本發(fā)明涉及一種全金屬化封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖光柵是具有里程碑意義的一種光纖無(wú)源器件，因其抗電磁干擾、耐腐蝕、高絕緣性、測(cè)量參量廣、便于復(fù)用組網(wǎng)、可微型化等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展非常迅速，已在電子信息、航空航天、材料與化工、建筑與環(huán)境、地下管網(wǎng)、能源以及軍事國(guó)防等領(lǐng)域獲得了重要應(yīng)用。但是裸光纖光柵的機(jī)械強(qiáng)度很小，因此需要對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝來(lái)提高其強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)加大靈敏度，延長(zhǎng)使用壽命的目的。
目前，通常采用的方法是將光纖光柵涂覆環(huán)氧樹(shù)脂等化學(xué)粘接劑與基底材料進(jìn)行封裝固定，但環(huán)氧樹(shù)脂膠的成分為高分子聚合物，存在易老化、蠕變、與被固定光纖或FBG容易產(chǎn)生相對(duì)位移而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。所以傳統(tǒng)封裝FBG的方法影響了FBG傳感器在可靠性要求高、環(huán)境極端惡劣條件下的測(cè)量性能，嚴(yán)重制約了FBG傳感器在軍事國(guó)防重點(diǎn)裝備上的應(yīng)用。
因此，可應(yīng)用于惡劣環(huán)境下工作的光纖光柵應(yīng)變傳感器，如何保證其穩(wěn)定性、可靠性是利用光纖光柵進(jìn)行傳感監(jiān)測(cè)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。無(wú)膠化封裝技術(shù)可解決傳統(tǒng)技術(shù)中高分子膠易老化的缺點(diǎn)，具有穩(wěn)定可靠、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種一種全金屬化封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器封裝方法，包括如下步驟：
a.搭建全金屬化封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器封裝系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括寬帶光源，光環(huán)形器，光纖光柵解調(diào)裝置，光纖夾持裝置，溫度控制裝置，金屬合金注入、焊接、微動(dòng)裝置；其中，
所述寬帶光源與所述光隔離器連接，所述寬帶光源發(fā)出的光通過(guò)單模光纖跳線(xiàn)傳輸至光環(huán)形器的輸入端口；
所述光環(huán)形器用于保證光纖中的信號(hào)光沿單一方向傳輸，光纖光柵反射回特定波長(zhǎng)的光并沿原路返回，經(jīng)光纖光柵反射后的光信號(hào)進(jìn)入光纖光柵解調(diào)裝置中；
所述光纖光柵解調(diào)裝置用于將其輸入的反射光信號(hào)，由其內(nèi)部的光電探測(cè)器接收并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)由以太網(wǎng)或者USB傳輸線(xiàn)傳送至計(jì)算機(jī)，完成信號(hào)解調(diào)；
所述光纖夾持裝置在于保障在封裝過(guò)程中光纖光柵處于拉緊狀態(tài)；
所述溫度控制裝置對(duì)金屬化封裝的基底材料和金屬合金進(jìn)行預(yù)加熱處理，確保兩者焊接時(shí)的最佳溫度；
所述金屬合金注入、焊接、微動(dòng)裝置用于在于控制金屬合金的注入量，通過(guò)微動(dòng)平移平臺(tái)控制在基底材料上的行進(jìn)速率，實(shí)現(xiàn)金屬合金材料、光纖、襯底材料的有效焊接；
b.在室溫t0條件下，將所述光纖光柵自然放置于光纖夾具上，由所述光纖光柵解調(diào)裝置讀取布拉格中心波長(zhǎng)值λ0，作為參考值；
c.利用溫度控制裝置將光纖光柵加熱至特定溫度，算出漂移后的理論布拉格中心波長(zhǎng)值；
d.調(diào)整光纖加持裝置，使布拉格中心波長(zhǎng)增大；
e.設(shè)定焊頭加熱溫度、移動(dòng)速度、金屬合金注入速度，對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝。
優(yōu)選地，所述光纖光柵解調(diào)設(shè)備其波長(zhǎng)范圍為1525-1565nm，波長(zhǎng)解調(diào)分辨率為1pm。
優(yōu)選地，所述寬帶光源的波長(zhǎng)處于C波段或者C+L波段。
優(yōu)選地，所述預(yù)加熱設(shè)備的工作溫度為25℃～400℃，溫度波動(dòng)≤±0.1℃。
優(yōu)選地，所述金屬合金注入、焊接、微動(dòng)裝置，合金注入速度控制與焊頭行進(jìn)速度成正比。
應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋?zhuān)⒉粦?yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。
附圖說(shuō)明
參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：
圖1示出了本發(fā)明的全金屬化封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類(lèi)似的部件，或者相同或類(lèi)似的步驟。
通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開(kāi)的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書(shū)的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。
