用于高湿度环境的光学电场传感器封装装置及封装方法

摘要

本发明提供一种用于高湿度环境的光学电场传感器封装装置及封装方法，封装装置包括：两个光纤法兰，管壳本体和管壳盖；管壳本体具有用于容纳传感器晶片的容纳腔；管壳盖用于盖合在管壳本体上；管壳本体的两个相对侧壁上分别设置有与两个光纤法兰相配合的通孔；所述光纤法兰、管壳本体和管壳盖均采用吸水性弱且透水性弱的材料制成。本发明改进了光学电场传感器封装结构，使用吸水性弱、透水性弱的材料制作管壳密封传感器并在外层进行疏水处理，使得传感器的测量精度基本不受环境湿度的影响，拓宽了光学电场传感器的应用场景。

权利要求

1.一种用于高湿度环境的光学电场传感器封装装置，其特征在于，包括：两个光纤法兰，管壳本体和管壳盖；

管壳本体具有用于容纳传感器晶片的容纳腔；

管壳盖用于盖合在管壳本体上；

管壳本体的两个相对侧壁上分别设置有与两个光纤法兰相配合的通孔；

所述光纤法兰、管壳本体和管壳盖均采用吸水性弱且透水性弱的材料制成；

所述吸水性弱且透水性弱的材料为PEEK；

每个光纤法兰分别具有第一端柱体和第二端柱体；

第一端柱体和第二端柱体之间为连接部；

所述第一端柱体用于嵌入管壳本体的所述通孔中；

所述第二端柱体用于延伸在光纤护套中；

所述光学电场传感器封装装置还包括：光纤护套，所述光纤护套为漏斗形；

光纤护套的大端开口用于扣合在光纤法兰外围，光纤护套的小端开口用于光纤穿过；

光纤护套的大端开口处形成与光纤法兰的连接部形状相匹配的延伸柱形；

所述光学电场传感器封装装置覆盖有疏水涂层，所述疏水涂层采用憎水性材料HRTV；

其中，所述疏水涂层通过以下方式形成：将组装好的传感器浸泡在疏水涂层溶液中，然后从疏水涂层溶液中将传感器提拉出来，然后再次将传感器浸泡在疏水涂层溶液中，再次提拉出来，反复多次提拉，直至传感器表面均匀覆盖疏水涂层。

2.一种用于高湿度环境的光学电场传感器封装方法，其特征在于，包括：通过组装操作形成包括权利要求1所述的光学电场传感器封装装置的传感器。

3.根据权利要求2所述的用于高湿度环境的光学电场传感器封装方法，其特征在于，所述组装操作包括：将传感器晶片放置于管壳本体中；

将两根光纤的尾纤一端分别与所述传感器晶片的两侧端部相连；

将两根光纤的尾纤的另一端从管壳本体侧壁的通孔中伸出，并连接在光纤法兰上；

将两个光纤法兰插在管壳本体的两侧壁的通孔中，并在光纤法兰上扣合的光纤护套；

在管壳本体上方由管壳盖，进行密封。

4.根据权利要求3所述的用于高湿度环境的光学电场传感器封装方法，其特征在于，在组装操作前，将管壳本体、管壳盖、光纤法兰放入烘干箱中，设置温度为75‑85℃，烘干9‑10h，然后冷却至室温，从烘干箱中取出。

5.根据权利要求3所述的用于高湿度环境的光学电场传感器封装方法，其特征在于，在组装操作后，清洗组装好的传感器，并包覆疏水涂层。

6.根据权利要求5所述的用于高湿度环境的光学电场传感器封装方法，其特征在于，所述包覆疏水涂层包括：将组装好的传感器浸泡在疏水涂层溶液中，然后从疏水涂层溶液中将传感器提拉出来，然后再次将传感器浸泡在疏水涂层溶液中，再次提拉出来，反复多次提拉，直至传感器表面均匀覆盖疏水涂层，并放置在干燥环境中使疏水涂层初步凝固；

