用于至少一个光纤光栅的可调节毛细管封装装置及方法

摘要

本发明公开了一种用于对至少一个光纤光栅进行毛细管封装的可调节封装装置，其包括支座和封装组件，封装组件包括：滑轨，滑轨能够可释放、可变取向地安装在支座上；第一光纤固定装置，其可释放地置于滑轨的第一端；第二光纤固定装置，其可释放地置于滑轨的与所述第一端相对的第二端；至少两个毛细管固定装置，其可释放地置于滑轨上，位于第一光纤固定装置和第二光纤固定装置之间，使得光纤能够依次穿过第一光纤固定装置、固定在所述至少两个毛细管固定装置上的毛细管和第二光纤固定装置以将所述光纤的至少一个预定栅区的端部置于毛细管中；多个移动块，分别用于辅助将第一光纤固定装置、第二光纤固定装置和所述至少两个毛细管固定装置的每一个固定到滑轨上。

说明书

技术领域

本发明涉及用于至少一个光纤光栅的可调节毛细管封装装置及封装方法，并且更具体地涉及用于对单光纤光栅和光纤光栅串两端进行灵活封装的封装装置及方法。

背景技术

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。由于光纤光栅具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。

单模光纤的外径（纤芯和包层仅为125μm）很细,自身抗剪能力很差，再加之光栅写入时紫外光使无涂敷的光纤变脆，因此很容易脆断。同时外界的水分等也易使光特性发生改变，因此光栅写入后必须封装，才能应用。光纤光栅封装主要考虑如何保护纤细的光纤光栅，并将其集成在结构中进行准确的测量。

对于不同的测量要求,需要开发相应的封装方式以适应不同的基体结构，目前普遍采用的封装方式有：栅区直接埋入材料；粘贴在材料表面和毛细管中；以及栅区两端夹持固定等方式。其中，前面几种都会多少引起光纤光栅啁啾，影响后续解调仪器波长解调，但是根据实际应用精度的要求可以采用给光栅施加应力等方式减少影响，而两端夹持固定方式可以最大的保留光纤光栅的原始特征。

现有中国专利201310238250.4提出一种可对光纤光栅施加预应力并进行毛细管式增敏封装的装置，其结构是底座上设置燕尾导轨，燕尾导轨上设置左滑块、右滑块和中间滑块，左滑块上设置左微调平移台，右滑块上设右微调平移台，左微调平移台上设置左夹持垫片，右微调平移台上设置右夹持垫片，与左、右夹持垫片配合产生磁力的是强力磁铁，中间滑块上设置升降杆套，升降杆套设置与载物台连接的升降杆，载物台上设置一对毛细管固定夹。该专利的优点是能够保证光纤光栅在毛细管内很好的与轴线对中，缺点在于拓展性不强，不能用于多光纤光栅和多毛细管封装，且将光纤光栅埋在粘接剂中，虽然给光栅施加了应力，但是往往难以保证粘接剂均匀覆盖在栅区周围，容易引起啁啾。

发明内容

为了克服现有技术的上述问题，本发明提供一种用于至少一个光纤光栅的可调节毛细管封装装置，其能够对单光纤光栅的两端和光纤光栅串（即光纤上包括多个栅区）的每个光栅的两端进行毛细管封装，并且封装距离可以调节。

该封装装置包括支座和封装组件，所述封装组件包括：

滑轨，所述滑轨能够可释放、可变取向地安装在所述支座上；

第一光纤固定装置，其可释放地置于所述滑轨的第一端；

第二光纤固定装置，其可释放地置于所述滑轨的与所述第一端相对的第二端；

至少两个毛细管固定装置，其可释放地置于所述滑轨上，位于所述第一光纤固定装置和第二光纤固定装置之间，使得光纤能够依次穿过所述第一光纤固定装置、固定在所述至少毛细管固定装置上的毛细管和所述第二光纤固定装置以将所述光纤的至少一个预定栅区的端部置于所述毛细管中；以及

