利用光纖馬赫曾德干涉儀對(duì)金屬腐蝕速率進(jìn)行測(cè)量

劉曉頎，高 藝 ，劉海鋒，張 勃，劉 波

(1.南開(kāi)大學(xué) 電光學(xué)院，天津 300071；2.南開(kāi)大學(xué) 科學(xué)技術(shù)研究部，天津 300071)

金屬腐蝕速率是金屬材料的一種重要參數(shù)，是金屬材料保存和應(yīng)用的一項(xiàng)性能指標(biāo)，具有重要的實(shí)際意義[1]. 目前對(duì)金屬腐蝕的測(cè)量主要分為直接法和間接法：直接法是將被測(cè)金屬材料涂覆在光纖傳感結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行測(cè)量[2,3]，由于需要對(duì)器件進(jìn)行涂覆，在操作上較為復(fù)雜，很難在課堂上完成；間接法是測(cè)量金屬周圍濕度的變化或材料角度變化等外部因素來(lái)感測(cè)金屬材料腐蝕程度[4,5]，容易受周圍環(huán)境變化影響，且測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，不適合課堂教學(xué).

本文提出利用自主設(shè)計(jì)的光纖MZ干涉儀對(duì)金屬腐蝕溶液中成分的變化進(jìn)行感知，并利用電化學(xué)方法加速化學(xué)反應(yīng)，一方面可以自行設(shè)計(jì)光纖傳感器結(jié)構(gòu)測(cè)量溶液組分變化，提升實(shí)驗(yàn)的自創(chuàng)性與準(zhǔn)確性；另一方面，采用電化學(xué)的方法加速腐蝕過(guò)程，可以在有限的課堂時(shí)間內(nèi)對(duì)多種金屬進(jìn)行測(cè)量. 本實(shí)驗(yàn)可以作為金屬線脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)的延伸實(shí)驗(yàn)或創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[6].

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 MZ干涉儀工作原理

本文所采用的MZ傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)采用商用光纖錯(cuò)位熔接制成，纖芯直徑為8.2 μm，光纖外徑為125 μm. 在三根單模光纖橫截面，進(jìn)行兩兩錯(cuò)位熔接，利用所形成的U形腔作為傳感區(qū)域，實(shí)現(xiàn)高度靈敏度傳感. 由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上只在X方向存在錯(cuò)位，而在Y方向上無(wú)錯(cuò)位，因而在Y方向上，整個(gè)結(jié)構(gòu)與一根光纖形狀相同.

圖1 錯(cuò)位光纖MZ干涉儀結(jié)構(gòu)原理

當(dāng)一束光波經(jīng)過(guò)MZ干涉儀時(shí)，被分光器分成兩束頻率、振動(dòng)方向均相同的光. 這兩束光分別進(jìn)入MZ干涉儀的兩臂，在傳輸過(guò)程中因外界因素，如距離、折射率變化等因素而產(chǎn)生相位差，當(dāng)兩束光再匯合時(shí)，發(fā)生干涉，形成干涉條紋,發(fā)生干涉后的光強(qiáng)可以表示為[7]

(1)

其中I1、I2分別為兩束光的光強(qiáng)，δ為兩束光的相位差，可以表示為

δ=2πΔneffL/λ

(2)

Δneff是兩束光之間的等效折射率之差，L是MZ干涉儀的有效傳感長(zhǎng)度，第m階次的干涉波長(zhǎng)位置可以表示為

λm=2ΔneffL/(2m+1)

(3)

外界環(huán)境導(dǎo)致的折射率變化，在光譜上反應(yīng)為該階次干涉波長(zhǎng)位置的變化. 可以看出，在光譜上讀出干涉波長(zhǎng)位置的變化就相應(yīng)得到等效折射率的變化，從而感測(cè)周圍環(huán)境的變化. 由于L的長(zhǎng)度保持不變，將式(3)進(jìn)行求導(dǎo)可以得到

(4)

