单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器及其封装方法

摘要

一种单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器及其封装方法，在封装盖的轴向中心加工有通孔(a)、一端面上设置有基底，基底与封装盖连为一体，基底的上表面与通孔(a)圆心之间的距离小于等于通孔(a)的半径，在基底上表面加工有凹槽(b)、凹槽(c)，凹槽(b)与凹槽(c)的中心距为20mm～30mm，光纤光栅的一端尾纤穿过封装盖的通孔(a)向外延伸一段距离，光纤光栅的光栅部分用耐高温固化胶固定在基底上凹槽(b)和凹槽(c)之间，将基底伸入到保护套筒内，封装盖固定在保护套筒上，本发明具有结构简单、灵敏度高、适用温度范围大的优点。

权利要求

1.一种单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器，其特征在于：在封装盖(1)的轴向中心加工有通孔(a)、一端面上设置有基底(2)，基底(2)与封装盖(1)连为一体，基底(2)的上表面与通孔(a)圆心之间的距离小于等于通孔(a)的半径，在基底(2)上表面加工有第一凹槽(b)、第二凹槽(c)，第一凹槽(b)与第二凹槽(c)的中心距为20mm～30mm，光纤光栅(3)的一端尾纤穿过封装盖(1)的通孔(a)向外延伸一段距离，光纤光栅(3)的光栅部分用耐高温固化胶(4)固定在基底(2)上第一凹槽(b)和第二凹槽(c)之间，光纤光栅(3)两粘接点之间的长度l1为：l1＝l3-l2-Δl+l0

式中，l3为在耐高温固化胶固化温度下第二凹槽(c)与第一凹槽(b)的中心距，l2为在耐高温固化胶固化温度下光纤光栅(3)上两粘贴点之间的长度，Δl为光纤光栅施加的预拉伸长量，l0为室温下光纤光栅(3)两粘贴点之间的距离；将基底(2)伸入到保护套筒(5)内，封装盖(1)固定在保护套筒(5)上。

2.根据权利要求1所述的单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器，其特征在于所述的封装盖(1)为：封装盖(1)一端加工成圆锥台、另一端加工成圆台，轴向中心位置加工有通孔(a)，圆台侧面加工有螺纹。

3.根据权利要求1所述的单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述的光纤光栅(3)的光栅栅区长度为10～15mm，光纤光栅(3)的波长为1520～1580nm。

4.根据权利要求1所述的单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述的保护套筒(5)为一端封闭，另一端开口且内壁加工有螺纹的金属套筒。

5.根据权利要求1所述的单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述基底(2)的几何形状为长方形片状。

6.根据权利要求1所述的单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据传感器工作温度范围和应用环境，选取温度固化值Tg的耐高温固化胶(4)，确定传感器灵敏度转换温度值Tz和基底(2)的材料；

(2)计算出给两粘贴点之间含光纤光栅的光纤施加的预拉伸长量Δl；

Δl＝l0[αs(Tg-T0)-α′s(Tz-T0)-α(Tg-Tz)]

式中，l0为室温下光纤光栅上两粘贴点之间的距离，Tg为耐高温固化胶(4)高温固化温度值，T0为室温，Tz为传感器灵敏度转换温度点值，αs为基底(2)在T0～Tg温度区间的热膨胀系数，α′s为基底(2)在T0～Tz温度区间的热膨胀系数，α为光纤光栅(3)的热膨胀系数；

(3)室温下把基底(2)放置在高温箱式炉内，将光纤光栅(3)置于基底(2)上，光纤光栅(3)的光栅部分位于第一凹槽(b)与第二凹槽(c)之间，栅区长度小于第一凹槽(b)与第二凹槽(c)两槽之间的距离，把耐高温固化胶(4)涂在基底(2)的第一凹槽(b)和第二凹槽(c)上；

(4)将光纤光栅(3)两端尾纤分别穿出高温箱式炉通过跳线接入光谱仪，光谱仪显示光纤光栅波形和中心波长数值，光纤光栅(3)两端尾纤端部用预应力工作平台上的夹子夹持，对光纤光栅(3)施加预应力，光纤光栅中心波长发生漂移，光谱仪显示出波长变化值ΔλB，在时，停止施加应力，式中Pe为光纤的有效弹光系数，λB为光纤光栅初始中心波长，Δl为光纤施加的预拉伸长量，l0为室温下两粘贴点之间的距离；

