一種光纖傳感器無膠化封裝裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種光纖傳感器無膠化封裝裝置及方法，屬于光纖傳感器封裝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感器以其無源、體積小、抗電磁干擾、耐腐性強(qiáng)、復(fù)用能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、土木結(jié)構(gòu)、消防安防、航空航天以及能源化工等領(lǐng)域。光纖光柵傳感器是近年來發(fā)展最快的光學(xué)傳感器，國內(nèi)目前已有一些高校和企業(yè)能夠制作及生產(chǎn)各種結(jié)構(gòu)封裝的光纖光柵傳感器，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、昆明理工大學(xué)、電子科技大學(xué)、武漢理工光科有限公司等。大部分光纖光柵傳感器都是針對(duì)常溫下的測(cè)量，然而在航空航天、石油開采等領(lǐng)域通常需要在高溫條件下的進(jìn)行測(cè)量，傳統(tǒng)的光纖光柵傳感器難以滿足高溫條件下精確測(cè)量的要求，尤其是我國國產(chǎn)光纖光柵傳感器基本采用膠封裝，這種方法無法使光纖光柵傳感器在高溫條件下使用。國外也無法提供耐溫300°C以上的光纖傳感器。常用的膠粘方法存在著膠體蠕變特性大、抗高溫高濕環(huán)境能力差、固化條件復(fù)雜、固化周期長等不足，影響了光纖傳感器的精度和使用，同時(shí)限制了光纖傳感器的生產(chǎn)效率。近年來，部分高校及企業(yè)積極探索采用耐高溫焊料對(duì)光纖傳感器進(jìn)行無膠化封裝，該方法具有強(qiáng)度高、耐高溫、焊接速度快等特點(diǎn)，能夠提升光纖光柵傳感器的使用溫度到達(dá)300°C以上。電子科技大學(xué)的饒?jiān)平瓐F(tuán)隊(duì)一直致力于光纖傳感器無膠化封裝工藝的研究，利用摻雜金屬的玻璃焊料完成聚酰亞胺涂覆層的光纖光柵與不銹鋼結(jié)構(gòu)的焊接，采用電烙鐵進(jìn)行焊料的加熱融化，從原理上驗(yàn)證了該種方法的可行性，但是距離實(shí)用化還有一定的差距。耐高溫光纖光柵傳感器的封裝需要滿足以下兩點(diǎn):1、加熱裝置必須能夠達(dá)到足夠的溫度使焊料充分熔化，同時(shí)不能夠損壞光纖;2、在焊接過程中，必須通過光纖夾具給光柵施加預(yù)應(yīng)力，封裝時(shí)光柵會(huì)受到300°C以上的溫度影響，所以施加的預(yù)應(yīng)力必須能夠抵消封裝結(jié)構(gòu)受熱膨脹的長度，光纖的拉伸有時(shí)會(huì)達(dá)到5000με，否則焊接結(jié)束后光纖光柵部分會(huì)出現(xiàn)彎曲。傳統(tǒng)的光纖夾具不能夠在保證光纖不滑動(dòng)的情況下提供如此大的拉力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種光纖傳感器無膠化封裝裝置及方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0005]一種光纖傳感器無膠化封裝裝置，該裝置用于對(duì)不銹鋼封裝片和帶有光柵的光纖進(jìn)行封裝，不銹鋼封裝片上有焊料；
[0006]該裝置包括光纖光柵波長檢測(cè)設(shè)備、第一光纖夾具、第二光纖夾具、第一纏繞軸、第二纏繞軸和加熱裝置；
[0007]光纖的一端與光纖光柵波長檢測(cè)設(shè)備連接，光纖的另一端先通過第一光纖夾具進(jìn)行夾持后繞過第一纏繞軸后與不銹鋼封裝片上的焊料接觸，然后再繞過第二纏繞軸后通過第二光纖夾具進(jìn)行夾持；
[0008]所述的加熱裝置用于對(duì)不銹鋼封裝片上的焊料進(jìn)行加熱。
[0009]第一纏繞軸和第二纏繞軸的半徑不小于30mm。
[0010]光纖在第一纏繞軸和第二纏繞軸上的纏繞圈數(shù)均不小于3圈。
[0011 ]該裝置還包括第一導(dǎo)引槽，第一導(dǎo)引槽位于第一纏繞軸與不銹鋼封裝片之間，光纖纏繞在第一纏繞軸上后穿過第一導(dǎo)引槽，然后與不銹鋼封裝片上的焊料接觸。
[0012]該裝置還包括第二導(dǎo)引槽，第二導(dǎo)引槽位于不銹鋼封裝片與第二纏繞軸之間，光纖與不銹鋼封裝片上的焊料接觸后穿過第二導(dǎo)引槽后纏繞在第二纏繞軸上。
[0013]所述的加熱裝置包括第一加熱頭、第二加熱頭和可移動(dòng)加熱頭;第一加熱頭用于對(duì)第一焊料的下方進(jìn)行加熱，第二加熱頭用于對(duì)第二焊料的下方進(jìn)行加熱；可移動(dòng)加熱頭通過在第一焊料的上方和第二焊料的上方移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)第一焊料的上方或第二焊料的上方的加熱。