針對(duì)本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說(shuō)明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。
圖1示出了本發(fā)明的全金屬化封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器系統(tǒng)。如圖1所示，一種全金屬化封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器的系統(tǒng)100包括：寬帶光源101，光環(huán)形器102，光纖光柵103，光纖光柵解調(diào)裝置104，光譜儀105，PC 106，溫度控制裝置107，金屬合金注入、焊接、微動(dòng)裝置108和光纖夾持裝置109。
其中，寬帶光源101發(fā)出的光經(jīng)過(guò)單模光纖與光環(huán)形器102的1端口相連，信號(hào)光隨后進(jìn)入光環(huán)形器102的2端口，經(jīng)過(guò)與之相連的光纖光柵103的反射后，具有特定中心波長(zhǎng)的反射光再次進(jìn)入光環(huán)形器102的2端口，該反射光從光環(huán)形器102的3端口出射，進(jìn)而進(jìn)入光纖光柵解調(diào)裝置104中，光纖光柵解調(diào)裝置104將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行尋峰處理，由光強(qiáng)信號(hào)與光電探測(cè)器的像素對(duì)應(yīng)關(guān)系，由計(jì)算機(jī)106處理后獲得發(fā)射光譜的中心波長(zhǎng)，最終在計(jì)算機(jī)106中完成解調(diào)并顯示在光譜儀105上。
在光纖光柵103的封裝實(shí)施過(guò)程中，光纖光柵103固定于可調(diào)光纖夾持裝置109上，將光纖光柵103加熱至所需預(yù)熱溫度后，調(diào)整光纖夾持裝置109使光纖光柵103處于拉緊狀態(tài)，從計(jì)算機(jī)106讀出此時(shí)的中心波長(zhǎng)值。設(shè)定金屬合金注入、焊接、微動(dòng)裝置108的焊頭加熱溫度、移動(dòng)速度、金屬合金注入速度，對(duì)光纖光柵103進(jìn)行封裝，并實(shí)時(shí)監(jiān)控反射光譜的變化，確保其無(wú)畸變產(chǎn)生。
具體地，所述寬帶光源101與所述光環(huán)形器102連接，所述寬帶光源101發(fā)出的光通過(guò)單模光纖跳線(xiàn)傳輸至光環(huán)形器102的輸入端口；
所述光環(huán)形器102用于保證光纖中的信號(hào)光沿單一方向傳輸，光纖光柵103反射回特定波長(zhǎng)的光并沿原路返回，經(jīng)光纖光柵103反射后的光信號(hào)進(jìn)入光纖光柵解調(diào)裝置104中；
所述光纖光柵解調(diào)裝置104用于將其輸入的反射光信號(hào)，由其內(nèi)部的光電探測(cè)器接收并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)由以太網(wǎng)或者USB傳輸線(xiàn)傳送至計(jì)算機(jī)106，完成信號(hào)解調(diào)；
所述光纖夾持裝置109在于保障在封裝過(guò)程中光纖光柵處于拉緊狀態(tài)；
溫度控制裝置107對(duì)金屬化封裝的基底材料和金屬合金進(jìn)行預(yù)加熱處理，確保兩者焊接時(shí)的最佳溫度；
所述金屬合金注入、焊接、微動(dòng)裝置108用于在于控制金屬合金的注入量，通過(guò)微動(dòng)平移平臺(tái)控制在基底材料上的行進(jìn)速率，實(shí)現(xiàn)金屬合金材料、光纖、襯底材料的有效焊接。
具體的加熱封裝過(guò)程如下：
在室溫t0條件下，將光纖光柵自然放置于光纖加持裝置上，由光纖光柵解調(diào)裝置讀取布拉格中心波長(zhǎng)值λ0，作為參考值。利用溫度控制裝置將光纖光柵加熱至特定溫度t1，利用公式λt＝λ0+(t1-t0)×kt算出漂移后的理論布拉格中心波長(zhǎng)值，其中kt為裸光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)。調(diào)整光纖加持裝置，使布拉格中心波長(zhǎng)增大至λt'＝λt+Dλ，Dλ的取值范圍在大于(t2-t0)×kt’、小于6.5nm之間，其中t2為封裝時(shí)焊頭的加熱溫度，kt′為封裝后光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)，根據(jù)批量封裝后的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算可求得。
設(shè)定焊頭加熱溫度、移動(dòng)速度、金屬合金注入速度，對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝，并實(shí)時(shí)監(jiān)控反射光譜的變化，確保其無(wú)畸變產(chǎn)生。
優(yōu)選地，所述光纖光柵解調(diào)設(shè)備其波長(zhǎng)范圍為1525-1565nm，波長(zhǎng)解調(diào)分辨率為1pm。
優(yōu)選地，所述寬帶光源101的波長(zhǎng)處于C波段或者C+L波段。
優(yōu)選地，所述預(yù)加熱設(shè)備的工作溫度為25℃～400℃，溫度波動(dòng)≤±0.1℃。
優(yōu)選地，所述金屬合金注入、焊接、微動(dòng)裝置，合金注入速度控制與焊頭行進(jìn)速度成正比。
應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋?zhuān)⒉粦?yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。
結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。