多个移动块，分别用于辅助将所述第一光纤固定装置、第二光纤固定装置和所述至少两个毛细管固定装置的每一个固定到所述滑轨上。

该封装装置不需要将光纤栅区埋在粘接剂或其他材料中，仅需要将封装好的毛细管串通过机械方式固定在传感器结构上，解决了光纤光栅啁啾的问题，它具有结构紧凑，灵活性强、操作简单等优点。

作为一个优选实施方式，所述滑轨设有从所述第一端沿所述滑轨的纵向延伸到所述第二端的第一卡槽和第二卡槽以及在所述第一端和第二端之间沿所述纵向延伸的长孔，所述第二卡槽与所述第一卡槽和所述长孔平行且连通，位于所述第一卡槽与所述长孔之间，所述第一光纤固定装置、第二光纤固定装置和所述至少两个毛细管固定装置每一个能够可滑动地、部分地插入所述第一卡槽，并且所述多个移动块能够可滑动地插入所述第二卡槽。

优选的，所述第一卡槽能够为C形截面槽、V形截面槽，所述第二卡槽为方形截面槽。

在本发明的一种实施方式，所述第一光纤固定装置和第二光纤固定装置每一个都包括光纤固定块、过渡块和压块，所述光纤固定块包括用于接合所述第一卡槽的第一部分和用于固定所述光纤的第二部分，所述光纤固定块的第一部分设有压槽，并且所述第一端和第二端上均设有对应的固定孔，所述紧固件穿过所述固定孔和所述移动块的螺纹通孔压在所述压槽上以将每个所述光纤固定块固定在所述滑轨上，所述光纤固定块的第二部分从所述滑轨伸出，所述光纤能够置于所述第二部分和所述过渡块之间，并且所述压块置于所述过渡块之上用于将所述光纤固定在所述第二部分上。

进一步地，作为一种实例，所述压块和所述过渡块通过螺钉固定到所述第二部分上。优选地，所述压块由硬质材质制成，而所述过渡块由耐高温的弹性体制成。

在本发明的另一种实施方式中，所述毛细管固定装置包括毛细管固定块，所述毛细管固定块包括用于接合所述第一卡槽的第一部分和用于固定毛细管的第二部分，所述毛细管固定块的第一部分设有压槽，所述紧固件穿过所述长孔和所述移动块的螺纹通孔顶在所述毛细管固定块的压槽上以便将所述毛细管固定块固定在所述滑轨上；所述毛细管固定块的第二部分从所述滑轨伸出，并且所述毛细管固定块的第二部分在其上设有用于接纳毛细管的毛细管槽和用于固定毛细管的固定孔。

作为一种实例，螺钉能够穿过所述毛细管固定块的固定孔压住所述毛细管。

在本发明的又一种实施方式中，紧固件为螺钉。

在本发明的进一步的实施方式中，所述支座包括底座和直立的固定杆，所述固定杆固定在所述底座上，所述封装组件通过连接装置可释放地固定到所述固定杆上。

本发明还提供利用上述封装装置来对至少一个光纤光栅进行毛细管封装的方法，其包括如下的步骤：

将封装组件水平地固定在支座上；

将毛细管固定在毛细管固定装置上；

使光纤穿过第一光纤固定装置、毛细管和第二光纤固定装置，使所述光纤的至少一个预定栅区的端部置于所述毛细管中；

通过第一光纤固定装置将光纤的第一端固定在滑轨的第一端上；

从滑轨的第二端向所述光纤的第二端施加预紧力，然后通过第二光纤固定装置将所述光纤的第二端固定在滑轨的第二端上；

改变所述封装组件的取向以便于给所述毛细管注胶；以及

高温固化所述胶以将所述毛细管封装在所述预定栅区的端部上。

可选地，该方法还包括剥掉所述预定栅区的端部的预定长度的涂覆层的步骤，例如当涂覆层为所述丙烯酸酯涂覆层时。

替代地，有些类型的涂覆层不需要剥掉而能直接封装，例如当所述涂覆层为聚酰亚胺涂覆层时。

作为一种实施方式，所述光纤包括n个预定栅区，以形成光纤光栅串，其中n为大于或等于1的整数，相应地，所述滑轨上设置有n+1个毛细管固定装置，用来固定n+1个毛细管。

