專利名稱：通用型分體預(yù)制插接式光纖光柵傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種傳感器，尤其涉及一種通用型分體預(yù)制插接式光纖光柵傳感器。
技術(shù)背景光纖光柵是一種制作在光纖纖芯中的具有窄帶反射特性的光學(xué)濾波器件，具有對(duì)溫度和 應(yīng)力敏感的特性，其反射譜中心波長(zhǎng)會(huì)隨著光纖光柵所受應(yīng)力和溫度的變化而改變，因此可 以通過測(cè)量其反射譜中心波長(zhǎng)的變化確定所感知的溫度和應(yīng)力。利用這一特性可以測(cè)量許多 物理量，如應(yīng)變、應(yīng)力、溫度、振動(dòng)、壓力、電參量以及某些化學(xué)量等。和傳統(tǒng)的測(cè)量手段相比，光纖光柵傳感具有許多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、精度高、頻帶寬、可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量、耐腐蝕、不受電磁干擾、壽命長(zhǎng)、信號(hào)衰減小、穩(wěn)定性好等，在傳感技術(shù)領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注，被應(yīng)用于航空航天、土木工程、電力工業(yè)、'石化工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工 程等許多領(lǐng)域。由于光纖光柵直接制作在去掉涂敷層的單模石英光纖內(nèi)部，因此，用于檢測(cè)未知物理量 的敏感光柵和用于信號(hào)傳輸?shù)膫鬏敼饫w實(shí)際上是同一根光纖，即二者是一體的。同時(shí)，由于 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(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)必須有良好的保護(hù)，并且不能由一般的工程技術(shù)人員操作， 而必須由受過長(zhǎng)期專業(yè)訓(xùn)練的技術(shù)人員利用特殊的設(shè)備才可以實(shí)現(xiàn)。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范圍，在很大程度上抵消了光纖光柵傳 感的優(yōu)勢(shì)，嚴(yán)重阻礙了光纖光柵在傳感技術(shù)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。為此，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易 于施工，同時(shí)能夠在不改變光纖光柵傳感特性的前提下對(duì)其進(jìn)行有效保護(hù)的預(yù)制結(jié)構(gòu)，保證 光纖光柵傳感器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中能夠?yàn)橐话愎こ碳夹g(shù)人員使用，同時(shí)具有符合工程要求的 穩(wěn)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(jié)構(gòu)很多，但都建立在敏感光柵與傳輸光纖一體的基礎(chǔ)上，結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，體積較大，難以解決溫度與應(yīng)力交叉敏感的問題，不能充分發(fā)揮光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。而且不易保護(hù)，難于施工，嚴(yán)重阻礙了光纖光柵在工程領(lǐng)域的推廣。具體表現(xiàn)為(1) 目前存在的光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)采用手工封裝，重復(fù)性差，生產(chǎn)效率低，穩(wěn)定性、可 靠性和實(shí)用性難以達(dá)到工程要求，在實(shí)際使用中存在著成本高、易故障、難維護(hù)的技術(shù)缺陷。 而且直接面向最終用戶，針對(duì)特定工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，不具有普適性，難于推廣。(2) 目前存在的光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)是一體化的，也即傳感用的敏感光柵與傳輸信號(hào)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(duì)傳感器進(jìn)行保護(hù)的難度，在 實(shí)際使用中存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便安裝的技術(shù)缺陷。(3) 目前存在的光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)采用電弧放電方法連接，必須由光學(xué)專業(yè)人員利用昂 貴的焊接設(shè)備操作， 一般工程測(cè)試專業(yè)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(lǐng)域的應(yīng)用，與目前工程測(cè)試專業(yè)人員對(duì)光纖傳感技術(shù)的大量需求相矛盾。同時(shí)也增 加了現(xiàn)場(chǎng)施工的難度，為光纖光柵傳感器在現(xiàn)場(chǎng)的安裝和日常維護(hù)帶來極大的不便。