(5)接通高温箱式炉电源，根据耐高温固化胶(4)的使用说明书设定加热温度和加热时间，对耐高温固化胶(4)进行加热固化，光纤光栅(3)和基底(2)高温固化粘接后，停止加热并冷却到室温；

(6)从加热装置中取出固化有光纤光栅(3)的基底(2)，将基底(2)伸入保护套筒(5)内，封装盖(1)与保护套筒(5)紧固连接，完成封装。

7.根据权利要求6所述的单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的耐高温固化胶(4)温度固化值Tg为150～800℃，传感器灵敏度转换温度点值Tz为100～700℃；所述的基底(2)为金属基底，基底(2)的膨胀系数＞光纤光栅(3)的膨胀系数。

说明书

单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器及其封装方法

技术领域

[0001] 本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及到一种基于单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的装置或设备。

背景技术

[0002] 光纤光栅传感器由于其独特的优势和广泛的应用而在光纤传感领域倍受瞩目，近年来，光纤光栅传感理论和技术日益成熟，普通应用环境下的光纤光栅传感器已从实验室研究走向实用化，在土木工程，公共交通等领域的应用有诸多报道。前期，由于受到长期耐高温的光纤光栅制作技术的限制，高温环境下的光纤光栅传感器的相关技术研究相对滞后。近几年，国内外在耐长期高温光纤光栅制作技术上开展了大量工作，并取得了很大进展。耐高温光纤光栅技术的突破为光纤光栅传感器在高温特殊环境下的应用提供了基本部件。

[0003] 虽然经过特殊工艺制作的耐高温光纤光栅可在高达1000℃的温度下进行传感测量，但裸光纤光栅对温度的响应灵敏度很低，对于中心波长为1550nm的裸光纤光栅的温度灵敏度约为0.0116nm/℃。若用精度为1pm的高精度光纤光栅传感解调仪进行检测，温度分辨率约为0.1℃。加之裸光纤光栅本身非常纤细，强度低，必须对裸光纤光栅进行功能性封装处理，以实现对光纤光栅的保护和对温度的响应增敏，从而满足大型工程结构的现场施工和传感器灵敏度的要求。

[0004] 单基底增敏和多基底增敏是两种常见的光纤光栅温度增敏方法。其中单基底增敏方法是将FBG牢固地粘结在或埋置于一个大热膨胀系数的基底材料中，当温度变化时，这种基底材料热膨胀产生的形变通过应力对FBG起作用，引起光纤光栅周期的改变，从而可以提高FBG的温度灵敏度。这种增敏方法封装的传感器结构简单，制作方便，但其温度灵敏度由基底材料热膨胀系数决定，灵敏度固定，不能调整，且增敏效果有限。多基底增敏方法是将不同热膨胀系数的多个基底材料机械组合，将光纤光栅粘贴在机械组合上,当温度变化时，利用不同基底材料的长度尺寸和热膨胀系数的差别，将多基底材料热膨胀产生的不同形变通过应力作用 到光纤光栅上,引起光纤光栅周期的改变，从而可以提高FBG的温度灵敏度。这种增敏方法封装的传感器不仅可以灵活调整传感器的灵敏度，还可以大幅度提高光纤光栅温度传感器的灵敏度。但由于光纤光栅所能承受的最大应变量约为5000ustrain，波长最大漂移量约为6nm,在光纤光栅波长变化有限的条件下，光纤光栅传感器的灵敏度和测量量程是相互制约的,灵敏度越大，则测量量程越小。

[0005] 另外基底材料的热膨胀系数在宽温度区间内不是常量，通常随着温度升高热膨胀系数会变大，如锡青铜在20-200℃，20-300℃，20-400℃三个温度区间内，热膨胀系数分别为17.6×10-6/℃，17.9×10-6/℃，18.2×10-6/℃。所以同一结构单基底或多基底增敏封装的光纤光栅温度传感器在不同温度区间内标定的温度灵敏度会有一定的差别。即使灵敏度微小的差别，在宽温度范围检测时，也会产生较大温度检测误差。因此，上述两种光纤光栅温度增敏方法在实现宽温度范围的线性检测方面存在一定的技术问题。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有光纤光栅温度传感器的缺点，提供一种设计合理、灵敏度高、适于检测的温度范围宽的单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器。

