一种真空封装的光纤光栅倾角传感器、制造方法及应用

技术领域

本发明属于光纤光栅倾角传感器设计技术领域，尤其涉及一种真空封装的光纤光栅倾角传感器、制造方法及应用。

背景技术

目前，光纤光栅传感器的组成包括光纤光栅元件、传感器基体、以及将光纤光栅元件粘贴在传感器基体上的封装体。目前，封装体主要采用的是环氧树脂粘合剂。虽然光纤光栅元件自身为玻璃材质，具有耐腐蚀、寿命长的优势，但由于封装体为环氧树脂，环氧树脂易老化脱落，导致光纤光栅元件的粘贴失效，进而导致整个光纤光栅传感器失效。目前光纤光栅传感器的寿命严重局限于封装体的有效时间，通常环氧树脂在2～3年、湿热环境下甚至几个月就老化失效，这不仅使光纤光栅传感器的性能参数发生改变而无法准确测量，更将大大缩短光纤光栅传感器的寿命。当前的光纤光栅传感器已经发展了很多种类，但包括工程适用性、测量准确性、稳定性等在内的问题一直没有得到很好的解决，在很大程度上限制了其应用和推广。

中国建筑材料科学研究总院研发了一种可实现玻璃与金属、陶瓷、玻璃、半导体之间的相互粘接和气密性封装的密封材料，在玻璃基材的封接中，具有较低软化温度的玻璃粉首先形成液相，润湿玻璃基层，形成界面清晰、无明显裂纹、结合紧密的良好密封层，同时在界面处出现少量的元素扩散，提高封边结合性能，可以很好的将光栅封装在玻璃基底上，同时，与其它密封材料相比，具有电绝缘性能好，粘接强度高，化学稳定性好、耐腐蚀性强等优势。

玻璃具有可调的软化温度和烧结温度、热膨胀系数，良好的电绝缘性，高化学稳定性(抗水、耐蚀)和耐久性，以及高的机械强度等特性。玻璃的密封性良好，可以杜绝水分、灰尘等进入，避免对元件造成影响。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有采用环氧树脂粘合剂的封装体中，由于环氧树脂易老化脱落，导致光纤光栅元件的粘贴失效，进而导致整个光纤光栅传感器失效。

(2)目前光纤光栅传感器的寿命严重局限于封装体的有效时间，通常环氧树脂在2～3年、湿热环境下甚至几个月就老化失效，使光纤光栅传感器的性能参数发生改变而无法准确测量，更大大缩短光纤光栅传感器的寿命。

(3)当前的光纤光栅传感器包括工程适用性、测量准确性、稳定性等在内的问题一直没有得到很好的解决，在很大程度上限制了其应用和推广。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种真空封装的光纤光栅倾角传感器、制造方法及应用，旨在解决现有的传统光纤光栅传感器面临的由环氧树脂胶老化失效所导致的传感器性能及寿命下降的技术问题。

本发明是这样实现的，一种真空封装的光纤光栅倾角传感器，所述真空封装的光纤光栅倾角传感器包括：

应变悬臂梁，用于选用特种玻璃或特种合金制作；

摆锤，用于通过8字金属扣环与悬臂梁下端通孔连接；

测量光纤光栅，用于水平固定于应变悬臂梁，封接工艺为封接玻璃粉封接；

传感器瓶盖，包括悬臂梁卡槽、插销槽、封接槽、光纤及光纤封接孔、抽真空孔；所述悬臂梁卡槽与封接槽组合贯通瓶盖，应变悬臂梁插入并固定于悬臂梁卡槽内；插销槽用于辅助悬臂梁的固定工艺；悬臂梁固定后再于封接槽内以封接玻璃粉封接工艺对该部位进行密封；所述光纤及光纤封接孔为传感器内光纤的进入与伸出的预留孔，封接孔与光纤孔两者组合贯通瓶盖，封接孔的作用与封接槽相同；所述抽真空孔单孔贯通瓶盖，即作传感器内部抽真空用；

传感器外壳为钢化玻璃瓶，内部抽真空。

进一步，所述应变悬臂梁材质选用特种玻璃或特种合金。

其中，当材质选用特种玻璃时，通过激光切割机将一定厚度的玻璃面切割加工成所设计形状尺寸，再放入玻璃钢化炉中进行钢化过程，梁两端均打通孔；当材质选用特种合金时，通过激光切割成设计样式即可。

