一种光纤传感器无胶封装方法和光纤传感器与流程

1.本发明涉及光纤传感器封装领域，尤其涉及一种光纤传感器无胶封装方法和光纤传感器。


背景技术：

2.光纤传感器因具有质量轻、体积小、精度高、抗电磁干扰、多参量同时测量等优点被广泛应用于建筑、石化、电力、航天航空等领域，尤其在某些特殊的应用场合如油气检测环境、强电磁环境、易燃易爆环境中，光纤传感器是一种常见物理量(如温度、湿度、应变、振动、位移、加速度等)测量的不二选择。
3.目前对于光纤传感器的封装(含固定和保护两部分)仍主要利用有机胶封装，其中采用环氧类粘接剂尤为常见。这种用胶封装的方式带来许多问题，如环氧类粘接剂存在长期蠕变、老化缺点、在高温环境下不适用、实际操作可控性和工艺稳定性差等问题，极大限制了光纤传感器的使用范围。而对于光纤传感器的无胶封装目前采用的方法是光纤表面金属化处理，即通过化学镀、化学气相沉积、等离子体沉积、磁控溅射等方式在光纤表面附上一层金属材料涂覆层，然后通过焊接等方法将其固定于被测金属试件表面。
4.光纤表面金属化虽彻底改变了光纤保护、粘接必须依靠胶粘剂的局面，但其仍存在问题：第一，光纤表面金属化形成的金属膜在微观上存在缺陷、孔洞、颗粒状等，容易导致光纤传感器受到不均匀应力的影响从而导致波形发生形变；第二，焊接点局部温度过高，焊接应力分布不均等问题；第三，光纤表面金属化后的金属膜容易受到空气和酸碱腐蚀，不能长时间有效保护光纤传感器。
5.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

6.本发明提供一种光纤传感器无胶封装方法和光纤传感器，以解决光纤传感器封装时面临的操作复杂、受到不均匀应力和受酸碱腐蚀问题。
7.本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决：
8.一种光纤传感器无胶封装方法，包括如下步骤：s1、准备基底材料；s2、将光纤传感器临时固定在基底材料其中一面上；s3、在基底材料表面滴入聚酰胺酸溶液，覆盖光纤传感器的待封装部位；s4、利用热固化工艺将所述聚酰胺酸溶液酰亚胺化，最终形成薄膜，所述薄膜将光纤传感器封装在基底材料上。
9.进一步的，所述基底材料是如下中的至少一者：铝及其铝合金片或块、不锈钢片或块、聚酰亚胺薄膜；所述步骤s1包括：在基底材料上的需要滴入聚酰胺酸溶液的面进行除油和粗化处理。
10.进一步的，所述步骤s2包括：将待封装的光纤传感器的一端用高温胶带临时固定在基底材料的第一预定位置，再将光纤传感器的另一端先拉直平压在基底材料上，再用高
温胶带将其临时固定在基底材料的第二预定位置。
11.进一步的，所述步骤s4包括：将表面滴入有聚酰胺酸溶液的基底材料放入干燥箱进行热固化工艺处理，所述热固化工艺过程为：从室温升至65-100℃维持0.5-2小时，再将温度升至为120-180℃维持0.5-2小时，再将温度升至200-250℃维持1-4小时，然后让其自然冷却至室温。
12.进一步的，在所述步骤s4之后，撤去之前临时固定光纤传感器的高温胶布。
13.进一步的，所述光纤传感器的制作方法包括：将普通单模光纤进行载氢处理，使氢分子扩散到光纤的包层和纤芯中。
14.进一步的，所述光纤传感器的制作方法还包括：借助准分子激光器和相位掩模板刻写光栅。
15.进一步的，所述光纤传感器的制作方法还包括：刻写光栅后放入温度箱内进行退火操作，用于排净载氢时在光纤内留存的氢气，使光纤光栅光学性能稳定。
16.本发明还提供一种光纤传感器，包括基底材料、光纤传感器，还包括聚酰亚胺薄膜，所述聚酰亚胺薄膜将所述光纤传感器封装在基底材料上。
17.进一步的，所述光纤传感器采用上述任一项所述的方法进行封装。
18.本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明提供的光纤传感器无胶封装方法，通过在基底材料表面滴入适量聚酰胺酸溶液，后经热固化工艺将其酰亚胺化，最终形成薄膜。此无胶封装方法操作简便，无需焊接操作，不存在应力不均匀问题，可有效保护、粘接光纤传感器。
附图说明
19.图1是本发明实施例的光纤传感器无胶封装方法流程图。
20.图2是本发明实施例的无胶封装好后的光纤传感器结构示意图。