[0007] 解决上述技术问题所采用的技术方案是：在封装盖的轴向中心加工有通孔a、一端面上设置有基底，基底与封装盖连为一体，基底的上表面与通孔a圆心之间的距离小于等于通孔a的半径，在基底上表面加工有第一凹槽b、第二凹槽c，第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为20mm～30mm，光纤光栅的一端尾纤穿过封装盖的通孔a向外延伸一段距离，光纤光栅的光栅部分用耐高温固化胶固定在基底上第一凹槽b和第二凹槽c之间，光纤光栅两粘接点之间的长度l1为：

[0008] l1＝l3-l2-Δl+l0

[0009] 式中，l3为在耐高温固化胶固化温度下第二凹槽c与第一凹槽b的中心距，l2为在耐高温固化胶固化温度下光纤光栅上两粘贴点之间的长度，Δl为光纤光栅施加的预拉伸长量，l0为室温下光纤光栅两粘贴点之间的距离；将基底伸入到保护套筒内，封装盖固定在保护套筒上。

[0010] 本发明的封装盖为：封装盖一端加工成圆锥台、另一端加工成圆台，轴向中心位置加工有通孔a，圆台侧面加工有螺纹。

[0011] 本发明的光纤光栅的光栅栅区长度为10～15mm，光纤光栅的波长为1520～1580nm。

[0012] 本发明的保护套筒为一端封闭，另一端开口且内壁加工有螺纹的金属套筒。

[0013] 本发明基底的几何形状为长方形片状。

[0014] 本发明单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法，包括以下步骤：

[0015] (1)根据传感器工作温度范围和应用环境，选取温度固化值Tg的耐高温固化胶，确定传感器灵敏度转换温度值Tz和基底的材料；

[0016] (2)计算出给两粘贴点之间含光纤光栅的光纤施加的预拉伸长量Δl；

[0017] Δl＝l0[αs(Tg-T0)-α′s(Tz-T0)-α(Tg-Tz)]

[0018] 式中，l0为室温下光纤光栅上两粘贴点之间的距离，Tg为耐高温固化胶高温固化温度值，T0为室温，Tz为传感器灵敏度转换温度点值，αs为基底在T0～Tg温度区间的热膨胀系数，α′s为基底在T0～Tz温度区间的热膨胀系数，α为光纤光栅的热膨胀系数；

[0019] (3)室温下把基底放置在高温箱式炉内，将光纤光栅置于基底上，光纤光栅的光栅部分位于第一凹槽b与第二凹槽c之间，栅区长度小于第一凹槽b与第二凹槽c两槽之间的距离，把耐高温固化胶涂在基底的第一凹槽b和第二凹槽c上；

[0020] (4)将光纤光栅两端尾纤分别穿出高温箱式炉通过跳线接入光谱仪，光谱仪显示光纤光栅波形和中心波长数值，光纤光栅两端尾纤端部用预应力工作平台上的夹子夹持，对光纤光栅施加预应力，光纤光栅中心波长发生漂移，光谱仪显示出波长变化值ΔλB，在[0021]

[0022] 时，停止施加应力，式中Pe为光纤的有效弹光系数，λB为光纤光栅初始中心波长，Δl为光纤施加的预拉伸长量，l0为室温下两粘贴点之间的距离；

[0023] (5)接通高温箱式炉电源，根据耐高温固化胶的使用说明书设定加热温度和加热时间，对耐高温固化胶进行加热固化，光纤光栅和基底高温固化粘接后，停止加热并冷却到室温；

[0024] (6)从加热装置中取出固化有光纤光栅的基底，将基底伸入保护套筒内，封 装盖与保护套筒紧固连接，完成封装。

[0025] 本发明的单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法步骤(1)中的耐高温固化胶温度固化值Tg为150～800℃，传感器灵敏度转换温度点值Tz为100～700℃；所述的基底为金属基底，基底的膨胀系数＞光纤光栅的膨胀系数。

