光纤光栅封装结构、温度传感器及封装方法

摘要

本发明公开了一种光纤光栅封装结构，包括，上盖和底板，所述上盖和所述底板沿边沿胶封为一体，在上盖和底板的两个相对面上，分别沿上盖和底板的两个边沿内分别设置有挡胶板，所述挡胶板之间形成光纤光栅容置腔。采用该结构实现了对光纤光栅的封装，保护了光纤光栅的本体，并可实现温度隔离。同时还公开了一种采用该结构的光纤光栅温度传感器，以及该光纤光栅温度传感器的封装方法，克服了光纤光栅本体脆弱和温度应变交叉敏感的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅封装结构，以及一种采用该封装结构的光纤光栅 温度传感器和该传感器的封装方法。

背景技术

光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、复用能力强、灵敏度高等优点受到 广泛欢迎。但是光纤光栅直径只有125微米，主要为二氧化硅材料，切向抗应 力能力较差，因此在工程应用中通常将光纤光栅封装起来，以提高其强度、适 应工程中的安装要求。

另外，在实际的测量环境中，封装结构往往引入应变参量，使得光栅发生 应变温度交叉敏感。所以在封装结构中考虑避免交叉敏感，且兼顾小型化、实 用化。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，本发明一方面提供了一 种光纤光栅封装结构，采用该结构实现了对光纤光栅的封装，保护了光纤光栅 的本体，并可实现温度应变隔离。

本发明另一方面提供了一种光纤光栅温度传感器，该温度传感器克服了光 纤光栅本体脆弱和温度应变交叉敏感的问题。

同时，本发明还提供了一种光纤光栅温度传感器封装方法，采用该方法将 光纤光栅温度传感器封装后，可以避免光纤光栅的交叉敏感，而且不增敏、易 于实现，便于安装。

本发明的技术解决方案是：

本发明一方面提供了一种光纤光栅封装结构，包括，上盖和底板，所述上 盖和所述底板沿边沿胶封为一体，在上盖和底板的两个相对面上，分别沿上盖 和底板的两个边沿内分别设置有挡胶板，所述挡胶板之间形成光纤光栅容置腔。

进一步的，所述挡胶板短于所述上盖和所述底板的边沿。

进一步的，所述底板的挡胶板为外高内低的阶梯形长条凸起，所述上盖的 挡胶板为单根长条凸起，且在所述上盖和所述下盖扣合后，所述上盖的挡胶板 与所述底板挡胶板内低部分相抵。

进一步的，所述容置腔的宽度大于所述光纤光栅的直径。

进一步的，所述容置腔内填充有导热粉。

本发明另一方面提供了一种光纤光栅温度传感器，包括，光纤光栅、光纤 光栅封装结构，所述封装结构，包括，上盖和底板，所述上盖和所述底板沿边 沿胶封为一体，在上盖和底板的两个相对面上，分别沿上盖和底板的两个边沿 上分别设置有挡胶板，所述挡胶板之间形成光纤光栅容置腔；所述光纤光栅放 置于所述光纤容置腔中。

进一步的，所述挡胶板的长度短于所述上盖和所述底板的边沿，所述光纤 光栅两端超出所述挡胶板部分套有玻璃纤维套管。

进一步的，所述玻璃纤维套管利用焊片固定于所述底板上。

进一步的，所述底板的挡胶板为外高内低的阶梯形长条凸起，所述上盖的 挡胶板为单根长条凸起，且在所述上盖和所述下盖扣合后，所述上盖的挡胶板 与所述底板挡胶板内低部分相抵。

进一步的，所述容置腔内填充有导热粉。

进一步的，所述导热粉为氧化铝粉。

本发明还提供了一种采用上述封装结构的光纤光栅温度传感器封装方法， 包括以下步骤：

将光纤光栅放置于所述底板的挡胶板之间，且在两端超出所述挡胶板的光 纤上套装玻璃纤维套管；

利用焊片将所述玻璃纤维套管固定，并保持所述光纤光栅在所述挡胶板内 自然弯曲；

将所述上盖与所述底板扣合，沿边沿对齐后胶封为一体，并在所述挡胶板 形成的光纤光栅容置腔内填充隔热氧化铝粉。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.由于本发明中光纤光栅在容置腔内呈自由弯曲状态，未受封装结构体影 响，因此，本封装结构对光纤光栅敏感元件无增敏或减敏的影响。