其中，dλm是波長(zhǎng)的移動(dòng)量，dΔneff表示Δneff的變化量，因而，第m級(jí)條紋位置的變化可以等同于外部折射率的變化[9]. 同時(shí)，由公式(4)可知，單位時(shí)間內(nèi)外部等效折射率的變化快慢與波長(zhǎng)的變化成正比關(guān)系，且根據(jù)所得到的公式可知，測(cè)量的適用范圍應(yīng)不超過(guò)條紋間的自由光譜范圍，即折射率的變化量不超過(guò)兩級(jí)條紋間的距離.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

本文采用的實(shí)驗(yàn)儀器和元件有：光源(寬帶光源)、光譜儀(Yokogawa AQ6370C, 波長(zhǎng)范圍 600 ～1700 nm)、光纖三維調(diào)節(jié)架、光纖(SMF-28e, Corning Inc., USA)、光纖熔接機(jī)輪及固定架、砝碼、9 V電池、電極、金屬片、反應(yīng)槽、氯化鈉溶液、去離子水、毛細(xì)管以及溫控系統(tǒng)等.

2.2 光纖MZ干涉儀的制備

三段光纖切割并清潔表面后依次錯(cuò)位熔接，每次錯(cuò)位量盡量保證是光纖端面寬度的一半，以形成U型槽傳感區(qū)域. 在熔接過(guò)程中注意光纖不要沿軸向方向上發(fā)生扭轉(zhuǎn)，即在Y方向上無(wú)錯(cuò)位，進(jìn)而保證熔接后的MZ干涉儀在Y方向上保證整根光纖的完整程度，增加光纖整體結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性. 制作熔接好的MZ光纖干涉儀如圖2所示，在顯微鏡下測(cè)定U型槽尺寸.

圖2 錯(cuò)位光纖MZ干涉儀結(jié)構(gòu)顯微鏡圖

3 實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)測(cè)量

3.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

將MZ干涉儀整體置于毛細(xì)管內(nèi)，毛細(xì)管內(nèi)部充盈去離子水，利用溫控系統(tǒng)對(duì)毛細(xì)管進(jìn)行加溫，將MZ干涉儀的兩端分別與光源和光譜儀相連接. MZ干涉儀的一端用三維調(diào)節(jié)架固定，另一端通過(guò)三維調(diào)節(jié)架溝槽，置于滑輪上并在光纖尾端墜上砝碼，從而確保整個(gè)結(jié)構(gòu)處于繃直狀態(tài)，減少?gòu)澢鷮?duì)傳感靈敏度的影響. 其裝置如圖3(a)所示.

圖3 光纖MZ干涉儀定標(biāo)裝置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)光纖錯(cuò)位MZ干涉儀對(duì)去離子水溫度變化所引起折射率變化的響應(yīng)，對(duì)干涉儀進(jìn)行定標(biāo)，確定其靈敏度. 干涉儀光譜隨溫度變化的光譜如圖3(b)所示，可以看出，輸出光譜在1525～1600 nm波段內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)干涉條紋，每個(gè)干涉條紋的位置可以根據(jù)公式(3)計(jì)算得出. 由公式(3)可知，對(duì)于確定的干涉儀，其有效傳感長(zhǎng)度L也相應(yīng)固定，從而其干涉峰位置隨該波長(zhǎng)下的Δneff，即兩束光之間的等效折射率之差的變化而變化. 當(dāng)外界溫度為32 ℃時(shí)，水的折射率近似為1.33，峰A峰值位置為1538 nm，傳感距離為1072 μm，根據(jù)公式(3)計(jì)算可得，峰A近似為第83級(jí)條紋. 當(dāng)對(duì)去離子水加溫時(shí)，其等效折射率變化為-8.0×10-5K-1[8]，Δneff隨之變化，從而導(dǎo)致光譜的整體移動(dòng)，且隨著外界等效折射率變小，光譜整體向長(zhǎng)波方向移動(dòng). 在光譜上，對(duì)峰A峰值進(jìn)行讀取，得到的數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 去離子水中的出射光譜峰位置變化

利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到錯(cuò)位光纖MZ干涉儀的靈敏度為-14864 nm/RIU (RIU：Refractive index unit,)，如圖3(c)所示.

