一种全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器及其封装方法

摘要

本发明提供了一种全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器的封装方法，其中，包括如下步骤：S110，开启加热平台，将所述平台温度设定一个阈值范围；S120，将特种光纤光栅放置于带凹槽的金属细棒中，将两者放置于步骤S110中所述的加热平台上加热；S130，对步骤S120中的所述光纤光栅两端施加一定的拉应力；S140，将金属合金填入步骤S120中的所述凹槽，采用超声加热的方式使得所述金属合金、光纤光栅以及带有凹槽的金属细棒间有效的结合在一起；S150，关闭所述加热平台，使所述加热平台自然冷却；S160，将所述光纤光栅一端的多余尾签切断，将步骤S150中得到所述带有凹槽的金属细棒涂覆导热硅脂并固定于金属管中得到全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器。

权利要求

1.一种全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器的封装方法，其中，包括如下步骤：S110，开启加热平台，将所述平台温度设定一个阈值范围，加热平台的加热温度的阈值为280°至320°；

S120，将特种光纤光栅放置于带凹槽的金属细棒中，将两者放置于步骤S110中所述的加热平台上加热；

S130，对步骤S120中的所述光纤光栅两端施加一定的拉应力；

S140，将金属合金填入步骤S120中的所述凹槽，采用超声加热的方式使得所述金属合金、光纤光栅以及带有凹槽的金属细棒间有效的结合在一起；

S150，关闭所述加热平台，使所述加热平台自然冷却；

S160，将所述光纤光栅一端的多余尾签切断，将步骤S150中得到所述带有凹槽的金属细棒涂覆导热硅脂并固定于金属管中得到全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器。

2.根据权利要求1所述的全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器的封装方法，其中，步骤S110中所述加热平台的加热时间为30-120min。

3.根据权利要求1所述的全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器的封装方法，其中，步骤S140中所述金属合金包括耐热钢、金、银中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器的封装方法，其中，步骤S160中固定方法采用螺纹紧固。

5.一种采用权利要求1的方法制造的全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器，其中，包括：带有凹槽的金属细棒、在所述金属细棒内部的光纤光栅、与所述金属细棒和所述光纤光栅相结合的金属合金、涂覆在所述金属细棒表面的导热硅脂以及起包裹作用的金属管。

说明书

一种全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器及其封装方法

技术领域

[0001] 本发明涉及耐低温传感器领域，特别涉及一种全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器及其封装方法。

背景技术

[0002] 通常，光纤传感器是以光纤为媒介，用来检测光在光纤中传播时，因光纤的全部或部分环节所在环境(物理量、化学量或生物量等)的变化带来光传输特性改变的装置。光纤传感器具有尺寸小、重量轻、精度和灵敏度高、抗电磁干扰、抗辐射、耐腐蚀、防火、防爆、寿命长等优点而被广泛应用于各行业。

[0003] 光纤光栅传感器是光纤传感器的一种，属于波长调制型光纤传感器。光纤光栅传感器是通过光纤光栅所在环境(物理量、化学量或生物量)的变化引起波长调制获取传感信息。基于波长编码的光纤光栅传感器，不仅具有光纤传感器的所有优点，还具有自参考，多物理量(温度、应变、压力等)同时测量，波分复用，易与通信光纤熔接组成分布式传感网络、实现远程传输等优点，且可分布式的埋入材料中形成“智能材料”。目前光纤光栅传感器已经广泛应用于土木、风电、复合材料等领域。

[0004] 光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)是最常见、应用最广的一种光纤光栅，其折射率呈周期性调制分布，且折射率调制深度与光栅周期均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向相一致。当一束光经过光纤光栅时，对满足布拉格相位匹配条件的光产生很强的反射，对不满足布拉格相位匹配条件的光只有微弱的部分被反射回来。由麦克斯韦经[0005] 典方程和光纤耦合波理论可得，当满足相位匹配条件时，光纤光栅的布拉格波长λB为：

[0006] λB＝2neffΛ  (1)

[0007] 式中：neff为纤芯的有效折射率；Λ为光栅栅格周期。

[0008] 由式(1)可知影响布拉格波长λB的因素主要为纤芯的有效折射率n eff和光栅栅格周期Λ，任何能够引起Λ和neff变化的因素都能导致λB的改变。当光纤光栅受到外界温度或应力的作用时，温度和应力分别通过热光效应和弹光效应影响neff，通过热膨胀效应和弹性变形影响Λ，从而导致布拉格波长λB发生变化。因此，通过检测光纤光栅的布拉格波长λB的变化即可获知温度、应力/应变的变化，从而对被测构件进行实时监测。

[0009] 但是，现有的封装方法采用的封装材料无法在超低温环境下进行工作，并且很容易受到环境温度影响，导致封装材料蠕变和老化。

[0010] 因此，需要一种能有效地光纤光栅温度传感器和封装方法来解决上述问题。

发明内容

[0011] 本发明的目的在于提供一种全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器的封装方法，其中，包括如下步骤：