附图说明

[0026] 图1是本发明实施例1在温度小于200℃时结构示意图。

[0027] 图2是本发明实施例1在温度大于200℃时结构示意图。

[0028] 图3是试验1的温度响应曲线图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。

[0030] 实施例1

[0031] 在图1、2中，本实施例的单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器由封装盖1、基底2、光纤光栅3、耐高温固化胶4、保护套筒5连接构成。封装盖1一端加工成圆锥台、另一端加工成圆台，圆台侧面加工有螺纹，在封装盖1轴向中心位置加工有通孔a，封装盖1的一端面上设置有基底2，基底2与封装盖1连为一体，封装盖1与基底2的材料为铌基合金，基底2的几何形状为长方形片状，基底2的上表面与通孔a圆心之间的距离小于通孔a的半径，在基底2上表面加工有第一凹槽b、第二凹槽c，第一凹槽b和第二凹槽c用于粘接光纤光栅3，第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为24.000mm，光纤光栅3的一端尾纤部分穿过封装盖1的通孔a向外延伸一段距离，光纤光栅3的光栅部分用耐高温固化胶4固定在基底2上第一凹槽b和第二凹槽c之间，且栅区长度小于第一凹槽b与第二凹槽c两槽之间的距离，封装后室温20℃时，光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为24.036mm，光纤光栅3的栅区长度为15.000mm，光纤光栅3的中心波长为1543.7880nm，将基底2伸入到保护套筒5内，保护套筒5为一端封闭、另一端开口且内壁加工有螺纹的金属筒，封装盖1用螺纹紧固连接在保护套筒5上。

[0032] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法如下：

[0033] (1)根据传感器工作温度范围和应用环境，选取温度固化点Tg为300℃的耐高温固化胶4、铌基合金作为基底材料，确定传感器灵敏度转换温度Tz为200℃；

[0034] (2)计算给光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl；

[0035] Δl＝l0[αs(Tg-T0)-α′s(Tz-T0)-α(Tg-Tz)]

[0036] 式中：室温下光纤光栅两粘贴点之间的距离l0＝24mm，耐高温胶高温固化温度点Tg＝300℃，室温T0＝20℃，传感器灵敏度转换温度点Tz＝200℃，铌基合金在20～300℃的热膨胀系数αs＝9.52×10-6/℃，铌基合金在20～200℃的热膨胀系数αs'＝8.80×10-6/℃，铌基合金的热膨胀系数由铌基合金材料厂家提供，光纤光栅材料的热膨胀系数α＝0.5×10-6/℃，热膨胀系数来源于《光纤光学》，计算出Δl＝0.025mm；

[0037] (3)室温20℃下，把基底2放置在高温箱式炉内，将光纤光栅3置于基底2上，光纤光栅3的光栅部分处于第一凹槽b和第二凹槽c之间，栅区长度小于第一凹槽b与第二凹槽c两槽之间的距离，把耐高温固化胶4涂在基底2的第一凹槽b和第二凹槽c上，此时光纤光栅3上两粘贴点之间的距离与与第一凹槽b和第二凹槽c的中心距相等；

[0038] (4)将光纤光栅3两端尾纤分别穿出高温箱式炉通过跳线接入光谱仪，光谱仪显示光纤光栅波形和中心波长数值，光纤光栅两端尾纤端部用预应力工作平台上的夹子夹持，对光纤光栅3施加预应力，光纤光栅中心波长发生漂移，光谱仪显示出波长变化值ΔλB，在[0039]

[0040] 时，停止施加预应力，式中光纤光栅3的有效弹光系数Pe为0.22，光纤光栅3初始中心波长λB为1543.7880nm，光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.025mm，室温下光纤光栅3上两粘贴点之间的距离l0为24.000mm，得出ΔλB为1.2543nm；

[0041] (5)接通高温箱式炉电源，根据耐高温固化胶的使用说明书设定加热温度为300℃和加热时间30分钟，对耐高温固化胶4进行加热固化，光纤光栅3和基底2高温固化粘接后，停止加热并冷却到室温，此时光纤光栅3两粘接点之间的长度l1为