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型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(cè)試專業(yè)人員使用的結(jié)構(gòu)合理、連接方便、易于安裝、便于維護(hù)、能夠適用于 多種工程測(cè)量條件的通用型分體預(yù)制插接式光纖光柵傳感器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種通用型分體預(yù)制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--個(gè)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后連接，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(hù)層。 所述光纖光柵還包袪敏感體蓋層。所述連接體和敏感體為片狀，敏感體插入連接體內(nèi)組成內(nèi)插式連接；或連接體插入敏感 體內(nèi)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(nèi)組成內(nèi)插式連接或敏感體插入連接體 內(nèi)組成外插式連接。所述曲面為凸面或凹面。 本實(shí)用新型的制作方法， 首先，制作連接體-以浸膠紙或膠膜為材料，用機(jī)械方法獲得所需尺寸的長(zhǎng)方體，然后在其下表面開一個(gè)深 度為0.1~0.2mm的方形或V型淺槽或按所需尺寸確定，并用機(jī)械方法在長(zhǎng)方體中間加工一個(gè) 符合預(yù)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(hù)套和涂覆層剝掉，得到預(yù)定長(zhǎng)度的裸光纖，清洗后備用；將粘結(jié)劑均勻涂于方形或V型淺槽中，放入清洗好的裸光纖，然后覆蓋一層浸膠紙或膠 膜作為連接體基底，并壓實(shí)、粘牢；最后，在相對(duì)的表面上粘貼用膠塊或金屬制作的保護(hù)層，并利用光學(xué)加工方法把傳輸光 纖端面加工成符合預(yù)定要求的平面或凹面形狀，完成連接體的制作；其次，制作敏感體以同樣的浸膠紙或膠膜為材料，用機(jī)械方法獲得與連接體方孔幾何尺寸相匹配的長(zhǎng)方體， 然后在其下表面，位置與連接體開槽位置相同處，開一個(gè)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；選擇制作好的光纖光柵，切除傳輸光纖部分，得到敏感光柵；將粘結(jié)劑均勻涂于方形或V型淺槽中，放入制備好的敏感光柵，然后覆蓋一層浸膠紙作 為敏感體基底，并壓實(shí)、粘牢；最后，利用光學(xué)加工方法把敏感光柵端面加工成符合預(yù)定要求的平面或凹面，完成敏感 體的制作。本實(shí)用新型的另一制作方法，首先，制作連接體以浸膠紙或膠膜為基體，用機(jī)械方法獲得所需尺寸的圓柱體，然后在其軸線位置幵一個(gè) 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(hù)套和涂覆層剝掉，得到預(yù)定長(zhǎng)度的裸光纖，清洗后備用；將制備好的傳輸光纖穿入圓孔內(nèi)，并在圓孔兩端將傳輸光纖粘牢；最后，用光學(xué)加工方法把傳輸光纖端面加工成符合預(yù)定要求的平面或曲面，即凸面或凹 面形狀，完成連接體的制作； 其次，制作敏感體以同樣的浸膠紙或膠膜為基底，用機(jī)械方法獲得與連接體所開圓孔幾何尺寸相匹配的圓 柱體，然后在軸線位置，位置與連接體開孔位置相同處，開一個(gè)同樣直徑的圓形通孔，得到 敏感體基底；選擇制作好的光纖光柵，切除傳輸光纖部分，得到敏感光柵； 將敏感光柵傳入圓孔內(nèi)，并在圓孔兩端將其粘牢；最后，利用光學(xué)加工方法把敏感光柵端面加工成符合預(yù)定要求的平面或曲面(凹面或凸 面)，完成敏感體的制作。本實(shí)用新型的使用方法，使用時(shí)首先要把被測(cè)表面清理干凈，然后將粘結(jié)劑均勻涂在敏 感體基底上，并把敏感體粘貼在被測(cè)表面；最后在敏感體的上表面均勻涂膠，并把連接體插 接在敏感體上，對(duì)齊、粘牢后即可。本實(shí)用新型另一使用方法，使用時(shí)首先要利用夾具把敏感體與被測(cè)物體固定在一起，也 可以把敏感體粘貼在被測(cè)物體表面上，然后在敏感體的外表面均勻涂膠，并把連接體插接在 敏感體上，對(duì)齊、粘牢后即可。本實(shí)用新型包括敏感體和連接體兩個(gè)主要組成部分，可以采用相同的材料制作，也可以 采用不同的材料制作，彼此之間通過機(jī)械插接的方式連接在一起，并輔以化學(xué)粘貼的方式保 證兩者緊密地結(jié)合成一個(gè)整體。具體結(jié)構(gòu)表述如下-* 敏感體敏感體呈規(guī)則的片狀或柱狀，主要目的是將外界被瀾物理量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化。它包 括光纖光柵、基底和蓋層三個(gè)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-■光纖光柵利用去掉涂敷層的單模石英光纖制作，只保留對(duì)壓力或溫度敏感的敏 感光柵部分，其余部分(傳輸光纖部分)則盡可能切除。切割后的端面可以根據(jù) 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 采用浸膠紙或膠膜制作，也可以根據(jù)測(cè)量條件采用萁他材料(如金屬薄膜)制作?！