本專利涉及一種適用于真空環(huán)境下的封裝氣體的光纖光柵傳感器，屬于光纖傳感領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光纖傳感技術(shù)自20世紀(jì)70年代以來經(jīng)過40年的發(fā)展，已經(jīng)不斷成熟，得到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。作為光纖傳感原理中的優(yōu)秀代表，基于光纖光柵的傳感技術(shù)成為傳感領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展最快的技術(shù)之一，涌現(xiàn)出各種基于光纖光柵原理的新型光纖傳感器，并已在諸多領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。光纖光柵傳感器具有纖細(xì)質(zhì)輕、抗電磁干擾、靈敏度高、耐環(huán)境、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，可植入復(fù)合材料等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是支持多種編碼復(fù)用，支持多參量、可編程、自檢測，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高密集、多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化和分布式測量。

1978年，加拿大通信研究中心K.O.Hill等人發(fā)現(xiàn)并制作出第一根光纖光柵。1989年，Morey提出將光纖光柵用于傳感元件，使得光纖光柵在光纖傳感領(lǐng)域備受關(guān)注。光纖光柵溫度傳感器以其抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，廣泛被應(yīng)用于航空航天、石油管道等領(lǐng)域的溫度測量。國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者對(duì)光纖光柵溫度傳感器也進(jìn)行了許多研究工作。2007年，武漢理工大學(xué)郭明金等人設(shè)計(jì)了兩種光纖光柵溫度傳感器封裝，并對(duì)它們的低溫特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，溫度靈敏度系數(shù)分別為28.2pm/℃和21.3pm/℃；2010年，燕山大學(xué)張燕君等人研制了一種分布式光纖光柵電纜溫度傳感器，在20～100℃范圍內(nèi)線性度良好，達(dá)99.8％；2013年，中國地震局馬曉川等人對(duì)高靈敏度穩(wěn)定光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行了研究，測得其靈敏度系數(shù)達(dá)345.9pm/℃；2014年，北京信息科技大學(xué)對(duì)管式封裝的光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行了研究，增敏性封裝溫度靈敏度系數(shù)達(dá)29.97pm/℃。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種適用于真空環(huán)境下的異形基底光纖光柵傳感器，其特征在于：包括溫度傳感器設(shè)計(jì)與溫度傳感器封裝，其中溫度傳感器封裝材料為鋁合金，加工成異形基底，并選取裸光纖光柵兩端用調(diào)整架固定，用環(huán)氧樹脂將塑料套管粘結(jié)在光纖光柵兩端，以作為防護(hù)層使用，然后將光纖光柵與APC/FC熔接，并接于調(diào)整好的光纖光柵解調(diào)儀用于監(jiān)控固化時(shí)中心波長的變化，將柵區(qū)置于封裝結(jié)構(gòu)深槽中央，待中心波長值穩(wěn)定后，使用環(huán)氧樹脂對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝，并固化。

優(yōu)選地，選用鋁合金7075T6為溫度傳感器封裝材料。

優(yōu)選地，對(duì)所述傳感器進(jìn)行Ansys有限元模擬分析時(shí)，施加約束及邊界條件均為固定約束和拉伸應(yīng)力。

優(yōu)選地，所述傳感器置于測試點(diǎn)，并不對(duì)其本身與被測件之間加以固定。

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明和解釋，并不應(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示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器的封基底尺寸；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器的基底三維圖；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器的封裝形式；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器的ANSYS網(wǎng)格；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器的底板應(yīng)變；

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器的傳感器底部應(yīng)變；

圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器的環(huán)氧樹脂層的應(yīng)變；

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器的光纖光柵Ansys模擬應(yīng)變分布圖；

圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器的封裝過程。

具體實(shí)施方式

通過參考示范性實(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的示范性實(shí)施例；可以通過不同形式來對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(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)。

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)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

本專利采用新型的異性基底形式，實(shí)現(xiàn)了被測物體形變不會(huì)影響光纖光柵傳感器中心波長的溫度測量。

首先，對(duì)溫度傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，具體方法如下：

盡管鈹青銅對(duì)溫度傳感性能要高于鋁合金，但是鋁合金質(zhì)量輕，而且在對(duì)傳感器進(jìn)行的熱量平衡試驗(yàn)中，鈹青銅未展示出足夠優(yōu)異的性能，故選用鋁合金7075T6為溫度傳感器封裝材料，光纖光柵溫度傳感器基底尺寸如圖1所示，基底三維圖如圖2所示，封裝形式如圖3所示。

由光纖光柵溫度和應(yīng)變傳感模型的分析可知，光纖光柵對(duì)溫度的敏感是根據(jù)被測件熱脹冷縮產(chǎn)生微形變，導(dǎo)致光纖光柵周期和有效折射率變化，最終導(dǎo)致光纖光柵中心波長發(fā)生漂移，所以在對(duì)光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行Ansys有限元模擬分析時(shí)，施加約束及邊界條件均為固定約束和拉伸應(yīng)力。根據(jù)所設(shè)計(jì)的光纖光柵應(yīng)變傳感器封裝形式，利用Ansys軟件，選取solid實(shí)體單元模型，根據(jù)光纖光柵實(shí)際尺寸進(jìn)行建模。由于要避免光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)變的交叉敏感，故不對(duì)光纖光柵溫度傳感器施加三向約束，左右兩側(cè)施加等量的預(yù)松弛應(yīng)力。保證光纖時(shí)刻處于松弛狀態(tài)，柵區(qū)形變僅由光柵受熱導(dǎo)致的相變提供。實(shí)際工程應(yīng)用中，光纖光柵溫度傳感器置于測試點(diǎn)，并不對(duì)其本身與被測件之間加以固定。圖4-圖7分別示出了ANSYS網(wǎng)格、底板應(yīng)變、傳感器底部應(yīng)變以及環(huán)氧樹脂層的應(yīng)變。

本發(fā)明通過實(shí)驗(yàn)對(duì)光纖光柵Ansys模擬失穩(wěn)波做了仿真，如圖8所示。從Ansys應(yīng)變分布來看，封裝整體受力分布均勻。在被測物體發(fā)生500微應(yīng)變時(shí)，光纖上微應(yīng)變?yōu)?.12。

其次，對(duì)溫度傳感器進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)：

將鋁合金材料加工成異形基底，并選取裸光纖光柵兩端用調(diào)整架固定，用環(huán)氧樹脂將塑料套管粘結(jié)在光纖光柵兩端，以作為防護(hù)層使用，然后將光纖光柵與APC/FC熔接，并接于調(diào)整好的光纖光柵解調(diào)儀用于監(jiān)控固化時(shí)中心波長的變化，將柵區(qū)置于封裝結(jié)構(gòu)深槽中央，待中心波長值穩(wěn)定后，使用環(huán)氧樹脂對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝，并固化24小時(shí)。完成固化后，檢查光纖光柵溫度傳感器中心波長數(shù)值。封裝完成后溫度傳感器如圖9所示。安裝在被測物體表面時(shí)，需要加上防護(hù)盒阻止輻照。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(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。