[0042] l1＝l3-l2-Δl+l0

[0043] 式中，300℃下第二凹槽c与第一凹槽b的中心距l3为24.064mm，300℃下光纤光栅3两粘贴点之间的长度l2为24.003mm，光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为 0.025mm，20℃下光纤光栅两粘贴点之间的距离l0为24.000mm；计算得l1＝24.036mm。

[0044] (6)从高温箱式炉中取出固化有光纤光栅3的基底2并将基底2伸入保护套筒5内，封装盖1与保护套筒5紧固连接，完成封装。

[0045] 本实施例的单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器在温度低于200℃时，光纤光栅3呈弯曲状态；高于200℃时，光纤光栅3在基底2上被绷紧拉直。检测过程中本实施例的单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器在温度低于200℃时，随着温度的升高,基底2发生热胀效应其长度伸长，光纤光栅3弯曲程度逐渐变小，但由于光纤光栅3处于松弛状态，其光栅部分未被基底2带动,从而温度传感器以光纤光栅3未被增敏的低灵敏度工作；当检测温度达到200℃时,光纤光栅3被拉紧绷直，随着温度的进一步升高,基底2的热胀形变通过应力作用到光纤光栅3上，引起光纤光栅3周期的改变，实现光纤光栅3被增敏，使温度传感器以高灵敏度工作。

[0046] 实施例2

[0047] 在本实施例中，光纤光栅3的光栅栅区长度为10mm，光纤光栅3的中心波长为1520.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0048] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(4)中ΔλB为1.2350nm，其他操作步骤与实施例1相同。

[0049] 实施例3

[0050] 在本实施例中，光纤光栅3的光栅栅区长度为12mm，光纤光栅的波长为1580.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0051] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(4)中ΔλB为1.2838nm，其他操作步骤与实施例1相同。

[0052] 实施例4

[0053] 在本实施例中，基底2上第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为30.000mm，封装后室温下光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为30.045mm，光纤光栅3的栅区长度为15.000mm、中心波长为1550.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0054] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(2)中光 纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.031mm，步骤(4)中光谱仪显示出波长变化值ΔλB为1.2493nm，其他操作步骤与实施例1相同。

[0055] 实施例5

[0056] 在本实施例中，基底2上第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为30.000mm，封装后室温下光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为30.045mm，光纤光栅3的栅区长度为10.000mm、中心波长为1520.000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0057] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(2)中光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.031mm，步骤(4)中光谱仪显示出波长变化值ΔλB为1.2251nm，其他操作步骤与实施例1相同。

[0058] 实施例6

[0059] 在本实施例中，基底2上第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为30.000mm，封装后室温下光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为30.045mm，光纤光栅3的栅区长度为12.000mm、中心波长为1580.000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0060] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(2)中光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.031mm，步骤(4)中光谱仪显示出波长变化值ΔλB为1.2735nm，其他操作步骤与实施例1相同。

[0061] 实施例7

[0062] 在本实施例中，基底2上第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为20.000mm，封装后室温下光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为20.030mm，光纤光栅3的栅区长度为15.000mm、中心波长为1550.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0063] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(2)中光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.021mm，步骤(4)中光谱仪显示出波长变化值ΔλB为1.2695nm，其他操作步骤与实施例1相同。

[0064] 实施例8

[0065] 在本实施例中，基底2上第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为20.000mm，封装后室温下光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为20.030mm，光纤光栅3的栅区长 度为10.000mm、中心波长为1520.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0066] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(2)中光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.021mm，步骤(4)中光谱仪显示出波长变化值ΔλB为1.2449nm，其他操作步骤与实施例1相同。

[0067] 实施例9

[0068] 在本实施例中，基底2上第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为20.000mm，封装后室温下光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为20.030mm，光纤光栅3的栅区长度为12.000mm、中心波长为1580.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0069] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(2)中光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.021mm，步骤(4)中光谱仪显示出波长变化值ΔλB为1.2940nm，其他操作步骤与实施例1相同。

