CN114200574A - 基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的方法及装置 - Google Patents

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CN114200574A CN202111522384.XA CN202111522384A CN114200574A CN 114200574 A CN114200574 A CN 114200574A CN 202111522384 A CN202111522384 A CN 202111522384A CN 114200574 A CN114200574 A CN 114200574A
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Abstract

本发明提供了基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的方法及装置，整个长周期光纤光栅主要经过五个步骤，分别为调制模具的制作、复合材料的裁剪、光纤的铺放、热压机对模具的加压、热压机升温下对复合材料的热压成型。本发明的技术方案采用将单模光纤放置在两层玻璃纤维增强型复合材料的经纱之间，并用上、下调制模具将三者通过热压机热压技术热压成型后得到带有封装保护的LFPG整体，由此得到的LPFG克服了机械感生法卸力后波形恢复而不能应用于实际测量的缺点。同时本发明在制作LPFG的过程中实现了对其封装保护特点，制作完成后即可应用到实际工程中而不需要对其进行二次加工封装保护，省去额外的封装步骤，实现了封装保护的一体化。

Description

基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的方法及装置
技术领域
本发明涉及光纤封装设备技术领域，尤其是涉及基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的方法及装置。
背景技术
目前长周期光纤光栅(LPFG)不仅在通信领域中(如EDFA增益均衡器、噪声滤波器、耦合器、光开关、模场转换器等)得到应用，而且其对于基本物理量的测量(对温度、应力参数高灵敏度反应)在传感领域中得到广泛使用。另一方面，长周期光纤光栅其光栅周期长达几百微米，相较于布拉格光栅(光栅周期小于1微米)具有更多的制作方法，其中较为常见的方法有机械法(机械感生法)。
机械感生法，其原理早在1980年就在双折射光纤的偏振模式和光纤两种模式(LP01/LP11)的耦合中得到应用。当光纤位于沟槽板(沟槽周期为Λ)和平板之间时，如果对沟槽板施加压力，则光纤受到沟槽板传递的力。由于沟槽板上的沟槽是周期性的，经光弹效应，在光纤上引起周期的折射率调制。通过改变光纤与凹槽之间的角度可以调节光栅的周期和损耗峰的位置。通过调节压力的大小可以控制光栅的损耗峰的深度。这种LPFG的另一个特点是可擦除，即当压力去除后，光纤的传输可恢复到它的最初波段。因而，使用同样的沟槽板和光纤可得到宽范围的滤波功能。
在当前的制作长周期光纤光栅的方法中，往往只是针对制作的结果而忽略了在制作的同时对传感器进行封装，由于光纤本身脆弱易损，制作后的长周期光纤光栅不适合直接投入到实际的应用工程中进行基本物理量的测试，此外，机械感生法制作的长周期光纤光栅特点是可擦除，当压力去除后，光纤的传输可恢复到它的最初波段，即卸载外力后无法对应力的变化作出相应的波形变化。目前仍未有长周期光纤光栅制作-封装一体化的方法与装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的方法及装置，可以实现长周期光纤光栅的制作封装一体化。
根据本发明的一个目的，本发明提供一种基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的装置，包括：
上层玻璃纤维增强型编织复合材料和下层玻璃纤维增强型编织复合材料，所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料和所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料分别由相互交错的经纱和纬纱编织而成，所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料和所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料对齐重合，所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料和所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料之间放置单模光纤；
