光纖光柵與傳感基體鍍鋅連接技術(shù)改進(jìn)及其溫度特性研究

姚利紅，丁 建

(青島理工大學(xué)臨沂校區(qū)機電工程系，山東臨沂 273400)

?

光纖光柵與傳感基體鍍鋅連接技術(shù)改進(jìn)及其溫度特性研究

姚利紅，丁 建

(青島理工大學(xué)臨沂校區(qū)機電工程系，山東臨沂 273400)

總結(jié)現(xiàn)有光纖鍍層技術(shù)，文中提出了影響鍍層均勻性的關(guān)鍵因素為光纖化學(xué)鍍時膠體鈀的配置和解膠時間的長短。改進(jìn)光纖化學(xué)鍍的同時針對現(xiàn)有鍍金屬光纖與基體焊接技術(shù)的局限性，著重研究了光纖與基體直接電鍍連接的光纖電鍍技術(shù)。對光纖與基體直接連接電鍍技術(shù)進(jìn)行了對比研究，選取氣道作為電鍍效果的評價指標(biāo)。分析電鍍后光纖與基體之間形成的氣道發(fā)現(xiàn)，電鍍條件電鍍電壓3 V、鍍層時間10 min時取得的電鍍效果最好。為達(dá)到電鍍光纖的實際傳感應(yīng)用，針對電鍍所得的基體鍍鋅光柵搭建溫度標(biāo)定實驗平臺。分析實驗數(shù)據(jù)得：基體鍍鋅光柵可以實現(xiàn)高線性度、高靈敏度的溫度測量，其溫度敏感系數(shù)為36.3 pm/℃,是裸光柵的3.7倍。該研究的基本出發(fā)點為電鍍光纖的實際應(yīng)用，溫度敏感性實驗數(shù)據(jù)證實了本研究對于實現(xiàn)電鍍光纖的工業(yè)化發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。

光纖光柵；化學(xué)鍍及電鍍；鍍鋅光柵；溫度敏感性

0 引言

光纖光柵傳感器是近20年來傳感器領(lǐng)域的研究熱點，因其具有質(zhì)量輕、體積小、耐腐蝕和抗電磁干擾等優(yōu)點，便于靜態(tài)和動態(tài)測量,廣泛應(yīng)用于工程監(jiān)測方面[1-5]。傳統(tǒng)的光纖傳感器多數(shù)采用環(huán)氧樹脂等高分子膠黏劑將光纖與待測物體直接黏接。這種粘接方式在氣密性、黏結(jié)強度、耐久性和耐熱性等方面效果均不太理想。此種類型的光纖傳感器在使用一段時間后，黏接點由于收縮差異等因素易產(chǎn)生松動甚至脫落，從而是測量結(jié)果產(chǎn)生巨大的誤差。光纖表面金屬化為彌補光纖因本身材料在受切向應(yīng)力易損壞等問題提供了有效的解決途徑[6-9]。因此，研究可行高效的光纖表面金屬化封裝工藝可以在很大程度上提高光纖傳感器的使用壽命。

在化學(xué)鍍[10-13]及電鍍[14]等光纖鍍層技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出了膠體鈀配置和解膠時間長短是影響電鍍鋅鍍層均勻性的關(guān)鍵因素。綜合整理對比光纖電鍍工藝發(fā)現(xiàn)設(shè)置電鍍電壓3 V、反應(yīng)時間10 min以上時，取得光纖電鍍鋅的鍍層均勻性最好。通過此電鍍鋅工藝制作電鍍鋅光纖光柵，并通過溫度標(biāo)定實驗對比研究其與裸光柵的溫度特性。實驗數(shù)據(jù)表明，電鍍鋅光纖光柵的溫度靈敏度為36.3 pm/℃,是裸光柵的3.7倍。因此，本文對于電鍍鋅工藝的改進(jìn)設(shè)計方案不僅僅可以大大提高電鍍鋅鍍層的均勻性，而且通過實驗驗證了該工藝的實用性，對于光纖光柵電鍍工藝的工業(yè)化具有一定的指導(dǎo)意義。

