操作者观察光纤的栅区与基片是否对正，便于调节对正。

光纤夹紧机构3包括两个轴承座310、两个单向轴承320、夹紧轴330、压板340和连接组件350，两个轴承座310均固定在底座1上，或者两个轴承座310均固定在预应力调节装置4的输出端上，即两个轴承座310均固定在直线丝杆导轨机构中的滑块上，两个单向轴承320分别固定在两个轴承座310上，夹紧轴330的两端分别与两个单向轴承320的内圈相连接，在本实施例中，预应力调节装置4固定在底座1的右端，两个光纤夹紧机构3中的一个设置在底座1的左端，另一个设置在预应力调节装置4的输出端上，设置在底座1左端的光纤夹紧机构3中的夹紧轴330在单向轴承320的限制下只能逆时针转动，设置在预应力调节装置4上的光纤夹紧机构3中的夹紧轴330在单向轴承320的限制下只能顺时针转动，压板340通过连接组件350与夹紧轴330活动连接。

在本发明中，连接组件350的具体结构如下：

连接组件350包括铰链351和多个磁铁352，压板340的一端通过铰链351与夹紧轴330相连接，压板340的另一端为自由端，压板340能绕着铰链351进行轴向旋转，多个磁铁352均嵌在夹紧轴330上，压板340的材料为易于被磁铁352吸引的材料，在需要夹持光纤时，将光纤放在夹紧轴330上，转动压板340，让压板340通过磁铁352吸合在夹紧轴330上，从而将光纤夹紧，压板340与光纤接触的表面及夹紧轴330与光纤接触的表面均贴一层橡胶胶膜以增大摩擦力，光纤可通过与橡胶胶膜之间产生的摩擦力而被夹紧。

涂胶装置包括多个储胶容器、混合容器和点胶机构，储胶容器的数量根据需要使用的胶水的种类进行确定，在使用时将储胶容器内的胶水注入混合容器中，外力充分搅拌均匀后供给到点胶机构处进行使用。

工作台2上有许多钻孔，则可根据封装基体的结构大小，选择不同的夹具将其安装在工作台2上，提高了本发明的可适用性。

一种光纤光栅传感器的封装方法，包括如下步骤：

s1、整理封装装置工作台2，调节z轴调节机构530将工作台2降低，在工作台2的工作面上放置待封装基体，并将封装基体定位在工作台2的工作面上，然后准备好封装粘接剂；

s2、将刻有光栅的光纤的左端放置在底座1左端的光纤夹紧机构3内，旋转夹紧轴330，让刻有光栅的光纤绕在夹紧轴330上，当刻有光栅的光纤的栅区位于工作台2正上方时，停止旋转夹紧轴330，然后将刻有光栅的光纤的右端绕过光纤光栅张力测量装置6中的张力仪610后放置在预应力调节装置4内，旋转夹紧轴330，观测光纤光栅是否即将绷直，当刻有光栅的光纤呈绷直状时，停止夹紧轴330，微调预应力调节装置4，利用预应力调节装置4微调固在其上的光纤夹紧机构3与另一个光纤夹紧机构3之间的间距，当光纤光栅张力测量装置6上显示的张力大小符合封装要求时，停止预应力调节装置4，刻有光栅的光纤在单向轴承320的限制下将保持绷直状态；

s3、根据封装基体尺寸，利用z轴调节机构530将工作台2的工作面调节到与栅区接近的高度；

s4、调节x轴调节机构510和y轴调节机构520使栅区恰好处于封装基体正上方，再调节z轴调节机构530，使封装基体与栅区恰好贴合为止；

s5、启动涂胶装置将粘接剂点涂在栅区与封装基体接触的位置；

s6、启动加热装置，对粘接剂进行加热，使其快速固化；

s7、待粘接剂固化后，反向微调预应力调节装置4，让刻有光栅的光纤慢慢松开，即可得到封装好的光纤光栅传感器。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。