所述疏水涂层采用憎水性材料HRTV。

说明书

用于高湿度环境的光学电场传感器封装装置及封装方法

技术领域

[0001] 本发明属于电场测量技术领域，特别涉及用于高湿度环境的光学电场传感器封装装置及封装方法。

背景技术

[0002] 光学电场传感器由于频带宽、体积小、安装方便等优点吸引了很多学者的研究。科技的发展对电场测量的准确性要求也越来越高。但是传感器用于户外测量时候，环境湿度会影响传感器的测量精度。

[0003] 提高光学电场传感器在高湿度环境中适用性的通常思路是，改进传感器的封装结构，提高传感器封装的密封程度。考虑到光学电场传感器尾纤热膨胀会对光纤和波导的耦合点产生应力、封装结构对原场的影响以及传感器的机械强度，有学者选择热膨胀系数小、机械强度高、导热系数小和相对介电常数小的玻璃钢和陶瓷材料制作管壳。传感器的密封结构确实起到了隔离内部芯片和空气水分的作用，但实验结果表明，在这种方案下，传感器的响应受湿度的影响较大。

[0004] 另一种方法是在传感器外表面构建疏水层。有学者认为传感器的湿度稳定性与表面的接触角有关，并将应用于绝缘子表面的常温硫化硅橡胶(RTV)涂覆在陶瓷制作的传感器外壳上。实验表明，该方案可以改善传感器在低RH(Relative Humidity，相对湿度)下的测量精度，但当温度高于30℃，相对湿度大于75％时，环境湿度对传感器的工频响应仍有较大影响。可见，RTV涂料并不能解决问题。

[0005] 为了拓宽光学电场传感器的应用场景，保证测量结果可靠性，需要寻找一种适用于高湿度环境的光学电场传感器封装方案。

发明内容

[0006] 针对上述问题，本发明提供一种用于高湿度环境的光学电场传感器封装装置，包括：

[0007] 两个光纤法兰，管壳本体和管壳盖；

[0008] 管壳本体具有用于容纳传感器晶片的容纳腔；

[0009] 管壳盖用于盖合在管壳本体上；

[0010] 管壳本体的两个相对侧壁上分别设置有与两个光纤法兰相配合的通孔；

[0011] 所述光纤法兰、管壳本体和管壳盖均采用吸水性弱且透水性弱的材料制成。

[0012] 进一步地，所述吸水性弱且透水性弱的材料为PEEK或PTFE。

[0013] 进一步地，

[0014] 每个光纤法兰分别具有第一端柱体和第二端柱体；

[0015] 第一端柱体和第二端柱体之间为连接部；

[0016] 所述第一端柱体用于嵌入管壳本体的所述通孔中；

[0017] 所述第二端柱体用于延伸在光纤护套中。

[0018] 进一步地，封装装置还包括：光纤护套，

[0019] 所述光纤护套为漏斗形；

[0020] 光纤护套的大端开口用于扣合在光纤法兰外围，

[0021] 光纤护套的小端开口用于光纤穿过；

[0022] 光纤护套的大端开口处形成与光纤法兰的连接部形状相匹配的延伸柱形。

[0023] 进一步地，所述光学电场传感器封装装置覆盖有疏水涂层，所述疏水涂层采用憎水性材料HRTV。

[0024] 本发明还提供一种用于高湿度环境的光学电场传感器封装方法，包括：通过组装操作形成包括所述光学电场传感器封装装置的传感器。

[0025] 进一步地，所述组装操作包括：

[0026] 将传感器晶片放置于管壳本体中；

[0027] 将两根光纤的尾纤一端分别与所述传感器晶片的两侧端部相连；

[0028] 将两根光纤的尾纤的另一端从管壳本体侧壁的通孔中伸出，并连接在光纤法兰上；

[0029] 将两个光纤法兰插在管壳本体的两侧壁的通孔中，并在光纤法兰上扣合的光纤护套；

[0030] 在管壳本体上方由管壳盖，进行密封。

[0031] 进一步地，在组装操作前，

[0032] 将管壳本体、管壳盖、光纤法兰放入烘干箱中，设置温度为75‑85℃，烘干9‑10h，然后冷却至室温，从烘干箱中取出。

[0033] 进一步地，在组装操作后，清洗组装好的传感器，并包覆疏水涂层。

[0034] 进一步地，所述包覆疏水涂层包括：

[0035] 将组装好的传感器浸泡在疏水涂层溶液中，然后从疏水涂层溶液中将传感器提拉出来，然后再次将传感器浸泡在疏水涂层溶液中，再次提拉出来，反复多次提拉，直至传感器表面均匀覆盖疏水涂层，并放置在干燥环境中使疏水涂层初步凝固；