1 光纖電鍍流程簡介

電鍍是將電鍍液內(nèi)因外加電流作用而析出的金屬粒子沉積到物體表面，從而獲得金屬鍍層的方法。在進(jìn)行光纖電鍍鋅之前，光纖表面需要進(jìn)行敏化即采用化學(xué)鍍在光纖表面制備一定的鎳層，其基本操作流程如圖1所示。

圖1 化學(xué)鍍鎳基本流程示意圖

光纖表面鍍鎳完成后，對其進(jìn)行電鍍鋅操作。電鍍鍍層性能主要受電鍍液配置、電鍍時的電流密度、電鍍時間的長度等因素的影響。

合理的搭配電鍍液、控制電鍍電流及電鍍時間可以大大提高光纖的電鍍性能。

2 光纖光柵鍍鋅溫度增敏原理

光纖光柵(Fiber Bragg Grating)是具有一定波長選擇性的光學(xué)器件。當(dāng)光源出射光中滿足光纖光柵中心波長時，此波長光強被反射，且其反射波長可以表示為

λB=2neffΛ

(1)

式中:λB為光纖光柵中心波長;Λ為FBG柵格周期;neff為FBG有效折射率。

根據(jù)光纖光柵傳感原理[1,15]，由外界溫度ΔT與應(yīng)變ε引起的光纖光柵中心波長偏移ΔλB為

ΔλB=Kεε+(ξ+α)ΔT

(2)

式中:Kε為光柵應(yīng)變的靈敏度，其值為1.2 pm/10-6(1 pm=10-12m)；ξ為光纖光柵熱光系數(shù)；α為光纖的熱膨脹系數(shù)，且ξ與α理論值和為10pm/℃。

金屬鋅線熱脹系數(shù)定義為

ΔL/L=αT·ΔT

(3)

式中:αT為金屬鋅線熱脹系數(shù)，其理論值為3.6×10-5℃；L為鋅線金屬長度；ΔL為金屬在溫度變化ΔT時金屬線的伸縮量。

因此當(dāng)外界溫度變化ΔT時，光纖光柵的中心波長漂移ΔλB為

ΔλB=Kε·αT·ΔT+(ζ+α)ΔT

(4)

綜上可得，鍍鋅光柵溫度敏感系數(shù)KT為

KT=Kε·αT+(ζ+α)

(5)

代入相應(yīng)參數(shù)后，可得鍍鋅光柵的溫度敏感系數(shù)理論值為53.2 pm/℃。相對于裸光柵10 pm/℃，光纖光柵鍍鋅可以有效的提高其溫度敏感系數(shù)。

3 光纖光柵電鍍實驗研究

鍍鋅光纖光柵在制作傳感器的過程中需要與傳感器基體焊接相連。通用的焊接設(shè)備容易導(dǎo)致光纖光柵在焊接過程中由于受熱不均、受力不均導(dǎo)致光柵斷裂，導(dǎo)致傳感器信號丟失，造成傳感器敏感單元光纖光柵失效。因此，本光纖光柵電鍍實驗以鍍膜光纖光柵的實際應(yīng)用為基本出發(fā)點，研究合適的電鍍工藝達(dá)到光纖光柵與基體的電鍍及焊接。電鍍鍍鋅法優(yōu)點在于鍍層厚度可控且反應(yīng)時間短，鍍層易發(fā)生氧化反應(yīng)，生成一層致密、穩(wěn)定、不易與外界反應(yīng)的氧化鋅鍍膜，實現(xiàn)保護鍍層的作用。文中電鍍液的具體配置為硫酸鋅80 g，硼酸6 g，光亮劑適量，配置成200 mL溶液，其pH值在3.5左右，為酸性溶液。