錾w層 采用浸膠紙或膠膜制作，也可以根據(jù)測(cè)量條件采用其他材料(如金屬薄膜)制作。 一般與基底材料相同。*連接體連接體呈規(guī)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(cè)裝 置，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。連接體包括傳輸光纖、基底、蓋層和保護(hù)層四個(gè)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(nèi)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制作。不帶連接器的一 端去掉護(hù)套和涂敷層作為傳輸光纖，并且根據(jù)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?！龌?采用浸膠紙或膠膜制作，也可以根據(jù)測(cè)量條件采用其他材料(如金屬薄膜)制作?！錾w層 采用浸膠紙或膠膜制作，也可以根據(jù)測(cè)量條件采用其他材料(如金屬薄膜)制作。 一般與基底材料相同。 ■保護(hù)層根據(jù)測(cè)量條件采用膠膜或其他材料(如金屬薄膜)制作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型主要具有以下優(yōu)點(diǎn)(1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增強(qiáng)了光纖光柵的抗剪切能力，易于通過工程手段解決應(yīng)力與溫度的交 叉敏感問題。(2) 分體式結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)單，粘貼方便，使用靈活，既利于保護(hù)光纖光柵，又易于工程測(cè) 試人員安裝維護(hù)。(3) 插接式連接操作簡(jiǎn)單，連接可靠，利于工程測(cè)試人員使用，能夠極大地推動(dòng)光纖光柵傳感在各領(lǐng)域的使用。(4) 通用型結(jié)構(gòu)便于機(jī)械加工，成本低廉，既利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，又可以提高光纖光柵傳 感的穩(wěn)定性和重復(fù)性。(5) 可以根據(jù)實(shí)際情況選擇單端或雙端連接方式，既易實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量，也易構(gòu)成分布式 傳感網(wǎng)絡(luò)。

圖1為片狀分體內(nèi)插接式光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)剖面圖； 圖2為片狀分體外插接式光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)剖面圖； 圖3為柱狀分體內(nèi)插接式光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)剖面圖； 圖4為柱狀分體外插接式光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)剖面圖；其中，l.敏感體，ll.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(hù)層，3.端面。 具體實(shí)施方案實(shí)施例1:片狀分體插接式光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)，如圖l,圖2所示。以浸膠紙為材料，用機(jī)械方法獲得所需尺寸的長(zhǎng)方體連接體2，然后在其下表面開一個(gè) 深度為0.1~0.2mm的方形或V型淺槽(具體尺寸根據(jù)需要選擇)，并用機(jī)械方法在長(zhǎng)方體中 間加工一個(gè)符合預(yù)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(hù)套和涂覆層剝掉，得到預(yù)定長(zhǎng)度的 裸光纖，清洗后備用。將粘結(jié)劑均勻涂于方形或V型淺槽中，放入淸洗好的裸光纖，然后覆 蓋一層浸膠紙作為連接體基底22，并壓實(shí)、粘牢。最后，在相對(duì)的表面上粘貼用膠塊或金屬 制作的連接體保護(hù)層24,并利用光學(xué)加工方法把傳輸光纖21的端面3加工成符合預(yù)定要求 的平面或凹面形狀，完成連接體2的制作。以同樣的浸膠紙為材料，用機(jī)械方法獲得與連接體方孔幾何尺寸相匹配的長(zhǎng)方體，然后 在其下表面(具體位置與連接體開槽位置相同)開一個(gè)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。選擇制作好的光纖光柵11，切除傳輸光纖21部分，得到敏感 光柵。將粘結(jié)劑均勻涂于方形或V型淺槽中，放入制備好的敏感光柵，然后覆蓋一層浸膠紙 作為敏感體基底12，并壓實(shí)、粘牢。最后，利用光學(xué)加工方法把敏感光柵端面3加工成符合 預(yù)定要求的平面或凹面，完成敏感體l的制作。實(shí)際使用時(shí)，首先要把被測(cè)表面清理干凈，然后將粘結(jié)劑均勻涂在敏感體基底12上，并 把敏感體l粘貼在被測(cè)表面。最后在敏感體1的上表面均勻涂膠，并把連接體2插接在敏感 體l上，對(duì)齊、粘牢后即可得到圖l所示的片狀分體插接式光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)。在實(shí)施過程中，可以根據(jù)測(cè)量要求的不同選擇不同的基底材料和粘結(jié)劑，以得到不同的 測(cè)量精度。