应变不敏感金属化封装温度传感器的制作方法

本发明涉及光纤测量领域，具体的涉及一种应变不敏感金属化封装温度传感器。

背景技术：

光纤布拉格光栅是一种非常有实用价值的光学传感器，具有体积小、抗电磁干扰等优点。目前，光纤布拉格光栅在实际传感测量中，存在应变和温度交叉敏感问题。解决交叉敏感问题的技术方法主要有：双光栅法、光纤布拉格光栅-FP腔法、锥形光栅法、微结构光栅法、不同温度系数材料封装法和负温度膨胀系数封装法等。

双光栅法采用参考光栅、双波长光栅或者长周期光栅与布拉格光栅的组合，通过求解温度与应变的方程组实现应变的传感测量，该方法需要使用多光栅，需要对温度或应变进行隔离，传感器结构较为复杂；光纤布拉格光栅-FP腔法通过测量反射光中峰值波长漂移以及光强变化实现温度和应变同时测量；锥形光纤光栅法通过功率测量实现温度和应变的同时测量，但精度和稳定性受到限制；不同温度材料系数封装法及负温度膨胀系数封装法均通过材料不同的热膨胀系数，消除温度的交叉干扰，但不同材料的匹配设计工艺较为复杂。因此，制作结构简单、消除温度交叉干扰的光纤应变传感器是目前光纤光栅应变传感领域的一个关键问题。

技术实现要素：

本发明提供一种应变不敏感金属化封装温度传感器，封装后的传感器对应变不敏感，解决了应变温度交叉敏感性问题。

本发明的技术方案：一种应变不敏感金属化封装温度传感器，包括光纤光栅和传感器基底，其中所述传感器基底呈倒“T”型，传感器基底上半部分呈矩形，用于与待测物体表面粘贴；

传感器基底下半部分呈矩形，其中所述传感器基底下半部分的几何中心处设置凹槽，用于放置光纤光栅；

所述传感器基底下半部分的两端设置凹槽，所述凹槽形状类似球拍形状，用于放置粘贴光纤的锡基金属合金。

优选的，所述传感器基底下半部分的几何中心处设置的凹槽的深度小于矩形的两端设置凹槽的深度。

优选的，所述传感器基底材料采用铝合金7075。

优选的，所述传感器基底上半部分厚度为在1mm～2mm范围内，长度在10mm～15mm范围内，宽度在3mm～5mm范围内。

优选的，所述传感器基底下半部分的几何中心的凹槽长度在5mm～10mm范围内、宽度在0.2mm～0.5mm范围内，深度在0.3mm～0.5mm范围内，传感器基底下半部分两端设置的凹槽的长度在9mm～11mm范围内，宽度在3mm～5mm范围内，深度在0.5mm～0.8mm范围内。

一种制作所述应变不敏感金属化封装温度传感器的方法，所述方法包括以下步骤：

1)制作所述传感器基底；

2)将所述传感器基底放置在温度为300℃的加热台，并将光纤施加预紧力；

3)将所述传感器基底下半部分的两端凹槽内放置锡基金属合金并进行超声化，增强锡基金属合金的流动性，并使之均匀分布；

4)关闭加热台，自然冷却至室温。

本发明的有益效果：本发明一种应变不敏感金属化封装温度传感器，采用特殊设计的传感器基底，采用金属化封装形式，用于温度测量。其中，封装后的传感器对应变不敏感，解决了应变温度交叉敏感性问题；可长期使用，防蠕变抗老化；响应时间快；温度灵敏度高。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出本发明应变不敏感金属化封装温度传感器的结构示意图；

图2示意性示出本发明温度传感器封装前后的光谱对比图；

图3a～图3b示意性示出本发明温度传感器在室温下布拉格波长随所施加应变的变化对比图；

图4示意性示出本发明温度传感器在不同温度下布拉格波长变化对比图；

图5示意性示出本发明温度传感器的温度响应特性图；

图6示意性示出本发明温度传感器当温度由20℃-100℃突变时的瞬时响应曲线图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图1所示为本发明应变不敏感金属化封装温度传感器的结构示意图，如图1所示，包括光纤光栅(未标出)和传感器基底100，其中所述传感器基底100呈倒“T”型，所述传感器基底上半部分101呈矩形，用于与待测物体表面粘贴；

传感器基底下半部分102呈矩形，其中所述矩形的几何中心处设置凹槽103，用于放置光纤的栅区；

所述矩形的两端设置凹槽104，所述凹槽104形状类似球拍形状，用于放置粘贴光纤的锡基金属合金。

其中，传感器基底下半部分102的矩形几何中心处设置的凹槽103的深度小于矩形的两端设置凹槽104的深度。

其中，传感器基底100材料采用铝合金7075，其中传感器基底上半部分101厚度为在1mm～2mm范围内，长度在10mm～15mm范围内，宽度在3mm～5mm范围内。

传感器基底下半部分102几何中心的凹槽103长度在5mm～10mm范围内、宽度在0.2mm～0.5mm范围内，深度在0.3mm～0.5mm范围内，所述传感器基底下半部分102两端设置凹槽，所述凹槽104的长度在9mm～11mm范围内，宽度在3mm～5mm范围内，深度在0.5mm～0.8mm范围内。

本实施例中，如图1所示，传感器基底上半部分101厚度为在1.5mm，长度为11mm，宽度为5mm；

传感器基底下半部分102几何中心的凹槽长度在7mm、宽度为0.25mm，深度为0.36mm，所述矩形的两端设置凹槽，所述凹槽的长度为9mm，宽度为4mm，深度为0.56mm。

其中，制作本发明一种应变不敏感金属化封装温度传感器的具体方法包括以下步骤：

1)制作所述传感器基底；

2)将所述传感器基底放置在温度为300℃的加热台，并将光纤施加预紧力；

3)将所述传感器基底下半部分的两端凹槽内放置锡基金属合金并进行超声化，增强锡基金属合金的流动性，并使之均匀分布；

4)关闭加热台，自然冷却至室温。

图2所示为本发明温度传感器封装前后的光谱对比图，如图2所示，曲线1为封装前的波长变化图，曲线2为封装后的波长变化曲线图，封装后的布拉格波长相对裸光栅的布拉格波长向后移了约2.7nm。

图3a～图3b所示为本发明温度传感器在室温下布拉格波长随所施加应变的变化对比图，在室温下用等强度梁进行应变标定实验，得到如图3所示的结果，可知，在应变以138.4με为增量，增加到830.4με时，图3a受到压应变过程中，布拉格波长最大改变量为28pm，而图3b中受到拉应变过程中，布拉格波长的最大改变量为12pm。考虑到光谱仪0.02nm的分辨率及室温的波动，所以所述传感器设计对应变不敏感。

图4所示为本发明温度传感器在不同温度下布拉格波长变化对比图，本发明传感器的温度标定光谱特性如图4所示。

图5所示为本发明温度传感器的温度响应特性图，图5轴向应变为零时传感器的温度响应特性，传感器的温度灵敏度系数为39pm/℃，相关系数为0.999，线性度良好。

图6所示为本发明温度传感器当温度由20℃-100℃突变时的瞬时响应曲线图，将传感器由20℃环境突然置于100℃环境中，得到传感器的温度响应曲线如图6所示，可见布拉格波长稳定后的时间仅仅需要30秒。金属化封装的温度传感器的响应速率很快。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。