光纖光柵電鍍時，電流密度直接影響鍍層的均勻性等效果。當(dāng)電流密度太小時，溶解速度高于上鍍速度，導(dǎo)致鍍層疏松剝離；當(dāng)電流密度太大時，由于氣體殘留在基體之上，無法及時脫離而導(dǎo)致的氣道現(xiàn)象會變得嚴(yán)重。

圖2給出了光纖光柵電鍍實驗平臺。實驗平臺主要由電鍍液、恒壓源、光纖光柵及光纖光柵電鍍基體組成。光纖光柵電鍍基體均為長55 mm，寬15 mm，厚0.02 mm的薄不銹鋼薄板。實驗中光纖光柵平行于基體的長軸方向放置。實驗過程中通過改變恒壓源的輸出電壓(3 V，5 V或9 V)及其輸出時間(5 min，10 min，15 min或30 min)實現(xiàn)電鍍電流密度、電鍍時間的控制。

圖2 光纖光柵電鍍工藝實驗研究平臺

電鍍實驗后的光纖與基體結(jié)合效果如圖3所示。圖3中基體上顯示的橫向條紋為電鍍過程中產(chǎn)生的氣道。氣道的數(shù)量直接影響到光纖光柵與基體之間的電鍍粘接強度。氣道多，電鍍粘接強度弱，氣道少顯示電鍍效果好。當(dāng)恒壓源輸出電壓為5 V或9 V時，電鍍產(chǎn)生的氣道較多；而當(dāng)恒壓源輸出電壓為3 V時，電鍍產(chǎn)生的氣道較少。因此，為使光纖光柵電鍍過程中取得較好的電鍍效果，電鍍電壓應(yīng)設(shè)置為3 V。當(dāng)電鍍電壓設(shè)置為3 V時，電鍍時間10 min取得的電鍍效果優(yōu)于電鍍時間5 min，15 min及30 min，如圖3(b)所示。綜上所述，電鍍電壓設(shè)置為3 V，電鍍時間控制為10 min，可以取得光纖光柵與傳感基體之間較好的電鍍效果。

4 鍍膜FBG溫度性能檢測

為測試電鍍鍍鋅對光纖光柵溫度傳感特性的影響，分別對鍍鋅后的光纖光柵與裸光柵進(jìn)行溫度性能測試實驗。

(a)電鍍電壓5 V或9 V

(b)電鍍電壓為3 V圖3 不同實驗條件下電鍍效果對比圖

4.1 溫度性能實驗

鍍鋅光纖光柵溫度特性實驗平臺框架如圖4所示。實驗平臺主要包括SM125(解調(diào)波長范圍1 510～1 590 nm，解調(diào)精度1 pm，采樣頻率1 Hz)、可控恒溫水浴箱(溫度范圍0～100 ℃，精度1 ℃)、鍍鋅光柵及裸光柵。鍍鋅光柵在電鍍條件為鍍鋅電壓3 V，鍍鋅時間10 min條件下電鍍所得，其中心波長為1 528.021 4 nm。裸光柵中心波長為1 532.933 5 nm。

圖4 鍍鋅光柵與裸光柵溫度特性對比實驗平臺框架圖

實驗中將裸光柵固定于電鍍基體，其軸線方向與電鍍光柵的軸線保持平行，最大可能的保證裸光柵與電鍍光柵處于同樣的溫度場。從而，降低因被測物所處環(huán)境不同而導(dǎo)致測量結(jié)果差異。整個實驗過程中，通過控制恒溫水浴箱改變光纖光柵所處溫度從10 ℃變化到80 ℃，然后從80 ℃降溫到10 ℃，溫度間隔為10 ℃。在每個實驗階段，待恒溫水浴箱溫度穩(wěn)定后，對光纖光柵中心波長連續(xù)采樣1 min后，取其平均值作為此實驗階段的光纖光柵中心波長。

4.2 數(shù)據(jù)分析

整個溫度實驗過程中，光柵的中心波長隨溫度變化的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 光纖光柵中心波長隨溫度變化數(shù)據(jù)