2.由于本发明中在底板和上盖上分别设置有挡胶板，因此，光纤光栅敏感 元件不受上盖和底板胶封影响，适用于工程化需求。

3.由于本发明所使用全部材料，具有耐高温性能，因此本温度传感器适用 于高温传感。

4.由于本发明所使用结构内置氧化铝导热粉，因此本温度传感器具有测温 快、响应时间短的特点。

附图说明

图1为封装结构示意图；

图2为方法流程图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

图1a、1b所示，本发明光纤光栅封装结构，包括上盖1和底板2。上盖和 底板具有相同的长与宽，可上下扣合形成并胶封为一体。通过该结构可将光纤 光栅封装于该结构内，实现对光纤光栅的隔离，保护光纤光栅的脆弱，并避免 温度应变交叉敏感。

在上述上盖和底板扣合后的相对面上，分别沿边沿设置有挡胶板11，21， 通过两侧的挡胶板形成放置光纤光栅的容置腔，将光纤光栅放置于其内后，可 将封装上盖和底板的胶隔离于其外，避免了封装胶体对光纤光栅敏感元件的影 响。

本实施例中，上述容置腔的大小大于光纤光栅的直径，从而可保证光纤光 栅在容置腔内自然弯曲，可以消除完全黏贴封装温度变化带来的轴向应力影响， 避免了温度应力的交叉敏感。

进一步的，底板上的挡胶板21采用阶梯形长条凸起结构，对于挡胶板，靠 近上盖外沿的一侧高于远离外沿的一侧。对应的，在上盖上的挡胶板11采用单 根长条凸起结构，上盖上两条凸起的间距与底板上内侧较低部分的间距相一致， 且厚度一致。在上盖与底板扣合后，上盖单根长条凸起结构可与底版内侧较低 部分相抵，并与外侧较高部分相贴合，从而实现对封装胶的隔离。

在上盖和底板扣合后，为了更好的传导热量，在上述容置腔内可填充导热 介质，例如导热硅脂、氧化铝粉等。在本实施例中，优选氧化铝粉，从而可实 现300摄氏度高温的测量。

为了实现对光纤光栅两端光纤部分更好的保护，上述挡胶板的长度短于上 盖和底板，从而可在光纤超出挡胶板的部分为光纤套装玻璃纤维套管，对光纤 进行保护，

通过采用上述封装结构可实现本实施例光纤光栅温度传感器，光纤光栅放 置于容置腔内，超出容置腔两端部分的光纤套装有玻璃纤维套管，并用焊片将 其固定于底板上，固定后保证光纤光栅在容置腔内保持自然弯曲状态。

上盖与底板相扣合，并在沿边沿进行胶封后构成一体，并在容置腔内填充 上述如氧化铝等的导热粉。

通过该结构构成的光纤光栅温度传感器，未对光纤光栅本身的结构造成影 响，不会产生外力的拉伸或压缩，从而保障了敏感元件本身的强度，且不对敏 感元件造成增敏和减敏的效果；所使用上盖、底板、封装胶体、玻璃纤维套管 及氧化铝粉均可适用于300℃以上高温探测。

进一步，为上述实施例中光纤光栅温度传感器的封装方法。

将聚酰亚胺涂覆层光纤光栅放置于所述底板的挡胶板之间，且在两端超出 所述挡胶板的光纤上套装玻璃纤维套管；

利用焊片将所述玻璃纤维套管固定，并保持所述光纤光栅在所述挡胶板内 自然弯曲；

将所述上盖与所述底板扣合，沿边沿对齐后胶封为一体，并在所述挡胶板 形成的光纤光栅容置腔内填充隔热氧化铝粉。

上述上盖和底板采用不锈钢材料，并用高温胶粘接。玻璃纤维套管用镍带 进行二次加固于不锈钢底板上。在容置腔内灌满氧化铝粉以增加其导热速率， 容置腔两端用高温胶密封。

上述实施例中，优选地，底板预留16mm长度安放长度小于15mm的光纤 光栅，两端分别预留7mm长平坦区，用于放置胶粘玻璃纤维套管后的光纤(两 根玻璃纤维管之间光纤距离为18mm)。所有与光纤有可能接触的结构皆为钝角 且打磨光滑。

优选地，光纤与玻璃纤维套管胶接后再由宽2mm的镍带和耐高温胶进行 固定，保证传感头封装后的抗振动和冲击能力，封装后的光纤光栅栅区呈自由 弯曲态、尽量与底部贴合。盖装上盖板后，上下两侧胶粘，左端点高温胶，且 胶不溢过镍带，胶固化后，从右端填充氧化铝粉末，以使底板感温面温度可以 更加迅速传导至光纤光栅栅区。灌满后，右侧用高温胶密封。

封装后，该光纤光栅温度传感结构可达到如下指标：

(1)测温范围：-50℃～300℃；

(2)测量允差：±1℃；

(3)稳定响应时间：＜1s；

(4)具有较高抗冲击和抗震动能力；

(5)质量：＜2g；

(6)承受拉力不小于50N、持续时间不小于5s时，敏感元件不受影响工 作。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。