3.2 金屬腐蝕速率測(cè)定實(shí)驗(yàn)

金屬腐蝕速率測(cè)定的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1) 佩戴所用光源波段護(hù)目鏡，保證儀器安全及有接地措施的情況下，打開(kāi)光源的電源開(kāi)關(guān)和光譜儀，進(jìn)行預(yù)熱.

2) 將MZ錯(cuò)位光纖干涉儀的傳感區(qū)域，即U型槽部分置于反應(yīng)槽光纖放置區(qū)域內(nèi)，調(diào)節(jié)夾持光纖兩端的調(diào)節(jié)架，使光纖整體結(jié)構(gòu)保持水平；在光纖尾端加墜砝碼使整個(gè)光纖結(jié)構(gòu)保持拉直.

3) 清洗腐蝕反應(yīng)槽.

4) 將被測(cè)金屬材料清洗后，置于槽內(nèi)金屬放置區(qū)域.

5) 配置確定濃度的NaCl溶液(如0.5wt%)，利用滴管或是注射器，在反應(yīng)槽內(nèi)加入溶液.

6) 將電源正極接金屬，負(fù)極接入NaCl溶液，打開(kāi)光源啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，每隔15 s記錄光譜數(shù)據(jù).

7) 讀取光譜數(shù)據(jù)，利用定標(biāo)實(shí)驗(yàn)中的靈敏度數(shù)值計(jì)算腐蝕速率.

測(cè)量金屬腐蝕的裝置設(shè)備如圖4所示，金屬腐蝕前后，表面結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，腐蝕后的光譜和腐蝕速率如圖5(b)、5(c)所示，數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示.

表2 去離子水中的出射光譜峰位置變化

圖4 測(cè)量金屬腐蝕裝置圖

圖5 金屬腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同于圖3(b)中輸出光譜條紋移動(dòng)是由于去離子水折射率隨溫度變化，圖5(b)中條紋的移動(dòng)是由于腐蝕液，即NaCl溶液中，由于腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生了新的化學(xué)組分導(dǎo)致了折射率發(fā)生變化，但兩者的移動(dòng)均是由公式(3)中Δneff變化引起的. 而且由公式(4)可知，單位時(shí)間內(nèi)條紋位置移動(dòng)的距離與折射率變化量有關(guān)，折射率變化越快，單位時(shí)間內(nèi)條紋移動(dòng)的距離越大，且由條紋是往短波方向移動(dòng)可知，腐蝕液中由于物質(zhì)變化其等效折射率是在逐漸變大.

從圖5(b)可以看出峰的位置隨時(shí)間變化，即隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，峰位置向短波移動(dòng)，可以讀出峰移動(dòng)的最大速度的最大值為-9.32×10-2nm/s，再根據(jù)錯(cuò)位MZ干涉儀靈敏度為-14864 nm/RIU，可以計(jì)算得到腐蝕過(guò)程中，腐蝕液折射率變化量最大為6.27×10-6RIU/s,產(chǎn)生的光譜峰值最大變化量為-3.93×10-2dB/s. 根據(jù)圖5(c)可以讀出腐蝕峰位置隨時(shí)間的變化關(guān)系，利用錯(cuò)位MZ干涉儀靈敏度，可以計(jì)算不同腐蝕進(jìn)程中的腐蝕速度.

4 結(jié)束語(yǔ)

金屬線脹系數(shù)的測(cè)定是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中一個(gè)必做實(shí)驗(yàn)，但原理和操作方法相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中誤差較多，很難滿足實(shí)驗(yàn)課的需要和學(xué)生能力培養(yǎng)預(yù)期. 本文提出利用簡(jiǎn)易MZ光纖干涉儀對(duì)金屬腐蝕過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，而且利用干涉儀高靈敏度對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行精確分析，鍛煉同學(xué)們對(duì)精細(xì)實(shí)驗(yàn)的操作與把控能力，加深對(duì)干涉儀原理的了解；同時(shí)，同學(xué)們可以自行設(shè)計(jì)傳感器，提升實(shí)驗(yàn)自主設(shè)計(jì)性，培養(yǎng)整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建能力.