[0012] S110，开启加热平台，将所述平台温度设定一个阈值范围；

[0013] S120，将特种光纤光栅放置于带凹槽的金属细棒中，将两者放置于步骤S110中所述的加热平台上加热；

[0014] S130，对步骤S120中的所述光纤光栅两端施加一定的拉应力；

[0015] S140，将金属合金填入步骤S120中的所述凹槽，采用超声加热的方式使得所述金属合金、光纤光栅以及带有凹槽的金属细棒间有效的结合在一起；

[0016] S150，关闭所述加热平台，使所述加热平台自然冷却；

[0017] S160，将所述光纤光栅一端的多余尾签切断，将步骤S150中得到所述带有凹槽的金属细棒涂覆导热硅脂并固定于金属管中得到全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器。

[0018] 优选的，步骤S110中所述加热平台的加热温度的阈值为280°至320°。

[0019] 优选的，步骤S110中所述加热平台的加热时间为30-120min。

[0020] 优选的，步骤S140中所述金属合金包括耐热钢、金、银中的一种或几种。

[0021] 优选的，步骤S160中固定方法采用螺纹紧固。

[0022] 一种采用上述封装的方法制造的全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器，其中，包括：带有凹槽的金属细棒、在所述金属细棒内部的光纤光栅、与所述金属细棒和所述光纤光栅相结合的金属合金、涂覆在所述金属细棒表面的导热硅脂以及起包裹作用的金属管。

[0023] 应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

[0024] 参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

[0025] 图1示出了本发明的一种全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器的封装方法的流程示意图。

[0026] 图2示出了本发明的全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器的结构示意图。

[0027] 图3a和图3b分别示出了本发明的全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器的降温过程和升温过程的温度与布拉格波长之间的变化曲线。

具体实施方式

[0028] 通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

[0029] 在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

[0030] 图1示出了本发明的一种全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器的封装方法的流程示意图。如图1所示，

[0031] 一种全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器的封装方法，其中，包括如下步骤：

[0032] 在步骤110，开启加热平台，将所述平台温度设定一个阈值范围；在步骤120，将特种光纤光栅放置于带凹槽的金属细棒中，将两者放置于步骤110中所述的加热平台上加热；在步骤130，对步骤120中的所述光纤光栅两端施加一定的拉应力；在步骤140，将金属合金填入步骤120中的所述凹槽，采用超声加热的方式使得所述金属合金、光纤光栅以及带有凹槽的金属细棒间有效的结合在一起；在步骤150，关闭所述加热平台，使所述加热平台自然冷却；在步骤160，将所述光纤光栅一端的多余尾签切断，将步骤150中得到所述带有凹槽的金属细棒涂覆导热硅脂并固定于金属管中得到全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器。

[0033] 优选的，步骤110中所述加热平台的加热温度的阈值为280°至320°。

[0034] 优选的，步骤110中所述加热平台的加热时间为30-120min。

[0035] 优选的，步骤140中所述金属合金包括耐热钢、金、银中的一种或几种。

[0036] 优选的，步骤160中固定方法采用螺纹紧固。

[0037] 图2示出了本发明的全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器的结构示意图。如图2所示，

[0038] 一种采用权利要求1的方法制造的全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器包括：带有凹槽206的金属细棒201、在所述金属细棒201内部的光纤光栅202、与所述金属细棒201和所述光纤光栅202相结合的金属合金203、涂覆在所述金属细棒201表面的导热硅脂204以及起包裹作用的金属管205。

[0039] 图3a和图3b分别示出了本发明的全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器的降温过程和升温过程的温度与布拉格波长之间的变化曲线。

[0040] 如图3a所示，定义光栅光纤的布拉格波长为λ1，温度为T，随着温度降低，例如T从0℃至﹣160℃，光纤光栅的布拉格波长λ1＝0.02599T+1559.6704，带入公式，则光纤光栅的布拉格波长λ1的变化范围λ1＝1559.6704至λ1＝1555.512。

[0041] 如图3b所示，定义光栅光纤的布拉格波长为λ2，温度为T，随着温度升高，例如T从﹣160℃至0℃，光纤光栅的布拉格波长λ2＝0.02977T+1560.2624，带入公式，则光纤光栅的布拉格波长λ2的变化范围λ2＝1555.4992至λ2＝1560.2624。

[0042] 本发明的有益效果至少在于：

[0043] 本发明的全金属化的耐低温光纤光栅温度传感器采用金属合金对光纤光栅和带有凹槽的金属细棒间进行封装，这种封装不受应力和应变的影响，栅区部分完全由金属合金密封封装，不受环境温度影响，可以在超低温下工作，不存在封装材料的蠕变、老化问题。

[0044] 结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。