21.图3是本发明实施例的光纤传感器成膜前后光栅波形对比图。
22.图4是本发明实施例的光纤传感器的高低温冲击测试示意图。
23.图5a是本发明实施例的光纤传感器的拉力测试实物图。
24.图5b是本发明实施例的光纤传感器的拉力测试数据图。
25.图6是本发明实施例的光纤传感器与电池电解液相容测试示意图。
具体实施方式
26.为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
28.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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。
29.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该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.本发明提出的光纤传感器无胶封装方法，通过在基底材料表面滴入适量聚酰胺酸溶液，后经热固化工艺将其酰亚胺化，最终形成薄膜。此方法可完全固定光纤传感器，操作简便，无需焊接操作，不存在应力不均匀问题，可有效保护、粘接光纤传感器。
31.本发明实施例的光纤传感器的制作方法如下：
32.1、将普通单模光纤进行载氢处理。具体做法是将光纤置于高压(10mpa(兆帕))的氢气罐内，并保持两周左右。在此过程氢分子会逐渐扩散到光纤的包层和纤芯中。
33.2、借助准分子激光器和相位掩模板刻写光栅。具体做法是先将载氢后的光纤局部剥去涂覆层(剥纤长度约12-15mm)，再把光纤放置在相位掩模板后(剥纤处正对相位掩模板)，利用准分子激光器发出激光，激光通过扩束镜和聚光镜片作用后照射到相位掩模板，通过相位掩膜板后，形成衍射光束，照射到光纤纤芯，纤芯被照部分中的氢分子立即与锗发生化学反应形成ge-oh键和ge-h键，从而使该部分的折射率发生永久性的增加。以上步骤即为光纤光栅刻写过程。
34.3、刻写光栅后放入温度箱内进行退火操作。具体操作如下：
35.(1)放入温度箱内进行高温长时间(120℃保持24小时)退火操作，用于排净载氢时在光纤内留存的氢气，使光纤光栅光学性能稳定；
36.(2)测试刻写好的光纤光栅，包括中心波长、反射率、3db带宽、边模抑制比，挑选出质量较好的(反射率》90％，3db带宽《0.25nm，边模抑制比大于20db)光纤光栅作为光纤传感器。
37.参考图1，本发明实施例的光纤传感器无胶封装方法包括如下步骤：
38.s1、准备基底材料。具体做法是将基底材料(如铝及其铝合金片或块、不锈钢片或块、聚酰亚胺薄膜中的至少一种)裁剪成长5-40mm、宽2-20mm、厚度0.03-1mm的几何体，再将基底材料其中一面(后续需要在此面滴入聚酰胺酸溶液的面)进行除油(去除在基底生产过程中表面粘附的油污)和粗化(为了增强基底材料与聚酰亚胺薄膜之间的结合强度)处理。
39.s2、将光纤传感器临时固定在基底材料其中一面上。具体做法是将挑选出来的光纤传感器一端(光纤光栅左端)用高温胶带将其临时固定在基底材料的第一预定位置(几何中心左侧)，再将光纤传感器的另一端(光纤光栅右端)先拉直平压在基底材料上，再用高温胶带将其临时固定在基底材料的的第二预定位置(几何中心右侧)。
40.s3、在基底材料表面滴入聚酰胺酸溶液，覆盖光纤传感器的待封装部位。具体做法为：往固定在基底材料上的光纤传感器光栅处滴入2-10ml聚酰胺酸溶液；
41.s4、利用热固化工艺将所述聚酰胺酸溶液酰亚胺化，最终形成薄膜，薄膜将光纤传感器封装在基底材料上。将按s1-s3步骤中准备好的上述装置一起放入干燥箱(例如鼓风干燥箱)进行热固化工艺处理，热固化工艺过程为：从室温升至65-100℃维持0.5-2小时，再将温度升至为120-180℃维持0.5-2小时，再将温度升至200-250℃维持1-4小时，然后让其自
然冷却至室温。例如：热固化工艺过程为从室温升至80℃维持1小时，再将温度升至为160℃维持1小时，再将温度升至220℃维持2小时，然后将鼓风干燥箱关闭，让其自然冷却至室温。