也可以把連接體2插入敏感體1的內(nèi)部而得到圖2所示的結(jié)構(gòu)，它和圖l所示結(jié) 構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一樣的。實(shí)施例2:柱狀分體插接式光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)，如圖3,圖4所示。以浸膠紙為連接體基底22，用機(jī)械方法獲得所需尺寸的圓柱體，然后在其軸線位置開一 個(gè)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(hù)套和涂覆層剝掉，得到預(yù)定長(zhǎng)度的裸光纖，清洗后備用。將制備好 的傳輸光纖穿入圓孔內(nèi)，并在圓孔兩端將傳輸光纖21粘牢。最后，用光學(xué)加工方法把傳輸光 纖21的端面3加工成符合預(yù)定要求的平面或曲面(凸面或凹面)形狀，完成連接體2的制作。以同樣的浸膠紙為基底，用機(jī)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， 然后在軸線位置(具體位置與連接體開孔位置相同)開一個(gè)同樣直徑的圓形通孔，得到敏感 體基底12。選擇制作好的光纖光柵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(nèi)，并在圓孔兩端將其粘牢。最后，利用光學(xué)加工方法把敏感光柵端面3加工成符合預(yù) 定要求的平面或曲面(凹面或凸面)，完成敏感體l的制作。實(shí)際使用時(shí)，首先要利用夾具把敏感體1與被測(cè)物體固定在一起，然后在敏感體的外表
面均勻涂膠，并把連接體插接在敏感體上，對(duì)齊、粘牢后即可得到圖3所示的柱狀分體插接 式光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)。也可以把敏感體1粘貼在被測(cè)物體表面上。在實(shí)施過程中，可以根據(jù)測(cè)量要求的不同選擇不同的基底材料和粘結(jié)劑，以得到不同的 測(cè)量精度。也可以把連接體2插入敏感體1的內(nèi)部而得到圖4所示的結(jié)構(gòu)，它和圖3所示結(jié) 構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一樣的。
權(quán)利要求1、一種通用型分體預(yù)制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)，其特征是它還有至少一個(gè)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)插接后連接，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(jù)權(quán)利要求1所述的通用型分體預(yù)制插接式光纖光柵傳感器，其特征是所述連接 體(2)還包括連接體蓋層(23)和連接體保護(hù)層(24)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用型分體預(yù)制插接式光纖光柵傳感器，其特征是所述光纖 光柵(11)還包括敏感體蓋層(13)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的通用型分體預(yù)制插接式光纖光柵傳感器，其特征是 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(nèi)組成內(nèi)插式連接； 或連接體(2)插入敏感體(1)內(nèi)組成外插式連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的通用型分體預(yù)制插接式光纖光柵傳感器，其特征是 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(nèi)組成內(nèi)插式連接或 敏感體(1)插入連接體(2)內(nèi)組成外插式連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用型分體預(yù)制插接式光纖光柵傳感器，其特征是所述曲面 為凸面或凹面。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種通用型分體預(yù)制插接式光纖光柵傳感器及其制作和使用方法。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(cè)試專業(yè)人員使用的結(jié)構(gòu)合理、連接方便、易于安裝、便于維護(hù)、能夠適用于多種工程測(cè)量條件等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)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(gè)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后連接，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(hào)G02B6/34GK201017059SQ20072001921
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2007年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月8日
發(fā)明者李東升, 磊 賈, 趙紅生, 陳祥力, 隋青美 申請(qǐng)人:山東大學(xué)