优选地，所述胶为环氧胶，所述预紧力通过在所述光纤的第二端上加上砝码来施加。

作为一种优选实施方式，改变所述封装组件的取向为竖直方向以便于给所述毛细管注胶。

进一步地，所述方法还包括将解调仪接入所述光纤的第一端以监测光栅波长的步骤。

附图说明

参考附图，下面将更详细地描述本发明的优选实施方式，其中：

图1是根据本发明的一个优选实施方式的用于光纤光栅的毛细管封装装置的示意立体图；

图2是图1所示的滑轨的立体示意图；

图3是图1所示的第一光纤固定装置的立体示意图；

图4是图1所示的毛细管固定装置的立体示意图；

图5是图1所示的第二光纤固定装置；以及

图6是图1所示移动块的立体示意图。

所有图中所用的相同附图标记用来指代相同或相似的元件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式作进一步描述。

图1示出本发明的毛细管封装装置的一种优选实施方式。

如图1所示，毛细管封装装置包括支座1和封装组件2，其中，支座1包括底座11和固定杆12，而封装组件2则包括滑轨21、第一光纤固定装置22、第二光纤固定装置24、两个毛细管固定装置23以及容纳在滑轨21内的移动块25。第一光纤固定装置22、第二光纤固定装置24、和两个毛细管固定装置23的每一个都配有一个移动块25。该封装组件通过连接装置3固定到固定杆12上。连接装置3设计成允许封装组件2能够改变取向地并且可释放地固定在固定杆12上，例如以水平取向或竖直取向固定在固定杆12上。例如，连接装置3借助螺钉（图中未示出）固定在固定杆2的适当高度处，然后，封装组件2通过设置在滑轨21上的螺丝孔216（在图2中示出）以及相配的螺钉（图中未示出）固定到连接装置3上。因此，通过卸下螺钉，封装组件2就能从连接装置3上卸下，并且根据需要重新以水平取向或竖直取向固定到连接装置3上。当然，在其它实施方式，封装组件2也能以其它方式可释放地固定到连接装置3上，例如以卡接或插接的方式。

在图1所示的示例中，固定杆12也是利用螺钉固定到底座11上。很显然，固定杆12也可以采用其它方式固定在底座11上。

图2示出图1所示的滑轨21的一种实施例的更多细节。

如图2所示，滑轨21具有第一端217和相对的第二端218，并且滑轨21设有从第一端217沿滑轨的纵向延伸到第二端218的第一卡槽211以及在第一端217和第二端218之间沿所述纵向延伸的长孔214。如图所示，第一卡槽211在滑轨的一个侧面以及第一端和第二端上均具有开口。滑轨21上还设有固定孔216，例如螺纹孔，用于将滑轨21固定到连接结构3上，连接结构例如为转接块。第一卡槽211的横截面可以是C形、V形或其它合适的形状。

进一步地，滑轨21上设有第二卡槽212，第二卡槽212从第一端217沿滑轨的纵向延伸到第二端218，并且与第一卡槽211平行且连通，用于接纳为第一光纤固定装置22、第二光纤固定装置24和毛细管固定装置23的每一个配置的移动块25。如图所示，第二卡槽的横截面大致为方形，当然也可以是其它形状。移动块能在第二卡槽中任意移动，与每个固定块匹配使用，保证了封装距离的灵活性。例如，图6示出移动块25的一个实施例，其包括一个螺纹通孔251。

滑轨21在第一端217上设有固定孔213，用于固定第一光纤固定装置22；在第二端218上设有固定孔215，用于固定第二光纤固定装置24。

图3示出第一光纤固定装置22的一个优选实施方式。该第一光纤固定装置22布置在滑轨21的第一端217。

如图3所示，第一光纤固定装置22包括第一光纤固定块221、第一过渡块222和第一压块223。

第一光纤固定块221包括用于接合所述第一卡槽211的第一部分2211和用于固定光纤的第二部分2212。第一部分2211上设有压槽2213。当该第一部分从滑轨21的第一端滑动地插入第一卡槽211中时，螺钉可以穿过滑轨21的第一端217上的固定孔213以及置于第二卡槽212中的移动块25的螺纹通孔251，能够顶住该压槽2213，从而通过拧紧螺钉将第一光纤固定块221固定在滑轨21上。

