CN111811685A - 一种光纤光栅温度传感器、组件及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光纤光栅温度传感器、组件及制作方法，包括：光纤，包括光栅段、两个位移补偿段以及两个延长段，其中一位移补偿段连接光栅段的一端以及其中一延长段，另一位移补偿段连接光栅段的另一端以及另一延长段，其中每一位移补偿段呈弯曲状；支撑板，与光纤固定，支撑板的制作材料包括纤维增强复合材料。本发明通过利用纤维增强复合材料，具有更强的耐腐蚀性和兼容性，能够有效延长光纤光栅温度传感器在实际使用中的寿命；而通过将位移补偿段设置为弯曲状，且延长段的设置又能使得位移补偿段具有一定的补偿量，能够对光栅段的应变进行缓解，使得光栅段不受应变的影响，降低了成本又降低了工艺上的难度，可广泛应用于传感器技术领域。

Description

一种光纤光栅温度传感器、组件及制作方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其是一种光纤光栅温度传感器、组件及制作方法。

背景技术

光纤光栅温度传感器是一种对应变和温度敏感的新型传感器，凭借其高灵敏度，高测量精度，抗电磁干扰，耐腐蚀等的特点，已逐渐在工程结构监测领域中发展起来。

目前，一方面对光纤光栅温度传感器多采用金属材料进行封装，封装工艺复杂、成本相对较高，同时金属材料在使用过程中容易发生腐蚀，从而削减光纤光栅温度传感器的使用寿命。

另一方面，光纤光栅温度传感器在工程应用中的另一个难题是光纤光栅具有对应变敏感的特性，而应变改变时会使得光纤光栅的反射谱变化，目前的解耦方法多通过使用额外的一根光纤光栅作为参考，或者采用不同的材料进行封装来实现对应变因素的解耦，但是其对传感光栅中心波长识别和制作成本、工艺的要求比较高，存在缺陷。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种光纤光栅温度传感器、组件及制作方法。

本发明采用的技术方案是：

光纤光栅温度传感器，包括：

光纤，包括光栅段、两个位移补偿段以及两个延长段，其中一个所述位移补偿段连接所述光栅段的一端以及其中一个所述延长段，另一个所述位移补偿段连接所述光栅段的另一端以及另一个所述延长段，其中每一所述位移补偿段呈弯曲状；

支撑板，与所述光纤固定，所述支撑板的制作材料包括纤维增强复合材料。

进一步，所述纤维增强复合材料包括玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料和石棉纤维的至少一种。

进一步，还包括保护层，所述支撑板设置有开孔，所述保护层对应所述开孔设置，所述保护层与所述位移补偿段固定。

进一步，每一所述延长段包括一固定段和一连接段，所述固定段连接所述光栅段和所述连接段，所述固定段与所述支撑板固定。

进一步，还包括若干保护套管，所述保护套管与所述支撑板固定，所述保护套管包覆所述光栅段以及所述连接段。

进一步，所述保护套管内填充有密封胶，所述密封胶的材料包括热固性环氧胶。

进一步，所述保护套管的制作材料包括铁氟龙。

进一步，所述支撑板通过铁氟龙进行脱模而成。

本发明还提供一种组件，包括所述光纤光栅温度传感器以及两个连接器，每一所述连接器连接一所述延长段。

本发明还提供一种光纤光栅温度传感器的制作方法，包括以下步骤：

将保护套管套设于光纤上的光栅段和两个延长段，其中所述光栅段与每一所述延长段之间具有呈弯曲状的位移补偿段；

将保护层固定于第一支撑板的开孔，其中所述第一支撑板的制作材料包括纤维增强复合材料；

将所述光栅段固定于所述第一支撑板的中间位置，使得所述光栅段在所述第一支撑板的长度方向上对称设置，并将所述位移补偿段与所述保护层固定，以及将所述保护套管与所述第一支撑板固定；

将第二支撑板覆盖所述第一支撑板设置有所述光纤的一面；

分别在所述第一支撑板和所述第二支撑板上覆盖铁氟龙板，并通过热压成型工艺进行成型。

本发明的有益效果是：通过使用包括纤维增强复合材料的支撑板与所述光纤固定，利用纤维增强复合材料，具有更强的耐腐蚀性和兼容性，能够有效延长光纤光栅温度传感器在实际使用中的寿命；而通过将位移补偿段设置为弯曲状，且延长段的设置又能使得位移补偿段具有一定的补偿量，能够对光栅段的应变进行缓解，使得光栅段不受应变的影响，降低了成本又降低了工艺上的难度。

