一种星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法与流程

本发明属于光纤传感器领域，具体涉及一种星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法。

背景技术：

随着我国航天事业的迅速发展，航天器的性能参数监测越来越重要。其中，温度是表示物体冷热程度的物理量，对航天器的工作寿命、工作精度、工作性能等有着重要的影响。传统的电子式温度测量方法有热电偶测温、热敏电阻测温等方法，但传统测温方法存在抗电磁性能差、体积大、重量大、难以组网复用等缺点。与传统的电子式测温传感器相比，光纤传感器在参数测量方面的研究和应用发展迅速，光纤光栅具有体积小、重量轻、不受电磁干扰、能大规模组网复用、易于嵌入材料内部、灵活方便等特点，且因光纤光栅的物理载面和力学强度小，在粘贴及嵌入到航天器中不会对其性能与结构造成影响，非常适合航天极端环境下的参量测量，是当前航天器参数监测传感技术研究的热点。

针对卫星星敏镜头结构的温度监测，传统的电子式温度测量由于线缆屏蔽线重量大、不抗电磁干扰能力差等缺点，而限制了电子式温度测量的进一步发展，随着光纤光栅越来越成为航天性能参数测量的首选，近年来的发展速度也十分迅速，具有很大的应用前景。

由于裸光纤质脆纤细并且易损坏折断，因此在光纤使用时，必须对其进行封装处理，这样不但可以对光纤光栅起保护作用，还能实现诸如温度的增敏、减小应变干扰等其他功能。虽然国、内外科研工作者对光纤光栅传感器应用于航天器参数测量的研究有了一定进展，但是目前的封装工艺主要集中在基片式封装、金属化封装、埋入式封装。对于卫星星敏传感器光学主镜头结构的光纤光栅传感器布设及温度监测问题，现有封装形式的传感器不能完全贴合于镜头被测部位的弧形结构，从而影响温度测量的准确性。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决这一问题，实现光纤光栅传感器精确测温。提供一种星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法，该温度传感器采用圆环形基底封装结构，能够使传感器完美贴合于星敏感器光学主镜头结构表面，减少传感器对特定结构的测温影响，并能在一个传感器基底中封装串联的多个光纤光栅，最后对封装的传感器进行应变及温度性能测试。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）光栅光纤温度传感器封装之前，对所述光栅光纤温度传感器进行力学模拟分析；

2）所述光栅光纤温度传感器应变测定；

3）所述光栅光纤温度传感器封装；

4）所述光栅光纤温度传感器标定。

作为本发明的一种优选，第一步中，所述力学模拟分析，包括以下步骤，11)使用ansys有限元分析软件，对所述温度传感器基底模型进行力学建模；12)根据实际传感器制备情况设置力学建模模型的传感器基底材质、封装胶体材质及尺寸参数。

选取实体模型，根据基底材质7075t6铝合金材料及实际尺寸进行建模；使用dp420环氧树脂胶，将光纤光栅温度传感器基底固定粘接在被拉伸件表面；

作为本发明的一种优选，第二步，所述光栅光纤温度传感器应变测定，包括如下步骤，21）对所述温度传感器基底、环氧树脂胶、光纤光栅及拉伸件进行切割、组合、扫掠网格划分；22）所述拉伸件一端进行约束固定，所述拉伸件另一端x方向进行拉伸，根据卫星星敏镜头在轨测温要求，使得拉伸件传递到基底的应变达到设置阈值，得到光栅光纤温度传感器应变云图。应变为500μɛ。

作为本发明的一种优选，第三步，所述光栅光纤温度传感器封装，包括如下步骤，31）首先将刻有多段光栅光纤串接成光纤光栅串，将所述光纤光栅串使用环氧树脂胶固定封装在一圆环形基底的下半部分，且栅区部位弧形走线并悬空于圆环形基底；32）圆环形基底放置在加热平台，设定加热平台60℃进行加热固化；33）加热固化完成后，放置常温下；34）在圆环形基底内环、外环的阶梯槽表面均匀涂抹硅橡胶，将圆环形基底上盖与圆环形基底底部进行装配，完成温度传感器整体封装；然后在基底外部孔槽及基底上盖、基底底部结合处，再次使用硅橡胶进行传感器密封，在常温下进行完全固化。

作为本发明的一种优选，第四步，所述光栅光纤温度传感器标定，包括如下步骤，41）所述温度传感器放置于高低温箱中，所述温度传感器采用光源与解调仪通过光纤环形器进行连接，所述解调仪测得光纤光栅反射谱，通过设定高低温箱温度，从而使光纤光栅中心波长发生变化；42）根据卫星星敏感器光学镜头的测温要求设定高低温箱温度范围，设定为-60℃~60℃，每10℃为一个步进，进行循环实验，通过解调光纤光栅中心波长变化，得到温度变化的关系。

作为本发明的一种优选，所述光纤光栅光谱宽度3db带宽为0.4nm，栅区长度为10mm，所述光纤光栅串的中心波长分别为1530nm、1540nm、1550nm。

作为本发明的一种优选，所述光源为ase宽带光源，功率为-55db。

作为本发明的一种优选，所述解调仪为高速光纤光栅解调仪，分辨率为1pm。

作为本发明的一种优选，所述高低温箱采用型号为gdw-100的高低温箱。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