[0070] 实施例10

[0071] 在本实施例中，基底2上第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为24.000mm，封装后室温下光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为24.013mm，光纤光栅3的栅区长度为15.000mm、中心波长为1550.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0072] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法如下：

[0073] (1)根据传感器工作温度范围和应用环境，选取温度固化点值Tg为150℃的耐高温固化胶4、铌基合金作为基底材料，确定传感器灵敏度转换温度值Tz为100℃；

[0074] (2)计算给光纤光栅施加的预拉伸长量Δl；

[0075] Δl＝l0[αs(Tg-T0)-α′s(Tz-T0)-α(Tg-Tz)]

[0076] 式中，室温下光纤光栅两粘贴点之间的距离l0为24mm，耐高温胶高温固化温度点Tg为150℃，室温T0为20℃，传感器灵敏度转换温度点Tz为100℃，铌基合金在20～200℃的热膨胀系数αs为8.80×10-6/℃，铌基合金在20～100℃的热膨胀系数αs'为7.97×10-6/℃，铌基合金的热膨胀系数由铌基合金材料厂家提供，光纤光栅材料的热膨胀系数α为0.5×10-6/℃，热膨胀系数来源于《光纤光学》，计算出 Δl＝0.012mm；

[0077] (3)室温20℃下，把基底2放置在高温箱式炉内，将光纤光栅3置于基底2上，光纤光栅3的光栅部分处于第一凹槽b和第二凹槽c之间，栅区长度小于第一凹槽b与第二凹槽c两槽之间的距离，把耐高温固化胶4涂在基底2的第一凹槽b和第二凹槽c上，此时光纤光栅3上两粘贴点之间的距离与与第一凹槽b和第二凹槽c的中心距相等；

[0078] (4)将光纤光栅3两端尾纤分别穿出高温箱式炉通过跳线接入光谱仪，光谱仪显示光纤光栅波形和中心波长数值，光纤光栅两端尾纤端部用预应力工作平台上的夹子夹持，对光纤光栅2施加预应力，光纤光栅中心波长发生漂移，光谱仪显示出波长变化值ΔλB，在[0079]

[0080] 时，停止施加预应力，式中光纤光栅3的有效弹光系数Pe为0.22，光纤光栅3初始中心波长λB为1550.0000nm，光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.012mm，室温下光纤光栅3上两粘贴点之间的距离l0为24.000mm，得出ΔλB为0.6045nm；

[0081] (5)接通高温箱式炉电源，根据耐高温固化胶4的使用说明书设定加热温度为150℃和加热时间20分钟，对耐高温固化胶4进行加热，光纤光栅3和基底2高温固化粘接后，停止加热并冷却到室温，此时光纤光栅3两粘接点之间的长度l1为

[0082] l1＝l3-l2-Δl+l0

[0083] 式中：150℃下第二凹槽c与第一凹槽b的中心距l3为24.027mm，150℃下光纤光栅3两粘接点之间的长度l2为24.002mm，光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.012mm，20℃下光纤光栅两粘贴点之间的距离l0为24.000mm；计算得l1＝24.013mm。

[0084] (6)从高温箱式炉中取出固化有光纤光栅3的基底2并将基底2伸入保护套筒5内，封装盖1与保护套筒5紧固连接，完成封装。

[0085] 实施例11

[0086] 在本实施例中，光纤光栅3的光栅栅区长度为10mm，光纤光栅3的中心波长为1520.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例10相同。

[0087] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(4)中光纤光栅3初始中心波长λB为1520.0000nm，光谱仪显示出波长变化值ΔλB为0.5928nm，其他操作步骤与实施例10相同。

[0088] 实施例12

[0089] 在本实施例中，光纤光栅3的光栅栅区长度为12mm，光纤光栅3的中心波长为1580.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例10相同。

[0090] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(4)中光纤光栅3初始中心波长λB为1580nm，光谱仪显示出波长变化值ΔλB为0.6162nm，其他操作步骤与实施例10相同。

[0091] 实施例13

[0092] 在本实施例中，基底2上第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为30.000mm，封装后室温下光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为30.018mm，光纤光栅3的栅区长度为15.000mm、中心波长为1550.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0093] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(2)中光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.014mm，步骤(4)中光谱仪显示出波长变化值ΔλB为0.5642nm，其他操作步骤与实施例10相同。