附图说明

图1为本发明光纤光栅温度传感器立体示意图；

图2为图1的仰视图；

图3为具体实施例第一支撑板的尺寸示意图；

图4为具体实施例保护层的尺寸示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地能够对步骤的先后顺序进行调整，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

如图1和图2所示，本实施例提供一种光纤光栅温度传感器，包括支撑板1、四个保护层2、光纤3和保护套管(包括第一保护套管4和第二保护套管5)。

如图1、图2和图3所示，在本实施例中，支撑板1包括第一支撑板11和第二支撑板12，第一支撑板11和第二支撑板12沿长度方向延伸，可选地长度方向指的是左右方向。在本实施例中支撑板为矩形，制作材料包括纤维增强复合材料，可选地纤维增强复合材料包括玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料和石棉纤维的至少一种，例如可以为上述材料的其中一种，或采用混合的方式制作；纤维增强复合材料采用致密的铺层厚度为(0.1-0.3)mm的双向玻璃纤维增强复合材料，预浸布，而该材料应变方向上更加灵敏，强度更高，包括但不限于通过热压成型方式制造。第一支撑板11上设置有两个开孔111，第二支撑板12上设置有与两个开孔111对应的两个开槽121，开孔111和开槽121的形状包括但不限于矩形。第二支撑板12用于在第一支撑板11安装好光纤3、保护层2和保护套管后，覆盖光纤3、保护层2和保护套管，与第一支撑板11包覆保护光纤3、保护层2和保护套管。在本实施例中，第一支撑板11和第二支撑板12的结构相同，均通过铁氟龙进行脱模而成，表面平滑且规则，一方面提高了支撑板与光纤3的粘结强度，另一方面，增强了封装后光纤光栅温度传感器与被测结构件的粘结强度。第一支撑板11和第二支撑板12所具有的结构，该结构的表面在埋植于结构件内部，或者是粘贴于结构件外部时，有利于提高光纤光栅温度传感器表面与被测结构件的粘结强度，有效防止光纤光栅温度传感器与被测结构件在使用过程中的分离；第一支撑板11和第二支撑板12的结构既适合粘贴在被测结构件的表面，也适用于埋植于被测结构件的内部，适用性强，能够实现被测结构件应变和温度的实时检测。

如图1、图3和图4所示，在本实施例中，每一保护层2对应一个开孔111和开槽121设置，可选地保护层2的尺寸大于开孔111的尺寸，包括但不限于保护层2的长度L1大于开孔111的长度L2，保护层2的宽度W1大于开孔111的宽度W2，保护层2用于保护光纤3，隔绝树脂和粘接剂渗透的功能。

如图2所示，在本实施例中，光纤3包括光栅段31、两个位移补偿段32以及两个延长段，其中每一延长段又包括一固定段33和一连接段34。光栅段31连接两个位移补偿段32，两个位移补偿段32连接固定段33，固定段33连接连接段34；光栅段31位于两个位移补偿段32之间，光栅段31以及两个位移补偿段32位于两个固定段33之间，光栅段31、两个位移补偿段32和两个固定段33位于两个连接段34之间。

如图2所示，在本实施例中，光栅段31设于两个开孔111之间，位于第一支撑板11的中间位置；光栅段31指的是包括刻制成的光纤栅区的区段，作为传感器的敏感元件，用于完成测量的功能。可以理解的是，光纤栅区具有规定的长度，栅区的中心波长可以根据需求在一定范围内定制。

在本实施例中，位移补偿段32呈弯曲状，可选地为松散的弯曲状，具体的弯曲程度可以根据实际需求进行调整，用于抵御应变的影响，即能够对光栅段31的应变进行缓解，使得光栅段31不受应变的影响。位移补偿段32与保护层2固定，使得保护层2能够保护位移补偿段32。

在本实施例中，固定段33与第一支撑板11固定，固定段33的设置能使得位移补偿段32有一定的补偿量，保障位移补偿段32能够正常运作。

在本实施例中，连接段34用于连接连接器，用于进行光信号的传输。

其中，除光栅段31的光纤栅区外的光纤3的其他部分均具有可剥离的涂覆层以保护光纤3，光纤3掺杂有光敏材料。

如图1和图2所示，在本实施例中，保护套管包括第一保护套管4和两个第二保护套管5，第一保护套管4和两个第二保护套管5与第一支撑板11固定。第一保护套管4套设于光栅段31上用于包覆保护光栅段31，第一保护套管4的长度大于两个开孔111之间的长度；第二保护套管5套设于连接段34上，用于包覆保护处于连接段34上位于第一支撑板11和第二支撑板12之间的内部的一部分，以及用于包覆保护连接段34上超出第一支撑板11和第二支撑板12的外部的另一部分，保护光纤3免受破坏。