如图所示，第二部分2212上设有两个固定孔2214，相对应地，第一过渡块222和第一压块223也分别设有两个固定孔2221和2231。当第一过渡块222和第一压块223依次放置在第二部分2212上时，固定孔2221、2231、2214分别对齐，以便用螺钉将第一过渡块222和第一压块223固定在第二部分2212上。在使用中，光纤固定在第二部分2212和第一过渡块222之间。第一过渡块222选择由耐高温的弹性体制成，例如可为硅胶、橡胶等材质。因此，第一过渡块222能够有效地保护光纤光栅。

图4示出了毛细管固定装置23的一个优选实施方式。

如图4所示，毛细管固定装置23包括毛细管固定块231。毛细管固定块231包括用于接合第一卡槽211的第一部分2311和用于固定毛细管的第二部分2312。第一部分2311在面对滑轨21的长孔214的侧面上设有压槽2313。当毛细管固定块231被滑动地插入第一卡槽211中并置于想要的位置中时，紧固件，例如螺钉（图中未示出），穿过长孔214和移动块25的螺纹通孔251顶住该压槽2313，从而通过拧紧螺钉将毛细管固定块231固定在滑轨21上。

毛细管固定块231的第二部分2312在其上设有用于接纳毛细管的毛细管槽2315以及用于固定毛细管的固定孔2314。毛细管槽2315的形状和尺寸与封装用毛细管的尺寸匹配，宽度小于毛细管宽度，避免注胶时胶流到毛细管和毛细管槽之间的接触面上，导致胶固化后毛细管和毛细管槽粘在一起。螺钉穿过固定孔2314压住毛细管，从而将毛细管固定在毛细管固定块231上。需要说明的是，这里所述的螺钉与毛细管接触的一端应该是平头的。

毛细管固定块的数量根据应用可以是多个：如果封装单光纤光栅，两个即可，分别用于固定封装光栅两端的两个毛细管；如果需要封装多光纤光栅（光纤光栅串），则需要n+1个毛细管固定块，其中n为光栅的个数，为大于或等于1的整数。毛细管固定块可以在滑轨中自由移动，从而起到调节封装距离的作用。

图5示出第二光纤固定装置24的一个优选实施方式。该第二光纤固定装置24布置在滑轨21的第二端218。

第二光纤固定装置24与第一光纤固定装置22类似。

如图5所示，第二光纤固定装置24包括第二光纤固定块241、第二过渡块242和第二压块243。

第二光纤固定块241包括用于接合第一卡槽211的第一部分2411和用于固定光纤的第二部分2412。第一部分2411上设有压槽2413。当该第一部分从滑轨21的第二端滑动地插入第一卡槽211中时，螺钉可以穿过滑轨21的第二端218上的固定孔215以及置于第二卡槽212中的移动块25中的螺纹通孔251，能够顶住该压槽2413，从而通过拧紧螺钉将第二光纤固定块241固定在滑轨21上。

如图所示，第二部分2412上设有两个固定孔2414，相对应地，第二过渡块242和第二压块243也分别设有两个固定孔2421和2431。当第二过渡块242和第二压块243依次放置在第二部分2412上时，固定孔2421、2431、2414分别对齐，以便用螺钉将第二过渡块242和第二压块243固定在第二部分2412上。在使用中，光纤固定在第二部分2412和第二过渡块242之间。第二过渡块242同样选择由耐高温的弹性体制成，例如可为硅胶、橡胶等材质。因此，第二过渡块242也能够有效地保护光纤光栅。