上调制模具和下调制模具，所述上调制模具或所述下调制模具分别贴覆在所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料的上方或所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料的下方；
热压机，用于对所述上调制模具或所述下调制模具施加压力，并对所述上调制模具或所述下调制模具进行加热。
进一步地，所述上调制模具和所述下调制模具之间通过单头螺栓固定连接。
进一步地，所述上调制模具与所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料接触的一面加工有与所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料的所述经纱周期相同的周期性凹槽。
进一步地，所述凹槽宽度与所述经纱宽度相同。
进一步地，所述凹槽的深度大于所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料和所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料的厚度之和。
进一步地，所述经纱和所述纬纱之间通过具有粘结力的环氧树脂粘结。
进一步地，所述单模光纤置于所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料和所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料的所述纬纱中间。
根据本发明的另一个目的，本发明提供一种基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的方法，包括如下步骤：
步骤一：制作调制模具
对具有设定厚度的金属板在精密数控加工中心进行机械线加工技术制作上调制模具和下调制模具，在上调制模具下表面加工周期性凹槽，凹槽的间隔周期与上层玻璃纤维增强型编织复合材料中的经纱周期相同，且制作的凹槽宽度与经纱宽度相同，根据长周期光纤光栅的相位配合公式：
Figure BDA0003408185740000031
式中
Figure BDA0003408185740000032
分别为芯模和包层模的有效折射率，Λ为光栅周期；
选择合适的周期数确定凹槽总长L：
L＝Λ*N
式中Λ,N分别为凹槽周期及凹槽周期数；
根据设定的单头螺栓尺寸对上调制模具扩孔，下调制模具内螺纹孔加工，上下模具为间隙配合H7/g6；
步骤二：裁剪璃纤维增强型编织复合材料
依据上调制模具的凹槽总长裁剪两片同等长度的复合材料，且裁剪时复合材料的经纱方向两端需分别为经纱起点、经纱间隙终点以便与上调制模具的凹槽对齐配合；
步骤三：光纤的铺放
将下调制模具置于热压机上，设定热压机温度对下调制模具进行预热，达到设定温度后将下层玻璃纤维增强型编织复合材料置于下调制模具上，两者两端边缘对齐，随后将单模光纤置于下层玻璃纤维增强型编织复合材料的经纱之中，接着将上层玻璃纤维增强型编织复合材料置于单模光纤之上，上层玻璃纤维增强型编织复合材料与下层玻璃纤维增强型编织复合材料对齐重合，最后盖上上调制模具，模具闭合；
步骤四：热压机压力温度的控制
设定热压机的气压和温度，通过控制热压机的压力从而可以使单模光纤受到不同的压力，从而控制纤芯与包层模式之间的耦合强度，光纤的有效折射率得到周期性的改变；
步骤五：热压机升温下对复合材料的热压成型
在热压机温度的控制下上层玻璃纤维增强型编织复合材料与下层玻璃纤维增强型编织复合材料热压成型并保持。
进一步地，步骤一中，所述凹槽的深度大于所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料和所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料的厚度之和。
进一步地，步骤五中，在热压机温度的控制下复合材料热压成型，在卸力仍然得到保持，光纤透射谱的损耗峰仍未消失，制作完成后光纤得到复合材料的封装保护。
本发明的技术方案采用将单模光纤放置在两层玻璃纤维增强型复合材料的经纱之间，并用上、下调制模具将三者通过热压机热压技术热压成型后得到带有封装保护的LFPG整体，由此得到的LPFG克服了机械感生法卸力后波形恢复而不能应用于实际测量的缺点。同时本发明在制作LPFG的过程中实现了对其封装保护特点，制作完成后即可应用到实际工程中而不需要对其进行二次加工封装保护，省去额外的封装步骤，实现了封装保护的一体化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的制作方法的流程图；