可选地，第一保护套管4与第二保护套管5内均填充有密封胶，密封胶的材料包括但不限于热固性环氧胶。第一保护套管4与第二保护套管5的制作材料包括铁氟龙，该材料制成的保护套管具有良好的强度、柔韧性、耐高温、抗酸抗碱、几乎不溶于任何溶剂的特点，能够有效的保护光纤3。

由于光纤3的光栅段31具有同时对应变和温度敏感的特性，从而使得对光纤光栅温度传感器应变和温度的解耦显得尤为重要，当温度和应变改变时均使得光纤3光栅的反射谱变化，而本方案通过将位移补偿段32设置为弯曲状，且延长段的设置又能使得位移补偿段32具有一定的补偿量，能够对光栅段31的应变进行缓解，使得光栅段31不受应变的影响，降低了成本又降低了工艺上的难度；另一方面，通过设置耐高温的第一保护套管4与第二保护套管5能够减小光纤3在受到温度改变时的影响，完成对温度的解耦的功能。综上，本方案的光纤光栅温度传感器具有监测温度，抵抗应变干扰的能力，该传感器为平板结构，小巧轻薄，具有高柔韧性以及高强度，适合粘贴于被测结构件的表面或者嵌入到复合材料中实现在线实时监测。

在本实施例中，最终通过第一支撑板11和第二支撑板12进行封装后的光纤光栅温度传感器的支撑层表面为平面，传感器最大厚度不超过1mm,宽度在10mm-20mm之间，使得该传感器体积小巧轻薄。

本发明还提供一种组件，包括上述光纤光栅温度传感器以及两个连接器，每一连接器连接一延长段，方便光纤光栅温度传感器与外界***联通，以及光纤光栅温度传感器之间的互相连接。在本实施例中，连接器为光纤连接器。

参照图1至图4，本发明还提供一种光纤光栅温度传感器的制作方法，包括以下步骤：

S1、将保护套管套设于光纤3上的光栅段31和两个延长段，其中光栅段31与每一延长段之间具有呈弯曲状的位移补偿段32，每一延长段包括固定段33与连接段34；

具体地，将第一保护套管4套设于光栅段31，将第二保护套管5套套设于连接段34。

可选地，上述光栅段31可以通过以下步骤得到：取一条具备涂覆层的光纤3，从中间设定部分按一定长度剥去涂覆层，在剥去涂覆层的光纤3上刻制光纤栅区。

可选地，在套设保护套管后在保护套管内填充密封胶。

S2、将保护层2固定于第一支撑板11的开孔111，其中第一支撑板11的制作材料包括纤维增强复合材料；

可选地，第一支撑板11可以通过以下方式得到：剪裁出大小适宜的矩形纤维增强复合材料预浸料，并在第一支撑板11总长度的1/4和3/4长度处，分别挖出两个相同规格的矩形开孔111，两个开孔111之间具有间距U。

具体地，保护层2的尺寸根据开孔111进行选取，保护层2的长度L1大于开孔111的长度L2，保护层2的宽度W1大于开孔111的宽度W2，以保证保护层2(包括但不限于为隔胶保护层2)覆盖在预浸料的方形开孔111处时有一定的搭接宽度。固定的方式包括但不限于粘着。

S3、将光栅段31固定于第一支撑板11的中间位置，使得光栅段31在第一支撑板11的长度方向上对称设置，并将位移补偿段32与保护层2固定，以及将保护套管与第一支撑板11固定；

具体地，通过第一保护套管4将光栅段31固定于第一支撑板11的中间位置，使固定段33固定于第一支撑板11，使位移补偿段32固定于保护层2，通过第二保护套管5将连接段34固定于第一支撑板11。

可选地，第一保护套管4的长度大于两个开孔111之间的间距U。

其中，可以理解的是将位移补偿段32弯曲成弯曲状可以在S1中进行，也可以在S3中进行，不作限定。

S4、将第二支撑板12覆盖第一支撑板11设置有光纤3的一面；

在本实施例中，第二支撑板12与第一支撑板11的形成过程、尺寸大小相同，第二支撑板12具有与开孔111对应的开槽121，制作方法和尺寸与开孔111相同，不再赘述。可选地，第二支撑板12进行覆盖前在开槽121内亦固定有保护层2，覆盖时保护层2进一步保护位移补偿段32。