本发明在卫星星敏传感器主镜头结构在轨温度测量中具有应用前景。在传感器封装基底上进行改进，采用基片式封装方法，温度传感器基底材料选取航天用7075t6铝合金材料，能够满足航天器工作的环境要求，达到测量目的。传感器封装时，可将多段光纤光栅串封装在一个圆环形基底内，实现单支传感器多点测温功能，且栅区部位弧形走线并悬空于基底，使得基底形变产生的应变影响大大减小，可使温度测量更加精确。该封装形式的传感器能够更好的贴合在星敏主镜结构，能够准确的测量卫星星敏感器光学主镜头结构的温度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法的主镜头结构示意图。

图2a本发明星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法的光纤光栅温度传感器基底底部及基底立体图。

图2b本发明星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法的光纤光栅温度传感器基底底部及基底主视图。

图2c本发明星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法的光纤光栅温度传感器基底底部及基底仰视图。

图2d本发明星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法的光纤光栅温度传感器基底底部及基底左视图。

图2e本发明星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法的光纤光栅温度传感器基底底部及基底a处局部放大图。

图2f是图2e的bb向剖面图。

图2g是d处局部放大图。

图2h是图2g的ee向剖面图。

图3为本发明星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法的光纤光栅温度传感器基底底部及基底上盖三维图。

图4为本发明星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法的光纤光栅温度传感器基底底部封装及完整装配图。

图5本发明星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法的传感器与拉伸件示意图。

图6本发明实施例的温度标定实验示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-6所示，一种星敏镜头结构的光纤光栅温度传感器制备方法，包括如下步骤：1）光栅光纤温度传感器封装之前，为了验证传感器可行性，对所述光栅光纤温度传感器进行力学模拟分析；

所述力学模拟分析，包括以下步骤，11)使用ansys有限元分析软件，对所述温度传感器基底模型进行力学建模；12)根据实际传感器制备情况设置力学建模模型的传感器基底材质、封装胶体材质及尺寸参数。选取实体模型，根据传感器基底材质7075t6铝合金材料及实际尺寸进行建模；使用dp420环氧树脂胶，将光纤光栅温度传感器基底固定粘接在被拉伸件表面。

2）所述光栅光纤温度传感器应变测定；包括如下步骤，21）对所述温度传感器基底、环氧树脂胶、光纤光栅及拉伸件进行切割、组合、扫掠网格划分；22）所述拉伸件一端进行约束固定，所述拉伸件另一端x方向进行拉伸，根据卫星星敏镜头在轨测温要求，使得拉伸件传递到基底的应变达到设置数值为500μɛ，得到光栅光纤温度传感器应变云图。

当所述拉伸件传递到基底的应变达到500μɛ左右后，光纤光栅所产生的应变大小在2~3μɛ，受基底形变产生应变很小，使得温度测量更加精确，满足卫星星敏感器在轨测温的要求。该封装形式的传感器能够更好的贴合在星敏主镜头结构1，能够准确的测量卫星星敏感器光学主镜头结构的温度。

3）所述光栅光纤温度传感器封装；包括如下步骤，31）首先将刻有多段光栅光纤7串接成光纤光栅串，将所述光纤光栅串使用环氧树脂胶8固定封装在一圆环形基底的下半部分，且栅区部位弧形走线并悬空于圆环形基底，环氧树脂为dp420环氧树脂；32）圆环形基底放置在加热平台，设定加热平台60℃进行加热固化；33）加热固化完成后，放置常温下；34）在圆环形基底内环、外环的阶梯槽表面均匀涂抹硅橡胶，将圆环形基底上盖与圆环形基底底部进行装配，完成温度传感器整体封装；然后在基底外部孔槽及基底上盖、基底底部结合处，再次使用硅橡胶进行传感器密封，在常温下进行完全固化。

如图6所示，基本标定原理。4）所述光栅光纤温度传感器标定，包括如下步骤，41）所述温度传感器放置于高低温箱2中，所述温度传感器3采用光源4与解调仪5通过光纤环形器进行连接，经耦合器6(插入损耗)入射到光纤光栅，所述解调仪测得光纤光栅反射谱，通过设定高低温箱温度，从而使光纤光栅中心波长发生变化；42）根据卫星星敏感器光学镜头的测温要求设定高低温箱温度范围，设定为-60℃~60℃，每10℃为一个步进，进行循环实验，通过解调光纤光栅中心波长变化，得到温度变化的关系。

第四步中所述光纤光栅光谱宽度3db带宽为0.4nm，栅区长度为10mm，所述光纤光栅串的中心波长分别为1530nm、1540nm、1550nm。所述光源为ase宽带光源，功率为-55db。所述解调仪为高速光纤光栅解调仪，分辨率为1pm。所述高低温箱采用型号为gdw-100的高低温箱。

实验表明：测量温度在-60℃~60℃时，所设计的圆环型封装形式的光纤光栅温度传感器灵敏度达到8.74pm/℃，线性拟合度达到0.998。当循环测试时，同一温度下，光纤光栅中心波长变化量最大为2pm。满足卫星星敏感器光学主镜结构的测温要求。

本发明采用新型的封装形式，基片式封装方法实现了温度测量。基底材料选取航天用7075t6铝合金材料，能够满足航天器工作的环境要求，达到测量目的。传感器封装时，可将光纤光栅串封装在一个圆环基底内，实现单支传感器多点测温功能，且栅区部位弧形走线并悬空于基底，使得基底形变产生的应变影响大大减小，可使温度测量更加精确。

以上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。