[0014]該裝置還包括磁鐵和隔熱層，隔熱層固定在磁鐵上形成磁吸定位柱，磁吸定位柱位于第一加熱頭和第二加熱頭之間，不銹該裝置還包括第一支撐架，第一光纖夾具、第一纏繞軸和第一導(dǎo)引槽從左到右依次固定在第一支撐架上。
[0015]該裝置還包括第二支撐架，第一加熱頭、磁鐵和第二加熱頭從左到右依次固定在第二支撐架上。
[0016]該裝置還包括可移動(dòng)支撐架，第二導(dǎo)引槽、第二纏繞軸和第二光纖夾具從左到右依次固定在可移動(dòng)支撐架上。
[0017]該裝置還包括第三支撐架，第三支撐架用于對(duì)可移動(dòng)加熱頭進(jìn)行支撐，使可移動(dòng)加熱頭能夠在第一焊料和第二焊料的上方進(jìn)行移動(dòng)。
[0018]位于第一焊料和第二焊料之間的光纖上有光柵。
[0019]隔熱層通過高溫膠粘貼在磁鐵上，磁鐵上有外螺紋，第二支撐架上有螺紋孔，磁鐵的外螺紋與第二支撐架上的螺紋孔配合，使得磁鐵的安裝高度可調(diào)。
[0020]第一加熱頭、第二加熱頭和可移動(dòng)加熱頭的加熱方式為感應(yīng)加熱、光加熱或電阻絲輻射加熱。
[0021]第二支撐架和第三支撐架的材質(zhì)均選用陶瓷。
[0022]一種光纖傳感器無膠化封裝方法，步驟為:
[0023](I)將可移動(dòng)加熱頭移動(dòng)到第一焊料的正上方，同時(shí)啟動(dòng)第一加熱頭和可移動(dòng)加熱頭對(duì)第一焊料進(jìn)行加熱，加熱溫度為第一焊料的熔化溫度，加熱時(shí)間為至第一焊料完全熔化，待第一焊料完全熔化后自然冷卻至室溫即第一焊料固化完全，并用光纖光柵波長檢測(cè)設(shè)備記錄此時(shí)光纖光柵的波長λ?;
[0024](2)向右移動(dòng)可移動(dòng)支撐架，對(duì)光纖進(jìn)行拉伸，拉伸至光纖光柵波長檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)到光纖光柵的波長為λ2 ；
[0025](3)將可移動(dòng)加熱頭移動(dòng)至第二焊料的正上方，同時(shí)啟動(dòng)第二加熱頭和可移動(dòng)加熱頭對(duì)第二焊料進(jìn)行加熱，加熱溫度為第二焊料的熔化溫度，加熱時(shí)間為至第二焊料完全熔化，待第二焊料完全熔化后自然冷卻至室溫即第二焊料固化完全；
[0026](4)松開第一光纖夾具和第二光纖夾具，將焊接在一起的不銹鋼封裝片和光纖取下，即得到光纖傳感器。
[0027]所述的步驟(2)中λ2的確定方法為:
[0028]λ2 = λ1+Α(Κ1-Κ2)Τ+λΟ
[0029]其中，Α為光纖的應(yīng)變系數(shù)；
[0030]Kl為不銹鋼封裝片的熱膨脹系數(shù)；
[0031 ] Κ2為光纖的熱膨脹系數(shù)；
[0032]T為第二焊料的玻璃化溫度；
[0033]λ0為光纖傳感器的預(yù)拉波長。
[0034]有益效果
[0035](I)本發(fā)明的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)光纖光柵和封裝結(jié)構(gòu)之間的無膠化焊接封裝，適用于多種焊料的焊接；
[0036](2)本發(fā)明的方法操作簡單，得到的光纖傳感器抗溫性能好；
[0037](3)相比較于電烙鐵焊接，本發(fā)明的方法在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)不會(huì)對(duì)光纖本身產(chǎn)生損壞，同時(shí)能夠給光纖傳感器敏感光柵施加足夠的預(yù)應(yīng)力，便于實(shí)現(xiàn)光纖傳感器的自動(dòng)化規(guī)?；a(chǎn)，能夠滿足光纖光柵傳感器的生產(chǎn)需求；
[0038](4)本發(fā)明的裝置中多個(gè)加熱頭分布在不銹鋼封裝片周圍，并且可通過磁鐵的高度調(diào)節(jié)第一加熱頭和第二加熱頭與不銹鋼封裝片之間的距離，進(jìn)而改變焊接溫度，且焊接溫度及開閉時(shí)間也可控;同時(shí)也能夠控制可移動(dòng)加熱頭移動(dòng)來完成傳感器其他位置焊接點(diǎn)的焊接；
[0039](5)本發(fā)明的裝置中光纖夾具、導(dǎo)引槽及纏繞軸三者配合完成對(duì)光纖固定，可移動(dòng)支撐架用于對(duì)光纖施加預(yù)應(yīng)力，光纖光柵波長檢測(cè)設(shè)備用于監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)