进一步，所述封接玻璃粉封接工艺，包括：

当应变悬臂梁为特种玻璃时，将光纤两端水平拉直，栅区置于应变悬臂梁轴线中心处，选用特定型号的封接玻璃粉均匀铺覆在光栅上；将应变悬臂梁连同光纤光栅小心放入IR二次加热炉内，设定特定温度加热步程，完成光栅封接工作后取出；当应变悬臂梁为可伐合金时，封接工艺不变，改变所用封接玻璃粉型号即可；所述悬臂梁选用材质不同时，所用封接玻璃粉型号相应不同。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的真空封装的光纤光栅倾角传感器的真空封装的光纤光栅倾角传感器的制造方法，所述真空封装的光纤光栅倾角传感器的制造方法包括以下步骤：

步骤一，制作传感器应变悬臂梁；

步骤二，在应变悬臂梁上对光纤光栅进行封装；

步骤三，传感器整体的拼装与封接。

进一步，步骤一中，所述制作传感器应变悬臂梁，包括：

将设计厚度的特种玻璃面用激光切割机切割成所设计形状尺寸的玻璃片；将切割好的玻璃片放入高温钢化炉中进行钢化；在钢化玻璃片中心轴线两端打圆形通孔，所述圆形通孔与插销槽重合，应变悬臂梁制作完成；当材质选用特种合金时，无需进行钢化步骤，其它步骤保持一致。

进一步，步骤二中，所述在应变悬臂梁上对光纤光栅进行封装，包括：

将选取光纤光栅其栅区的涂覆层剥除；将光纤拉直放置在玻璃悬臂梁上，将封接玻璃粉堆放并完全覆盖栅区；将光纤两端水平拉直，栅区置于应变悬臂梁轴线中心处，选用特定型号的封接玻璃粉均匀铺覆在光栅上；将应变悬臂梁连同光纤光栅小心放入IR二次加热炉内，完成光栅封接工作后取出。

进一步，步骤三中，所述传感器整体的拼装与封接，包括：

向传感器瓶身主体生成模具、传感器瓶盖主体生成模具内浇注预设温度的玻璃溶液，冷却凝固后取出；将悬臂梁卡入悬臂梁卡槽中，通过插销插入悬臂梁通孔和插销槽中进行固定，后续通过在孔槽中铺入所述封接玻璃粉对传感器瓶盖进行封接；封接完成后，瓶身和传感器瓶盖之间使用封接玻璃粉进行密封；通过瓶身预留的小孔对玻璃瓶内部进行抽真空操作后，封上抽真空专用的玻璃胶，即可让玻璃瓶内部处于真空状态；其中，所述传感器外壳与瓶盖的形状均制造成圆柱体。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述真空封装的光纤光栅倾角传感器的光纤光栅解调仪。

本发明的另一目的在于提供一种所述真空封装的光纤光栅倾角传感器在电力工业应用、工程结构检测领域、航空航天、医学领域检测上的应用。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的真空封装的光纤光栅倾角传感器，相较于传统光纤光栅倾角传感器而言，采用了特种玻璃基片或特种合金作为应变悬臂梁，与传统不锈钢悬臂梁相比具备更优秀的力学性能；光栅封装方式也从传统的环氧树脂胶封改进为封接玻璃粉封装，解决了应变悬臂梁与封装材料之间的材料不相容性问题，同时避免了环氧树脂会随着时间推移氧化，导致光纤封接处的封胶脱落造成传感器失效；传感器整体封装工艺为低温玻璃粉封接后结合抽真空进行密封，在真空环境下，封装有光纤光栅的传感器不易受到外界环境温度波动的影响，可实现一根测量光纤完成高精度测量任务，无需温补光纤；真空密封可以避免内部金属部件氧化，从而大大延长传感器使用寿命。

通过真空封装的光纤光栅倾角传感器的制造方法可实现方案获得的真空封装的光纤光栅倾角传感器。相比于传统金属外壳、基底和环氧树脂粘胶封装而成的光纤光栅传感器，本发明采用玻璃封装的光纤光栅传感器，外壳制造相比于传统金属价格更加低廉，在制作工艺上更易于将外壳内部环境制成真空，防止内部基片发生腐蚀，耐久性强；在封装工艺上，将环氧树脂替换成为封接玻璃粉；光纤光栅元件不会因为封装体的老化脱落粘贴失效而损坏；并且在真空环境下，封装有光纤光栅的传感器不易受到外界环境温度波动的影响，因此在测量结构里无需再添加温度补偿光栅，从而节省了50％的光纤光栅使用，并使相同参数的光纤光栅解调器的容量提高1倍，大大提高了工程应用的经济性。