图2为本发明实施例的结构示意图；
图3为本发明实施例的***结构示意图；
图4为本发明玻璃纤维增强型复合材料的结构示意图；
图5为本发明光纤与上下两层复合材料的位置图；
图6为本发明上调制模具的结构示意图；
图7为玻璃纤维增强型复合材料与调制上模具的位置关系图；
图8为上下调制模具的配合结构示意图；
图9为铺放好光纤的调制模具置于热压机上的结构示意图；
图10为传感器受应力波形变化图；
图11为光纤受应力与峰值损耗关系图；
图中，1、单模光纤；2、上层玻璃纤维增强型编织复合材料；3、下层玻璃纤维增强型编织复合材料；4、上调制模具；5、下调制模具；6、单头螺栓；7、凹槽；8、经纱；9、纬纱；10、热压机。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本实施例提供一种基于编织复合材料制作与封装长周期光纤光栅装置，包括热压机、上层玻璃纤维增强型编织复合材料和下层玻璃纤维增强型编织复合材料、上调制模具、下调制模具和单模光纤，
上层玻璃纤维增强型编织复合材料和下层玻璃纤维增强型编织复合材料，是由具有一定周期性的相互交错的经纱纬纱编织而成，其上下交替的经纱纬纱之间存在着类似于具有一定深度凹槽的间隙，此外，在经纬纱之间通过具有一定的粘结力的环氧树脂粘结。
单模光纤置于上层玻璃纤维增强型编织复合材料和下层玻璃纤维增强型编织复合材料的纬纱中间。
调制模具分为上调制模具和调制模具，由于璃纤维增强型编织复合材料深度有限，故借助上调制模具置于上层璃纤维增强型编织复合材料之上，且模具凹槽周期与璃纤维增强型编织复合材料的经纱周期一致并对齐，上调制模具和调制模具通过单头螺栓的间隙配合保证闭合模具后的稳定性。
热压机用于对单模光纤施加压力，并对上层玻璃纤维增强型编织复合材料和下层玻璃纤维增强型编织复合材料中的树脂进行预热融化。
一种基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的方法，包括如下步骤：
步骤一：制作调制模具
对具有设定厚度的金属板在精密数控加工中心进行机械线加工技术制作上调制模具和下调制模具，上调制模具上加工凹槽，凹槽周期与璃纤维增强型编织复合材料经纱周期相同，且制作的凹槽宽度与经纱宽度相同，齿形为直尺，根据长周期光纤光栅的相位配合公式:
Figure BDA0003408185740000081
式中
Figure BDA0003408185740000082
分别为芯模和包层模的有效折射率，Λ为光栅周期。
选择合适的周期数确定凹槽总长L：
L＝Λ*N
式中Λ,N分别为凹槽周期及凹槽周期数
周期凹槽深度需略大于两倍的玻璃纤维增强型编织复合材料的厚度。根据设定的单头螺栓尺寸对上调制模具扩孔，下调制模具内螺纹孔加工，上下模具为间隙配合H7/g6。
步骤二：裁剪璃纤维增强型编织复合材料
依据上调制模具凹槽总长裁剪两片同等长度的复合材料，且裁剪时复合材料经纱方向两端需分别为经纱起点、经纱间隙终点以便与上调制模具的凹槽对齐配合。
步骤三：光纤的铺放
将下调制模具置于热压机上，设定热压机温度对下调制模具进行预热，达到设定温度后将下层玻璃纤维增强型编织复合材料置于下调制模具上，两者两端边缘对齐，随后将单模光纤置于下层玻璃纤维增强型编织复合材料的经纱之中，接着将上层玻璃纤维增强型编织复合材料置于单模光纤之上，上层玻璃纤维增强型编织复合材料与下层玻璃纤维增强型编织复合材料对齐重合，最后盖上上调制模具，模具闭合。
步骤四：热压机压力温度的控制
设定热压机的气压和温度，通过控制热压机的压力从而可以使单模光纤受到不同的压力，从而控制纤芯与包层模式之间的耦合强度，光纤的有效折射率得到周期性的改变，更进一步，在温度的控制下复合材料热压成型使得这种变化在卸力仍然得到保持，即光纤重复性的问题得以解决，光纤透射谱的损耗峰仍未消失，且制作完成后光纤得到复合材料的封装保护。
实施例2
本实施例具体提供一种基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的方法的操作步骤，包括以下步骤：
如图1所示，整个长周期光纤光栅主要经过五个步骤，分别为调制模具的制作、复合材料的裁剪、光纤的铺放、热压机对模具的加压、热压机升温下对复合材料的热压成型。
如图2和图3所示，整个长周期光纤光栅制作-封装一体化装置包括单模光纤1，上层玻璃纤维增强型编织复合材料2，下层玻璃纤维增强型编织复合材料3，上调制模具4，下调制模具5，单头螺栓6。