S5分别在第一支撑板11和第二支撑板12上覆盖铁氟龙板，并通过热压成型工艺进行成型。

具体地，覆盖铁氟龙板后放入热压机中，调整压力与温度参数到合适的参数后(可以根据实际需要进行调整)，开始进行压制，一段时间后光纤光栅温度传感器成型，得到光纤光栅温度传感器。

其中，若需要制作包含光纤光栅温度传感器的组件，那么可以在得到光纤光栅温度传感器后，在连接段34上连接连接器，或者在S1中事先在连接段34上连接连接器,可选地，连接器为光纤连接器。

综上，本方案能达到以下效果：

(1)本发明设计了一种能够抵抗应变干扰的能够精确检测温度的增强纤维塑料封装的光纤光栅温度传感器，该传感器强度高，体积小，耐腐蚀，并且与纤维复合材料具有很高的兼容性，该传感器能够有效延长光纤光栅温度传感器在实际工业使用中的寿命。并且第一支撑板11和第二支撑板12为薄片状结构，容易粘贴在各种结构的表面，或者能够嵌入到复合材料中，实现被测件的实时在线检测。

(2)本发明将具有光纤光栅温度传感器的敏感元件全部封装在纤维增强复合材料中，在恶劣的工作环境中不会出现光栅段31与支撑板脱离的现象，同时通过测试表明，该纤维增强复合材料封装的光纤光栅温度传感器具有较高的灵敏度和稳定性，能够运用于工况恶劣的工业环境。

(3)本发明所设计的光纤光栅温度传感器能够通过光纤连接器实现多个光纤光栅温度传感器串联或并联工作，实现被测结构件的实时分布式在线检测。

(5)本发明所设计的纤维增强复合材料封装的光纤光栅温度传感器全部由非金属材料制成，体积小，质量轻，耐腐蚀，抗电磁干扰，防止了光纤光栅温度传感器在使用过程中腐蚀失效，或者受到强电磁场干扰的可能。

Claims (10)

1.一种光纤光栅温度传感器，其特征在于，包括：

光纤，包括光栅段、两个位移补偿段以及两个延长段，其中一个所述位移补偿段连接所述光栅段的一端以及其中一个所述延长段，另一个所述位移补偿段连接所述光栅段的另一端以及另一个所述延长段，其中每一所述位移补偿段呈弯曲状；

支撑板，与所述光纤固定，所述支撑板的制作材料包括纤维增强复合材料。

2.根据权利要求1所述光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述纤维增强复合材料包括玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料和石棉纤维的至少一种。

3.根据权利要求1所述光纤光栅温度传感器，其特征在于：还包括保护层，所述支撑板设置有开孔，所述保护层对应所述开孔设置，所述保护层与所述位移补偿段固定。

4.根据权利要求1所述光纤光栅温度传感器，其特征在于：每一所述延长段包括一固定段和一连接段，所述固定段连接所述光栅段和所述连接段，所述固定段与所述支撑板固定。

5.根据权利要求4所述光纤光栅温度传感器，其特征在于：还包括若干保护套管，所述保护套管与所述支撑板固定，所述保护套管包覆所述光栅段以及所述连接段。

6.根据权利要求5所述光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述保护套管内填充有密封胶，所述密封胶的材料包括热固性环氧胶。

7.根据权利要求5所述光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述保护套管的制作材料包括铁氟龙。

8.根据权利要求1所述光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述支撑板通过铁氟龙进行脱模而成。

9.一种组件，其特征在于，包括如权利1-8任一项所述光纤光栅温度传感器以及两个连接器，每一所述连接器连接一所述延长段。

10.一种光纤光栅温度传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

将保护套管套设于光纤上的光栅段和两个延长段，其中所述光栅段与每一所述延长段之间具有呈弯曲状的位移补偿段；

将保护层固定于第一支撑板的开孔，其中所述第一支撑板的制作材料包括纤维增强复合材料；

将所述光栅段固定于所述第一支撑板的中间位置，使得所述光栅段在所述第一支撑板的长度方向上对称设置，并将所述位移补偿段与所述保护层固定，以及将所述保护套管与所述第一支撑板固定；

将第二支撑板覆盖所述第一支撑板设置有所述光纤的一面；

分别在所述第一支撑板和所述第二支撑板上覆盖铁氟龙板，并通过热压成型工艺进行成型。

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