[0036] 所述疏水涂层采用憎水性材料HRTV。

[0037] 本发明的用于高湿度环境的光学电场传感器封装装置及封装方法改进了光学电场传感器封装结构，使用吸水性弱、透水性弱的材料制作管壳密封传感器并在外层进行疏水处理，使得传感器的测量精度基本不受环境湿度的影响，拓宽了光学电场传感器的应用场景。

[0038] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0039] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

[0040] 图1示出了根据本发明实施例的用于高湿度环境的光学电场传感器封装装置的结构示意图；

[0041] 图2示出了四种电场传感器在湿度变化的相同电场下的相移变化曲线图；

[0042] 图3示出了四种电场传感器在湿度变化的相同电场下的幅值偏差变化曲线图。

[0043] 附图标记说明：

[0044] 1光纤护套，2光纤法兰，3管壳本体，4传感器晶片，5管壳盖，6光纤。

具体实施方式

[0045] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

[0046] 本发明提出的一种用于高湿度环境的光学电场传感器封装装置，可适用于高湿度环境，即能够在高湿度环境下保持一定的测量精度。如图1所示，光学电场传感器封装装置包括：两个光纤护套1，两个光纤法兰2，管壳本体3和管壳盖5。管壳本体3和管壳盖5共同形成管壳。

[0047] 管壳本体3具有用于容纳传感器晶片4的容纳腔。管壳盖5用于盖合在管壳本体3上。管壳盖5上设置有与管壳本体3开口内径相匹配的凸起部。管壳本体3的两个相对侧壁上分别设置有与光纤法兰2相配合的通孔。光纤护套1为漏斗形。不失一般性地，管壳本体3为长方体形，尺寸参数为3cm×2cm×1cm，管壳壁厚2mm。

[0048] 每个光纤法兰2分别具有第一端柱体和第二端柱体，不失一般性地，第一端柱体和第二端柱体均为圆柱体。第一端柱体和第二端柱体之间为连接部。光纤法兰2的第一端柱体用于嵌入管壳本体3上的通孔中，光纤法兰2的第二端柱体用于延伸在光纤护套1中。漏斗形光纤护套1的大端开口用于扣合在光纤法兰2外围，光纤护套1的小端开口用于光纤6穿过。进一步地，光纤护套1的大端开口处形成与光纤法兰2的连接部形状相匹配的延伸柱形，本发明实施例中，具体为圆柱形。漏斗形光纤护套1的大端开口扣合在光纤法兰2外围时，延伸柱形与连接部贴合。光纤法兰2主要用于将尾纤引出管壳并对尾纤进行机械支撑和密封管壳。

[0049] 优选地，管壳本体3、管壳盖5、光纤法兰2均采用吸水性弱且透水性弱的材料制成，示例性地，采用聚醚醚酮(PEEK)材料制作。光学电场传感器封装装置(包括管壳本体3、管壳盖5、光纤法兰2等)还覆盖有疏水涂层。进一步地，疏水涂层选取HRTV(Homeostatic‑Permanent‑Room‑Tem perature‑Vulcanized Anti‑cont‑amination Flashover Composite Coat ing，恒性长效防污闪涂料)作为憎水材料。

[0050] 本发明实施例还提供一种用于高湿度环境的光学电场传感器封装方法，用于形成本发明的光学电场传感器封装装置并对光学器件进行密封。光学器件包括传感器晶片4和光纤6。