如图9所示，准备上、下调制模具及单模光纤，调制模具材料为机械性能很好的45#钢，上调制模具4在精密数控加工的机械线加工下制作出与复合材料2经纱周期相同的周期性凹槽7，随后对上层玻璃纤维增强型编织复合材料2及下层玻璃纤维增强型编织复合材料3依据凹槽7尺寸进行裁剪，裁剪过后将下调制模具5置于热压机上进行预热至达到下层玻璃纤维增强型编织复合材料3树脂融化温度，进一步将下层玻璃纤维增强型编织复合材料3置于下调制模具5之上，两者宽度方向两端需对齐配合，随后将单模光纤1置于下层玻璃纤维增强型编织复合材料3经纱之上，再进一步将上层玻璃纤维增强型编织复合材料2放置于单模光纤1之上，并与下层玻璃纤维增强型编织复合材料3对齐重合，最后将上调制模具4盖上，上调制模具4与下调制模具5通过单头螺栓6进行间隙配合，此后可通过热压机对模具进行压力和温度的调控。
如图4，上层玻璃纤维增强型编织复合材料2或下层玻璃纤维增强型编织复合材料3均是由上下交替的经纱8和纬纱9周期性排列组成，纵向为与光纤轴向方向平行的纬纱，横向方向为与光纤轴向方向垂直的经纱，此外，两者间的间隙通过具有一定粘性的环氧树脂进行填充。
如图5，单模光纤1置于上层玻璃纤维增强型编织复合材料2的纬纱9与下层玻璃纤维增强型编织复合材料3的纬纱9之中。
如图6，上调制模具4为经过机械线加工(加工精度可达10μm)的直齿带凹槽7的模具。
如图7，上调制模具4的凹槽齿形与上层玻璃纤维增强型编织复合材料2经纱8一一对齐。
如图8，上调制模具4与下调制模具5通过单头螺栓6进行闭模。
在温度的控制下复合材料热压成型使得这种变化在卸力仍然得到保持，即光纤重复性的问题得以解决，光纤透射谱的损耗峰仍未消失，且制作完成后光纤得到复合材料的封装保护。
实施例3
如图10和图11所示，首先将热压机预设置为气压0.012Mpa，温度70摄氏度，接着打开热压机的下压按钮，以0.012Mpa的气压对调制模具压制三十分钟，随后打开加热按钮，待温度达到预设温度值后保持五分钟，关闭加热按钮并打开热压机的卸压按钮，待模具恢复即室温即可取出传感器，长周期光纤光栅传感器制作完成。图10为对制作完成后的LPFG进行0-15N压力测试，图11为对图10测试结果中光纤峰值损耗与应力线性关系系数的求解，求得线性回归系数R2＝0.997，由此可知所制得的传感器对应力的测量具有极高的线性度。
本发明的技术方案采用将单模光纤放置在两层玻璃纤维增强型复合材料的经纱之间，并用上、下调制模具将三者通过热压机热压技术热压成型后得到带有封装保护的LFPG整体，由此得到的LPFG克服了机械感生法卸力后波形恢复而不能应用于实际测量的缺点。同时本发明在制作LPFG的过程中实现了对其封装保护特点，制作完成后即可应用到实际工程中而不需要对其进行二次加工封装保护，省去额外的封装步骤，实现了封装保护的一体化。
本发明玻璃纤维增强型复合材料里的经纬纱对光纤互锁，含树脂的纬纱承载包裹光纤，经纱直接接触光纤表面初压压痕，调制模具加强调制深度进而改变光纤折射率形成栅区。
本发明玻璃纤维增强型复合材料其内部环氧树脂粘结力的作用下光纤不需外力的作用仍然保持传感器的特性，此外，通过热压机可以实现对压力、温度精确定量的压痕深度调控，这决定了光纤光栅的量程大小，最后通过树脂的热压成型进一步锁定长周期光栅的最终状态，且对制作后的LFPG提供封装保护的作用；本发明制作的LPFG由于在制作过程中实现写制-封装一体化，故能直接应用于实际工程中进行相关参数的测量，省去制作LPFG后需再次对光纤进行封装保护的步骤。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，例如，对模具齿形的改变：如圆弧形、锯齿形、V形等；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的装置，其特征在于，包括：
上层玻璃纤维增强型编织复合材料和下层玻璃纤维增强型编织复合材料，所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料和所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料分别由相互交错的经纱和纬纱编织而成，所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料和所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料对齐重合，所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料和所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料之间放置单模光纤；
上调制模具和下调制模具，所述上调制模具或所述下调制模具分别贴覆在所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料的上方或所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料的下方；