[0094] 实施例14

[0095] 在本实施例中，基底2上第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为30.000mm，封装后室温下光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为30.018mm，光纤光栅3的栅区长度为10.000mm、中心波长为1520.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0096] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(2)中光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.014mm，步骤(4)中光谱仪显示出波长变化值ΔλB为0.5533nm，其他操作步骤与实施例10相同。

[0097] 实施例15

[0098] 在本实施例中，基底2上第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为30.000mm，封装后室温下光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为30.018mm，光纤光栅3的栅区长度为12.000mm、中心波长为1580.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实 施例1相同。

[0099] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(2)中光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.014mm，步骤(4)中光谱仪显示出波长变化值ΔλB为0.5751nm，其他操作步骤与实施例10相同。

[0100] 实施例16

[0101] 在本实施例中，基底2上第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为20.000mm，封装后室温下光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为20.012mm，光纤光栅3的栅区长度为15.000mm、中心波长为1550.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0102] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(2)中光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.010mm，步骤(4)中光谱仪显示出波长变化值ΔλB为0.6045nm，其他操作步骤与实施例10相同。

[0103] 实施例17

[0104] 在本实施例中，基底2上第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为20.000mm，封装后室温下光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为20.012mm，光纤光栅3的栅区长度为10.000mm、中心波长为1520.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0105] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(2)中光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.010mm，步骤(4)中光谱仪显示出波长变化值ΔλB为0.5928nm，其他操作步骤与实施例10相同。

[0106] 实施例18

[0107] 在本实施例中，基底2上第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为20.000mm，封装后室温下光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为20.012mm，光纤光栅3的栅区长度为12.000mm、中心波长为1580.0000nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0108] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法的步骤(2)中光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.010mm，步骤(4)中光谱仪显示出波长变化值ΔλB为0.6162nm，其他操作步骤与实施例10相同。

[0109] 实施例19

[0110] 在本实施例中，封装盖1、基底2的材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢，基底2的几何形状为长方形片状，在基底2上表面加工有第一凹槽b、第二凹槽c，第一凹槽b与第二凹槽c的中心距为30mm，光纤光栅3的光栅部分用耐高温固化胶4固定在基底2上第一凹槽b和第二凹槽c之间，且栅区长度小于第一凹槽b与第二凹槽c两槽之间的距离，封装后室温20℃时，光纤光栅3两粘贴点之间光纤长度为30.249mm，光纤光栅3的光栅栅区长度为13mm，光纤光栅3的中心波长为1550nm，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

[0111] 上述单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器的封装方法如下：

[0112] (1)根据传感器工作温度范围和应用环境，选取温度固化点Tg为700℃的耐高温固化胶、1Cr18Ni9Ti不锈钢作为基底材料，确定传感器灵敏度转换温度Tz为500℃；

[0113] (2)计算给光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl；

[0114] Δl＝l0[αs(Tg-T0)-α′s(Tz-T0)-α(Tg-Tz)]

[0115] 式中，室温下光纤光栅两粘贴点之间的距离l0＝30mm，耐高温胶高温固化温度点Tg为700℃，室温T0为20℃，传感器灵敏度转换温度点Tz为500℃，1Cr18Ni9Ti不锈钢在20～700℃的热膨胀系数αs为18.617.8×10-6/℃，1Cr18Ni9Ti不锈钢在20～500℃的热膨胀系数αs'为17.8×10-6/℃，热膨胀系数来源于《金属材料手册》光纤光栅材料的热膨胀系数α＝0.5×-610 /℃，热膨胀系数来源于《光纤光学》，计算出Δl＝0.120mm；

[0116] (3)室温20℃下，把基底2放置在高温箱式炉内，将光纤光栅3置于基底2上，光纤光栅3的光栅部分处于第一凹槽b和第二凹槽c之间，栅区长度小于第一凹槽b与第二凹槽c两槽之间的距离，把耐高温固化胶4涂在基底2的第一凹槽b和第二凹槽c上，此时光纤光栅3上两粘贴点之间的距离与与第一凹槽b和第二凹槽c的中心距相等；