[0051] 封装方案的实施步骤包括：

[0052] 步骤一，烘干组件：将管壳本体3、管壳盖5、光纤法兰2放入烘干箱中，设置温度为75‑85℃，烘干9‑10h，然后自然冷却至室温，从烘干箱中取出。示例性地，温度为75℃或85℃或80℃等，烘干时间为9h、10h或9.5h等。

[0053] 步骤二，组装操作：将传感器晶片4放置于管壳本体中，两根光纤6的尾纤一端分别与传感器晶片的两侧端部相连，另一端从管壳本体3侧壁的通孔中伸出，并连接在光纤法兰2上。两个光纤法兰2插在管壳本体3的两侧壁的通孔中，并在光纤法兰2上扣合光纤护套1。
管壳本体3上方由管壳盖5，进行密封。各组件(光纤护套1，光纤法兰2，管壳本体3和管壳盖
5)之间采用环氧树脂胶密封粘接，形成组装好的传感器。

[0054] 步骤三，清洗传感器：使用酒精清洗传感器表面，放置干燥环境中待酒精完全蒸发。

[0055] 步骤四，包覆疏水涂层：将传感器浸泡在疏水涂层溶液中，然后从疏水涂层溶液中将传感器提拉出来。然后再次将传感器浸泡在疏水涂层溶液中，再次提拉出来。反复多次提拉，直至传感器表面均匀覆盖疏水涂层，并放置在干燥环境中使疏水涂层初步凝固。疏水涂层为憎水性材料，如PRTV(持久性就地成型防污闪复合涂料)或HRTV。优选地，憎水性材为HRTV，即疏水涂层溶液为HRTV溶液。

[0056] 步骤五，将涂好疏水涂层(具体为HRTV涂层)的传感器放入烘干箱中，设置温度为55‑65℃，烘干35‑40h，然后停止烘干并冷却至室温，从烘干箱中取出传感器。示例性地，温度为55℃或65℃或60℃等，烘干时间为35h、40h或38h等。

[0057] 本发明实施例中管壳本体3、管壳盖5和光纤法兰2是由于吸水性弱、透水性弱的材料制作，例如聚醚醚酮(PEEK)或聚四氟乙烯(PTFE)等。

[0058] 对采用上述光学电场传感器封装方法形成具有封装装置的传感器进行测试，发现传感器受到的湿度影响明显降低。测试原理和过程如下：

[0059] 光学电场传感器的输出受到环境湿度的影响时，表现为输出的幅值和相角会发生变化。定义光学电场传感器的幅值偏差Δk为：

[0060]

[0061] 光学电场传感器的相移 为：

[0062]

[0063] 其中E0是测量环境中施加电场的幅值， 是测量环境中施加电场的相角，E1是电场传感器测量的电场幅值， 是电场传感器测量的电场相角。

[0064] 将平板电极放入湿度控制箱中，在平板电极上施加工频电压产生工频电场，设置环境温度为30℃，相对湿度从25％变化至90％，变化速率为5％/h。实验样品共4种，分别为：使用陶瓷管壳封装并外涂PRTV疏水材料的传感器、使用陶瓷管壳封装并外涂HRTV疏水材料的传感器,使用PEEK管壳封装并无疏水涂层的传感器和使用PEEK管壳封装并外涂HRTV疏水材料的传感器。图2示出了四种电场传感器在湿度变化的相同电场下的相移变化曲线图；图
3示出了四种电场传感器在湿度变化的相同电场下的幅值偏差变化曲线图。实验结果表明管壳使用PEEK材料制作并通过HRTV疏水涂层处理的光学电场传感器的测量结果基本不受湿度变化的影响。另外，使用PEEK管壳封装并无疏水涂层的电场传感器受到湿度变化影响小于使用陶瓷管壳封装并外涂PRTV的电场传感器，可见PEEK管壳对于提高电场传感器在高湿度环境下工作性能具有明显作用。使用陶瓷管壳封装并外涂HRTV的电场传感器受到湿度变化影响小于使用陶瓷管壳封装并外涂PRTV的电场传感器，可见涂层采用HRTV材料更能够提高电场传感器在高湿度环境下的工作性能。

[0065] 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。