热压机，用于对所述上调制模具或所述下调制模具施加压力，并对所述上调制模具或所述下调制模具进行加热。
2.根据权利要求1所述的基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的装置，其特征在于，所述上调制模具和所述下调制模具之间通过单头螺栓固定连接。
3.根据权利要求1所述的基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的装置，其特征在于，所述上调制模具与所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料接触的一面加工有与所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料的所述经纱周期相同的周期性凹槽。
4.根据权利要求3所述的基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的装置，其特征在于，所述凹槽宽度与所述经纱宽度相同。
5.根据权利要求4所述的基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的装置，其特征在于，所述凹槽的深度大于所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料和所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料的厚度之和。
6.根据权利要求1所述的基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的装置，其特征在于，所述经纱和所述纬纱之间通过具有粘结力的环氧树脂粘结。
7.根据权利要求1所述的基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的装置，其特征在于，所述单模光纤置于所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料和所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料的所述纬纱中间。
8.基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：制作调制模具
对具有设定厚度的金属板在精密数控加工中心进行机械线加工技术制作上调制模具和下调制模具，在上调制模具下表面加工周期性凹槽，凹槽的间隔周期与上层玻璃纤维增强型编织复合材料中的经纱周期相同，且制作的凹槽宽度与经纱宽度相同，根据长周期光纤光栅的相位配合公式：
Figure FDA0003408185730000021
式中
Figure FDA0003408185730000022
分别为芯模和包层模的有效折射率，Λ为光栅周期；
选择合适的周期数确定凹槽总长L：
L＝Λ*N
式中Λ,N分别为凹槽周期及凹槽周期数；
根据设定的单头螺栓尺寸对上调制模具扩孔，下调制模具内螺纹孔加工，上下模具为间隙配合H7/g6；
步骤二：裁剪璃纤维增强型编织复合材料
依据上调制模具的凹槽总长裁剪两片同等长度的复合材料，且裁剪时复合材料的经纱方向两端需分别为经纱起点、经纱间隙终点以便与上调制模具的凹槽对齐配合；
步骤三：光纤的铺放
将下调制模具置于热压机上，设定热压机温度对下调制模具进行预热，达到设定温度后将下层玻璃纤维增强型编织复合材料置于下调制模具上，两者两端边缘对齐，随后将单模光纤置于下层玻璃纤维增强型编织复合材料的经纱之中，接着将上层玻璃纤维增强型编织复合材料置于单模光纤之上，上层玻璃纤维增强型编织复合材料与下层玻璃纤维增强型编织复合材料对齐重合，最后盖上上调制模具，模具闭合；
步骤四：热压机压力温度的控制
设定热压机的气压和温度，通过控制热压机的压力从而可以使单模光纤受到不同的压力，从而控制纤芯与包层模式之间的耦合强度，光纤的有效折射率得到周期性的改变；
步骤五：热压机升温下对复合材料的热压成型
在热压机温度的控制下上层玻璃纤维增强型编织复合材料与下层玻璃纤维增强型编织复合材料热压成型并保持。
9.根据权利要求8所述的基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的方法，其特征在于，步骤一中，所述凹槽的深度大于所述上层玻璃纤维增强型编织复合材料和所述下层玻璃纤维增强型编织复合材料的厚度之和。
10.根据权利要求8所述的基于复合材料制作与封装长周期光纤光栅的方法，其特征在于，步骤五中，在热压机温度的控制下复合材料热压成型，在卸力仍然得到保持，光纤透射谱的损耗峰仍未消失，制作完成后光纤得到复合材料的封装保护。
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