[0117] (4)将光纤光栅3两端尾纤分别穿出高温箱式炉通过跳线接入光谱仪，光谱仪显示光纤光栅波形和中心波长数值，光纤光栅两端尾纤端部用预应力工作平台上的夹子夹持，对光纤光栅3施加预应力，光纤光栅中心波长发生漂移，光谱仪显示出波长变化值ΔλB，在[0118]

[0119] 时，停止施加预应力，式中光纤光栅3的有效弹光系数Pe为0.22，光纤光栅3初始中心波长λB为1550.0000nm，光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.120mm，室温下光纤光栅3上两粘贴点之间的距离l0为30.000mm，得出ΔλB为4.8360nm；

[0120] (5)接通高温箱式炉电源，根据耐高温固化胶的使用说明书设定加热温度为700℃和加热时间60分钟，对耐高温固化胶4进行加热固化，光纤光栅3和基底2高温固化粘接后，停止加热并冷却到室温，此时两粘接点之间的光纤光栅3的长度l1为

[0121] l1＝l3-l2-Δl+l0

[0122] 式中：700℃下第二凹槽c与第一凹槽b的中心距l3为30.379mm，700℃下光纤光栅3两粘贴点之间的长度l2为30.010mm，光纤光栅3施加的预拉伸长量Δl为0.120mm，20℃下光纤光栅两粘贴点之间的距离l0为30.000mm；计算得l1＝30.249mm。

[0123] (6)从高温箱式炉中取出固化有光纤光栅3的基底2并将基底2伸入保护套筒5内，封装盖1与保护套筒5紧固连接，完成封装。

[0124] 试验1

[0125] 为了验证本发明的有益效果，发明人进行了温度性能测试试验，试验情况如下：

[0126] 一、测试仪器

[0127] 光纤光栅解调仪，型号为SM125，由美国Micron Optics公司生产；电热鼓风恒温干燥箱，型号为DHG-9248A型，由上海精宏实验设备有限公司生产。

[0128] 二、温度性能测试试验

[0129] 1、试件设计参数

[0130] 试件基底材料为铌基合金，本试验所采用的试件与实施例1中的规格相同，耐高温胶4的温度固化点值为300℃、传感器灵敏度转换温度值为200℃。

[0131] 2、试验装置及操作步骤

[0132] 将试件放入电热鼓风恒温干燥箱，采用稳态测温法，由室温逐步升至300℃，然后由300℃逐步降至室温，用光纤光栅信号解调仪检测光纤光栅3随温度变化 的波长。图3是本试件在高低温区间的温度响应曲线图。

[0133] 3、实验结果及分析

[0134] 由图3可见，在升降温过程中，光纤光栅3的反射中心波长随温度变化线性可逆，光纤光栅3在20～200℃温度区间升温曲线的线性拟合方程为：λ＝0.0116T+1543.5524，线性拟合度：R2＝0.9995，在200～300℃温度区间升温曲线的线性拟合方程为：λ＝0.0232T+1541.3466，线性拟合度：R2＝0.9993；光纤光栅3在20～200℃温度区间降温曲线的线性拟合方程为：λ＝0.0117T+1543.5441，线性拟合度：R2＝0.9990；在200～300℃温度区间降温曲线的线性拟合方程为：λ＝0.0231T+1541.3428，线性拟合度：R2＝0.9992。

[0135] 测试结果表明：封装的单金属双灵敏度宽温度检测范围光纤光栅温度传感器在20～200℃的低温区域温度响应灵敏度为0.011nm/℃，在200～300℃的高温区域温度响应灵敏度为0.023nm/℃，在高低温区域，传感器温度响应线性度均在0.999以上，升温降温曲线线性可逆。

[0136] 4、试验结论

[0137] 本发明采用单基底材料封装的光纤光栅温度传感器在高低温区域分别以不同的灵敏度工作，升温降温过程线性可逆，从而有效解决温度传感器灵敏度和测量量程相互制约以及减少基底材料的热膨胀系数在宽温度区间内不是常量引起的累积误差问题。