上文所述的封装装置的组装及封装方法现描述如下。

在光纤光栅的毛细管封装开始前，需要的组装工作包括：将滑轨水平地固定在固定柱上；分别在第一和第二光纤固定块上依次放上过渡块和压块，并用螺钉固定，但勿需拧紧；然后将第一、第二光纤固定块、毛细管固定块和移动块（其数量对应三种固定块的数量总和）分别置入第一卡槽和第二卡槽中；接着用螺钉分别通过滑轨两端的固定孔和长孔，拧上移动块并顶住固定块压槽，只要拧紧螺钉即可固定住光纤固定块和毛细管固定块。毛细管固定块的具体数量则根据需要封装的光栅的数量来确定。

例如，如图1所示，设置两个毛细管固定装置。这样，一共要将4个移动块25置入第二卡槽212中，并将两个光纤固定块221、241和两个毛细管固定块231置入第一卡槽211中。

然后就可以进行封装工作。毛细管首先要置于毛细管固定块的槽中，用螺钉压住，每个毛细管固定块固定一根毛细管。

剥掉光纤的每个栅区的两端的一定长度涂覆层，然后将光纤光栅依次穿过第一光纤固定块、两个或更多个毛细管固定块和第二光纤预拉固定块，剥离涂覆层的部分完全置于毛细管中。然后，第一光纤固定块被拧紧，并将被第一光纤固定块固定的光纤端部接入解调仪，以便监测光纤光栅波长。光纤的另一端则从第二光纤固定块（也称为光纤预拉固定块）拉出，用于给光纤加上砝码，来给光纤光栅一个预紧力，这根据需要进行设定，不需要很大。接着，拧紧光纤预拉固定块的压块螺钉，并卸下砝码。滑轨然后被转换到竖直方向，以对毛细管进行注胶，待所有毛细管中都注满环氧后，将滑轨转换到水平方向，取下连接装置固定螺钉。整个滑轨水平地放入温箱，高温加热至胶固化。滑轨从温箱取出后，卸下毛细管和光纤光栅，即可将多个毛细管封装在多个光纤光栅两端。

例如，毛细管采用的参数是：Φ2*0.5，长15mm，304钢，2根。调整毛细管固定块的位置，将2根毛细管分别置于两个固定块槽中，用螺钉压住，毛细管两端头露出，两根毛细管相近的两端距离为20mm。光纤光栅的涂覆层为丙烯酸酯，将光纤栅区两端各剥掉8cm长度涂覆层，剩下栅区长26mm，将光纤光栅依次穿过光纤固定块、毛细管固定块和光纤预拉固定块，使剥离涂覆层段完全置于毛细管中，光纤固定块拧紧，此端光纤接入解调仪，监测光纤光栅波长，另一端光纤从光纤预拉固定块出来，给光纤加上20g砝码来给光纤光栅一个预紧力，待光纤光栅波长稳定，拧紧光纤预拉固定块螺钉，卸下砝码。将滑轨转换到竖直方向，在毛细管中进行注胶，待两个毛细管中都注满环氧胶，将滑轨转到水平方向，取下连接装置固定螺钉，将整个滑轨水平放入温箱，高温加热至胶固化取出滑轨，卸下毛细管和光纤光栅，即可将2个毛细管封装在1个光纤光栅两端。

本发明的技术效果是：本发明采用滑轨和光纤固定块、毛细管固定块、光纤预拉固定块实现多光纤光栅多毛细管封装，不需要将栅区封装在粘接剂中，不会出现啁啾现象和波形畸变现象，保证了传感器的重复性和线性度。毛细管固定块的数量可以灵活选择，毛细管固定块的位置可以根据应用要求调节，通过机加工精度能有效保证光纤光栅在毛细管内很好地与轴线对中。能够简化光纤光栅多毛细管封装工艺；能够在对光纤光栅施加预紧力的情况下实现高温固化封装；具有结构简单，体积小，易操作，灵活性强、成本低等优点。

记住这些示例以及本文所公开的其他实施方式之后，本领域技术人员将认识到本发明的其他特征和优势。因此，要理解的是，本发明不局限于所公开的具体实施方式，并且所述修改和其他实施方式旨在被包括在本发明的范围内。当然，本发明不由前述公开限制，相反仅由所附权利要求书及其法律等同物来限制。