本发明提供的倾角传感器光栅封装方式从传统的环氧树脂胶封改进为封接玻璃粉封装，避免了环氧树脂会随着时间推移氧化导致光纤封接处的封胶脱落造成传感器失效；同时传感器整体封装工艺为低温玻璃粉封接后结合抽真空进行密封，在真空环境下，封装有光纤光栅的传感器不易受到外界环境温度波动的影响，可实现一根测量光纤完成高精度测量任务，无需温补光纤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的真空封装的光纤光栅倾角传感器的制造方法流程图。

图2是本发明实施例提供的传感器完成的最终效果图。

图3是本发明实施例提供的应变悬臂梁的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的光纤光栅封接完成的应变悬臂梁结构示意图。

图5是本发明实施例提供的传感器瓶盖的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种真空封装的光纤光栅倾角传感器及其制造方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的真空封装的光纤光栅倾角传感器的制造方法包括以下步骤：

S101，制作传感器应变悬臂梁；

S102，在应变悬臂梁上对光纤光栅进行封装；

S103，传感器整体的拼装与封接。

参见图2～5，该真空封装的光纤光栅倾角传感器整体完成图2、包括应变悬臂梁2、光纤光栅封接完成的应变悬臂梁3、传感器瓶盖4。

参见图2，内部空腔11，8字金属扣环12，摆锤13，传感器整体制作完成如图2所示。

参见图3，应变悬臂梁2包括轴心两端通孔21、通孔22。通孔21连接8字扣环及摆锤，通孔21与插销槽可重合，用于悬臂梁固定。

参见图4，光纤光栅封接完成的应变悬臂梁3包括测量光纤31、栅区上均匀铺有封接玻璃粉32。

参见图5，传感器瓶盖4包括悬臂梁卡槽41、插销槽42、封接槽43、光纤及光纤封接孔44、抽真空孔45。所述悬臂梁卡槽与封接槽组合贯通瓶盖，应变悬臂梁插入并固定于悬臂梁卡槽内；插销槽用于辅助悬臂梁的固定工艺；悬臂梁固定后再于封接槽内铺以封接玻璃粉，结合相应的封接工艺对该部位进行密封。所述光纤及光纤封接孔为传感器内光纤的进入与伸出的预留孔，封接孔与光纤孔两者组合贯通瓶盖，封接孔的作用与封接槽相同。所述抽真空孔单孔贯通瓶盖，即作传感器内部抽真空用。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明实施例提供的真空封装的光纤光栅倾角传感器，包括：

应变悬臂梁，选用特种玻璃或特种合金制作；

摆锤，通过8字金属扣环与悬臂梁下端通孔连接；

测量光纤光栅，水平固定于应变悬臂梁上，封接工艺为封接玻璃粉封接；

封接玻璃粉封接工艺。当将封接玻璃粉均匀铺在待封接处，放入IR二次加热炉内，设定特定温度加热步程后开始进行加热，加热完毕后冷却取出，光栅封接工作完成；

传感器瓶盖，其内部包括悬臂梁卡槽、插销槽、封接槽、光纤及光纤封接孔、抽真空孔。所述悬臂梁卡槽与封接槽组合贯通瓶盖，应变悬臂梁插入并固定于悬臂梁卡槽内；插销槽用于辅助悬臂梁的固定工艺；悬臂梁固定后再于封接槽内以封接玻璃粉封接工艺对该部位进行密封。所述光纤及光纤封接孔为传感器内光纤的进入与伸出的预留孔，封接孔与光纤孔两者组合贯通瓶盖，封接孔的作用与封接槽相同。所述抽真空孔单孔贯通瓶盖，即作传感器内部抽真空用；

传感器外壳为钢化玻璃瓶，内部抽真空。

本发明实施例提供的应变悬臂梁，材质上选用特种玻璃或特种合金。所述特种玻璃所具备的优势包括，具备良好的物理、化学特性，可加工成一定厚度的玻璃基片；耐高温，玻璃粉封接工艺中包含高温步骤；适宜化学钢化等特点。所述特种合金片所具备的优势包括，耐高温、弹性好；与玻璃粉材料相容性强，易于光栅封接。

本发明实施例提供的应变悬臂梁，材料选用特种玻璃时，通过激光切割机将一定厚度的玻璃面切割加工成所设计形状尺寸，再放入玻璃钢化炉中进行钢化过程，梁两端均打通孔；材料选用特种合金时，通过激光切割成设计样式即可。