42.光纤传感器无胶封装好后，撤去之前临时固定光纤传感器的高温胶布。经过上述s1-s4步骤可以实现将光纤传感器牢牢固定在基底材料上，这是由于聚酰胺酸溶液经热固化工艺后进行了酰亚胺化，最终在基底材料表面形成聚酰亚胺薄膜(此处的聚酰亚胺薄膜是由聚酰胺酸溶液经热固化工艺得到，用于把光纤传感器中的光栅牢牢固定在基底材料上并起到保护光栅的作用)。基底材料表面与聚酰亚胺薄膜之间能够形成一种很强的附着力，这种附着力可固定住光纤传感器。
43.参考图2，采用本发明实施例的无胶封装方法封装好后的光纤传感器(样品)结构包含：基底材料1、光纤传感器2、聚酰亚胺薄膜3，通过在基底材料表面滴入适量聚酰胺酸溶液，后经热固化工艺将其酰亚胺化，最终形成聚酰亚胺薄膜将光纤传感器牢牢固定在基底材料上。
44.参考图3，为光纤传感器成膜前后光栅波形图形对比。通常情况光栅处若存在不均匀应力，则在光栅的波形上会出现明显的畸变(主峰附近会有旁峰出现且旁峰强度较大)。观察图3可以发现成膜后光栅的主峰附近无任何旁峰出现，即波形没有发生明显的畸变，这也就意味着光栅处应力分布是均匀的，这也是本发明实施例的无胶封装方法的一大优点。值得注意的是，相比于成膜前的情况，成膜后光栅具有以下特点：(1)中心波长有所减小，即从1540.100nm减小到1537.225nm，这是由于聚酰亚胺薄膜3需要在高温(大于180℃)下才能形成和基底材料1的热膨胀系数(15.0
×
10-6/℃-23.2
×
10-6/℃)与光纤热膨胀系数(0.5
×
10-6/℃)相差太大导致；(2)相对强度整体上移，这是由于成膜前后测试坏境噪声差异所导致。对于光纤解调仪(用于解调光纤信号)来说，只要光栅波形不发生明显畸变，信号就能正常解调。因此，本发明实施例中的无胶封装方法不会影响到光纤信号的解调过程。
45.参考图4，将若干样品放入高低温试验箱进行高低温度冲击测试，高低温测试条件如下：在-45℃至-35℃保持30-40分钟后，将温度在小于2分钟的时间内升高至80℃至85℃并保持30-40分钟(此为1个周期)，经过21个这样的温度冲击周期后，聚酰亚胺薄膜3无明显损坏、脱落，光纤传感器2也依然被固定在基底材料1表面。
46.参考图5a和图5b，利用拉力试验机对特殊配置的样品(光纤传感器光栅两端利用无胶封装方法固定，观察光栅中心波长所需)进行拉力测试。通常当拉力值约为10n时，栅区没有任何保护的光纤传感器会直接被拉断且断裂处往往发生在栅区部位，这是因为栅区在没有保护的情况下很脆，机械强度小。但在本发明实施例中，由于栅区有聚酰亚胺薄膜的保护，其机械强度得到极大提升，当拉力值为42.5n时，栅区由于封装得到保护未被拉断，反而非封装部分的光纤被拉断了，这就意味着本发明实施例的无胶封装方法能够有效保护光纤传感器。值得一提的是，在上述非封装部分的光纤被拉断后查看聚酰亚胺薄膜3仍然无明显损坏、脱落，也就是说，基底材料1表面与聚酰亚胺薄膜3之间能够形成一种很强的附着力，以至于用42.5n的拉力也无法使得聚酰亚胺薄膜3发生脱落。值得注意的是，在整个拉力过程中，光栅的中心波长没有发生任何变化，也就是说，该无胶封装方法能够牢牢固定住光纤传感器，这是因为如果没有固定住光纤传感器，当施加拉力时，光栅的中心波长是会发生明显变化的。
47.参考图6，将若干样品放入锂离子电池的电解液(锂盐为lipf6，溶剂为环状碳酸
酯、链状碳酸酯)中做相容性(共混物各组分彼此相互容纳，形成宏观均匀材料的能力)测试。将多个样品4放入盛有电解液5的恒温器皿6中，进行为期10天的高温(温度为60℃)下和30天的常温(温度为25℃)下的电解液相容性测试，其中温度仪7用于精准的温度控制。测试结果表明，无论是上述高温条件还是常温条件下，聚酰亚胺薄膜3无明显损坏、脱落。此外，对聚酰亚胺薄膜3在电解液中浸泡后的析出物分析，未发现有超量或者对电解液有害的析出物，也就是说聚酰亚胺薄膜3与电解液相容，对电解液几乎没有影响，这也就意味着本发明实施例中的无胶封装方法和光纤传感器均可运用到锂离子电池内部。
48.本发明还可应用于光纤传感领域和成膜工艺领域，本发明的无胶封装方法还可用于封装多根光纤或多个光纤传感器。
49.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。