基于光纖布拉格光柵的電鍍鎳應(yīng)力實(shí)時(shí)在線監(jiān)測

劉 程

（江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院 江西省光電子與通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330022）

電鍍過程中產(chǎn)生的電鍍應(yīng)力對鍍層質(zhì)量帶來不利的影響［1］。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測電鍍應(yīng)力對電鍍行業(yè)具有很大的實(shí)際意義。目前測量電鍍應(yīng)力的方法主要有3種：薄片陰極彎曲法、螺旋收縮儀法、X射線衍射法［2］。但薄片陰極彎曲法會污染電鍍液，影響陰極電流分布；螺旋收縮儀法測試過程較復(fù)雜；而X射線衍射法測量精度高，不適合鍍層很薄時(shí)的電鍍應(yīng)力測量。

光纖布拉格光柵具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、抗電磁干擾等特點(diǎn)［3］，作為傳感器件被廣泛地應(yīng)用于道路橋梁、礦井等領(lǐng)域［4-5］。本文基于FBG優(yōu)良的傳感特性，將其作為應(yīng)力傳感器，利用單一變量法，測試不同溫度和不同主鹽濃度條件下的電鍍應(yīng)力。

1 FBG傳感原理

FBG是一種無源波長調(diào)制型傳感器，與寬帶光源相連后，特定波長的光將產(chǎn)生諧振，從而形成諧振峰。FBG反射中心波長λB與光柵周期∧和纖芯有效折射率neff的關(guān)系為：λB=2∧·neff

當(dāng)FBG受到應(yīng)力擾動時(shí)，其中心反射波長將隨應(yīng)力的變化Δσ做線性變化，即：

2 測試方法

測試前需要先對FBG表面進(jìn)行金屬化，使其具有導(dǎo)電性［6］。然后將金屬化的FBG作為陰極進(jìn)行電鍍，電鍍過程中產(chǎn)生的應(yīng)力將會使FBG中心波長λB發(fā)生漂移，利用光譜分析儀以一定的頻率記錄λB的飄移量，通過這些漂移量即可反映出電鍍時(shí)的應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)中采用瓦特鍍液，測試方法為單一變量法，在不同溫度和主鹽濃度的條件下分別進(jìn)行了對照實(shí)驗(yàn)。

3 測試結(jié)果

3.1 溫度對應(yīng)力的影響測試

通過恒溫水箱改變電鍍液的溫度并使其穩(wěn)定不變，溫度分別為32℃、40℃、48℃，其他條件不變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 電鍍溫度不同時(shí)FBG中心波長的響應(yīng)曲線

3.2 不同主鹽濃度對應(yīng)力的影響測試

其他實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)不變，主鹽質(zhì)量濃度分別為20g/L、50g/L、80g/L、120g/L，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 主鹽溶度不同時(shí)FBG中心波長響應(yīng)曲線

4 分析

由圖1和圖2可知，中心波長偏移量的變化能反映應(yīng)力的變化：由圖1可知，溫度變高，波長偏移量變小，電鍍應(yīng)力小；由圖2可知質(zhì)量濃度變大，電鍍應(yīng)力先變小后變大；超過一定濃度時(shí)，質(zhì)量濃度變大，電鍍應(yīng)力先變大后變小。這與以往文獻(xiàn)結(jié)果一致［7-10］。由于鍍層與FBG初期所鍍金屬層不匹配的原因，電鍍初期的中心波長速率遠(yuǎn)大于后期［11］；在電鍍后期，隨著鍍層厚度的增加會導(dǎo)致應(yīng)力的釋放，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電鍍應(yīng)力理論相符合［11］。

5 結(jié)語

在電鍍FBG過程中，F(xiàn)BG中心波長對電鍍應(yīng)力響應(yīng)靈敏，利用這一敏感響應(yīng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電鍍應(yīng)力。本研究使用單一變量法，分別測試了不同條件下的FBG中心波長響應(yīng)。研究結(jié)果表明，F(xiàn)BG傳感器能正確反映電鍍應(yīng)力的變化。這一測試方法具有簡便性、實(shí)時(shí)性、精確性的特點(diǎn)。該方法拓寬了FBG在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。

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