本发明实施例提供的摆锤，通过8字扣环与悬臂梁下端通孔连接。

本发明实施例提供的测量光栅，封接工艺为封接玻璃粉封接。需要注意的是，悬臂梁选用材质不同时，所用封接玻璃粉型号也不同。

本发明实施例提供的封接玻璃粉封接工艺，当应变悬臂梁为特种玻璃时，将光纤两端水平拉直，其栅区置于应变悬臂梁轴线中心处，选用特定型号的封接玻璃粉均匀铺覆在光栅上。将应变悬臂梁连同光纤光栅小心放入IR二次加热炉内，设定特定温度加热步程，完成光栅封接工作后取出；当应变悬臂梁为可伐合金时，封接工艺不变，改变所用封接玻璃粉型号即可；

本发明实施例提供的传感器瓶盖，其内部包括悬臂梁卡槽、插销槽、封接槽、光纤及光纤封接孔、抽真空孔。所述悬臂梁卡槽与封接槽组合贯通瓶盖，应变悬臂梁插入并固定于悬臂梁卡槽内；插销槽用于辅助悬臂梁的固定工艺；悬臂梁固定后再于封接槽内铺以封接玻璃粉，结合相应封接工艺对该部位进行密封。所述光纤及光纤封接孔为传感器内光纤的进入与伸出的预留孔，封接孔与光纤孔两者组合贯通瓶盖，封接孔的作用与封接槽相同。所述抽真空孔单孔贯通瓶盖，即作传感器内部抽真空用；

本发明实施例提供的传感器外壳，材质为钢化玻璃瓶，内部抽真空。在真空环境下，封装有光纤光栅的传感器不易受到外界环境温度波动的影响，可实现一根测量光纤完成高精度测量任务，无需温补光纤。

本发明实施例提供的真空封装的光纤光栅倾角传感器的制造方法包括如下步骤：

制作传感器应变悬臂梁，在应变悬臂梁上对光纤光栅进行封装，对传感器整体部件的拼装与封接；

将设计厚度的特种玻璃面用激光切割机切割成所设计形状尺寸的玻璃片；

将切割好的玻璃片放入高温钢化炉中进行钢化，进一步提高玻璃片的物理力学性能；

在钢化玻璃片中心轴线两端打圆形通孔，所述圆形通孔与插销槽重合，应变悬臂梁制作完成；

当悬臂梁材质选用特种合金时，无需进行钢化步骤，其它步骤保持一致；

将选取光纤光栅其栅区的涂覆层剥除，将光纤拉直放置在玻璃悬臂梁上，将封接玻璃粉均匀堆放并完全覆盖栅区；

将所述悬臂梁及光纤光栅、封接玻璃粉一起放入IR二次加热炉中，设置特定温度加热步程后开始进行加热，加热完毕后冷却取出，光栅封接工作完成；

向传感器瓶身主体生成模具、传感器瓶盖主体生成模具内浇注预设温度的玻璃溶液，冷却凝固后取出；

将所述悬臂梁卡入悬臂梁卡槽中，通过插销插入悬臂梁通孔和插销槽中进行固定，后续通过在孔槽中铺入所述封接玻璃粉对传感器瓶盖进行封接。封接完成后，瓶身和传感器瓶盖之间使用封接玻璃粉进行密封，然后通过瓶身预留的小孔对玻璃瓶内部进行抽真空操作，之后封上抽真空专用的玻璃胶，即可让玻璃瓶内部处于真空状态。

本发明实施例提供的传感器外壳与瓶盖的形状均制造成圆柱体。

本发明实施例提供的真空封装的光纤光栅倾角传感器，该倾角传感器光栅封装方式从传统的环氧树脂胶封改进为封接玻璃粉封装，避免了环氧树脂会随着时间推移氧化导致光纤封接处的封胶脱落造成传感器失效；同时传感器整体封装工艺为低温玻璃粉封接后结合抽真空进行密封，在真空环境下，封装有光纤光栅的传感器不易受到外界环境温度波动的影响，可实现一根测量光纤完成高精度测量任务，无需温补光纤。

下面结合工作原理对本发明的技术方案作进一步描述。

将本传感器1与平行固定于工程待测面上或安装入工程测斜管中，当工程体在竖直方向上发生倾斜时，带动本传感器及传感器瓶内摆锤13会同步发生一致倾斜，摆锤13自重在垂直于应变悬臂梁方向上的分力使悬臂梁发生变形。同步地，封装在应变悬臂梁上的封装体及光栅也会产生张拉变形，与之相连的光纤光栅解调仪上的监测的光纤波长数值会立即发生变化。此时根据前期传感器的标定工作即可由监测数据得出工程检测面的倾斜角度θ与倾斜速度v等。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid StateDisk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。