應(yīng)用最小二乘法線性擬合光柵中心波長與溫度的關(guān)系，如圖5所示。圖5中橫坐標(biāo)為實驗步驟的先后順序編號,即升溫過程編號為1～8，相應(yīng)的降溫過程編號為9～16。整個溫度特性實驗中，鍍鋅光柵中心波長λBZn與溫度T的線性擬合公式為：λBZn=0.036 3·T+1 527.1,R2=0.999 8(升溫過程)；λBZn=0.036 3·T+1 527.1,R2=0.999 9(降溫過程)。R2代表擬合曲線的線性度，其值越接近于1說明擬合公式的線性度越好。

應(yīng)用同樣的數(shù)據(jù)處理方式可得裸光柵中心波長λBB與溫度T的線性擬合公式為：λBB=0.009 8·T+1 532.7,R2=0.999 6(升溫過程)；λBB=0.009 8·T+1 532.7,R2=0.999 9(降溫過程)。由擬合公式可得鍍鋅光柵的溫度敏感系數(shù)為36.3 pm/℃，與理論值的53.2 pm/℃存在著一定的差異。造成這種差異的主要原因在于不銹鋼基體(理論值范圍為12～18 pm/℃)及光纖光柵(理論值范圍為10 pm/℃)的熱膨脹系數(shù)小于金屬鋅的熱膨脹系數(shù)，從而對鍍鋅光柵的熱膨脹系數(shù)造成了一定的降敏作用。鍍鋅光柵擬合公式表明鍍鋅光柵在溫度測量方面具有較高的線性度及重復(fù)性，表明鍍鋅光柵與基體材料之間的粘接度良好。鍍鋅光柵的溫補敏感系數(shù)是裸光柵9.8 pm/℃的3.7倍左右。因此，鍍鋅光柵可以實現(xiàn)高精度、高線性度的溫度測量。

圖5 光纖光柵中心波長隨溫度變化的趨勢圖

綜上可得，在電鍍條件為電鍍電壓3 V、時間10 min下得到的鍍鋅光纖光柵其溫度靈敏度高、重復(fù)性好。該電鍍條件可以實現(xiàn)光柵與基體之間良好粘接性，對于光纖光柵與基體整體電鍍的工業(yè)化發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

在充分總結(jié)化學(xué)鍍及電鍍技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出了影響光纖電鍍鍍層均勻性的關(guān)鍵因素在于化學(xué)鍍過程中膠體鈀的配置和解膠時間的長短，為光纖實現(xiàn)均勻電鍍打下了基礎(chǔ)。理論上分析了鍍鋅對光柵溫度傳感的增敏機制。針對現(xiàn)有焊接技術(shù)的限制并以鍍鋅光柵實際傳感應(yīng)用為出發(fā)點，在改善光纖化學(xué)鍍的基礎(chǔ)上研究了光纖與基體直接電鍍結(jié)合的技術(shù)。對比分析不同的電鍍條件，以光纖與基體電鍍后基體表面氣道作為電鍍效果的評價指標(biāo)。對比研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)電鍍電壓為3 V、鍍層時間控制在10 min時取得光纖與傳感基體之間的氣道最少即電鍍效果最好。為進(jìn)一步研究電鍍光柵的測溫特性，搭建溫度標(biāo)定實驗平臺標(biāo)定了10～80 ℃區(qū)間內(nèi)鍍鋅光柵與裸光柵的溫度特性。分析實驗數(shù)據(jù)得鍍鋅光柵可以實現(xiàn)高線性度、高精度的溫度測量。其溫度敏感系數(shù)為36.3 pm/℃，是裸光柵的3.7倍左右。實驗數(shù)據(jù)證實本文以電鍍光柵實際應(yīng)用為出發(fā)點，文中所取得的實驗結(jié)果對于光纖電鍍的工業(yè)化發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] ZHAN Y,WU H.A multi-parameter optical fiber sensor with interrogation and discrimination capabilities.Optics and Lasers in Engineering,2009,47：1317-1321.

[2] 王靜，王正方，隋青美，等.FBG應(yīng)變傳感系統(tǒng)在巷道涌水模型試驗中的研究.光電子·激光，2010，12(21):1769-1772.

[3] RAJU B,PRUSTY G.Failure monitoring in composite structures using embedded FBG strain sensors.Fiber Optics and Photonics (PHOTONICS),2012：1-3.

[4] DU J B,HE Z Y.FBG sensor for strain measurement with enhanced sensitivity by using degenerated FWM in highly nonlinear fibre.Electronics Letters,2013,22(49):1399-1401.

[5] RODRIGUES C,CAVADAS F,FELIX C,et al.FBG based strain monitoring in the rehabilitation of a centenary metallic bridge.Engineering Structures,2012,44:281-290.

[6] LEEB H,ROHS，P H.Current status of micro and nano-structured Optical fiber sensors.Optical Fiber Technology,2009,15l:209-221.

[7] CHU C,LO Y.Highly sensitive and linear optical fiber carbon dioxide sensor based on sol-gel matrix doped with silica particles and HPTS.Sensors and Actuators B,2009,143:205-210.

[8] CORRESJ M,ARREGUIF J,MATIAS I R.Sensitivity optimization of tapered optical fiber humidity sensors by means of tuning the thickness of nano-structured sensitive coatings.Sensors and Actuators B,2007,122：442-449.

[9] HU Y J,XIONG L.Electron microscopic study on interracial characterization of electroless Ni W-P plating on a luminium alloy.Applied Surface Science,2007,253:5029-5031.

[10] 李小甫，姜德生，余海湖,等.石英光纖表面化學(xué)鍍鎳磷合金工藝.化工學(xué)報，2005，56(1):126-129.

[11] 顧錚天，鄧傳魯.鍍膜光纖光柵應(yīng)用與發(fā)展.中國激光，2009，36(6):1317-1326.

[12] 范典.光纖光柵金屬化封裝及傳感特性試驗研究.傳感技術(shù)學(xué)報，2006，19(4):1234-1237.

[13] 李玉龍，馮艷，張華，等.光纖光柵傳感器金屬化保護及釬焊嵌入42CrMo鋼.焊接學(xué)報，2008，29(3):69-72.

[14] 滕睿.石英光纖光柵表面金屬化工藝研究:[學(xué)位論文].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[15] 廖延彪.光纖光學(xué)原理與應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

Galvanized Connection Technology Improvement between FiberBragg Grating and Sensor Substrate and Research on Temperature Characteristic

YAO Li-hong,DING Jian

(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Linyi Campus of Qingdao Technology University,Linyi 273400,China)

Based on the existing optical fiber coating technology,configuration of colloid palladium and time length of dispergation which are key influence parameters of coating uniformity were proposed in this paper.Due to the welding technology limitation of fiber and sensor substrate,electroplating connection technology between fiber and sensor substrate was studied on the basis of chemical plating improvement.Comparative study was carried out about direct electroplating connection technology of fiber and substrate and airway was selected as plating evaluation index.Best plating conditions were voltage was 3 V and time was 10 min after comparative study of electroplating air way.To obtain practical value of substrate galvanized grating,temperature calibration experiment was built up to study this grating temperature characteristic.Substrate galvanized grating can achieve high linearity,high sensitivity temperature measurement after experiment data analysis.Temperature sensitivity of this galvanized grating was 36.3 pm/℃,3.7 times of bare grating.Radical departure of this research work is practical application of plating fiber and data in temperature sensitivity experiment verified that this work has certain guiding significance to realize industrialization development of electroplating fiber.

optical fiber grating;chemical plating and electroplating;galvanized grating;temperature sensitivity

2014-12-29 收修改稿日期：2015-03-14

TQ153

A

1002-1841(2015)08-0019-04

姚利紅(1988—)，助教，碩士，主要研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置 。E-mail：yaolihong0101@126.com 丁建(1988—)，助教，碩士，主要研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置 。E-mail：sdudingjian@163.com