探究抗拉強(qiáng)度增加3.5倍的FBG傳感器

李小金，吳志文，鄭 敏，肖湘杰，侯 丹

（深圳太辰光通信股份有限公司 廣東 深圳 518000）

0 引言

作為實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛的光學(xué)傳感器——光纖布拉格光柵（FBG）傳感器因諸多優(yōu)點(diǎn)得到研究者們的廣泛關(guān)注。然而，F(xiàn)BG 傳感器柵區(qū)易斷裂（抗拉強(qiáng)度低）的缺點(diǎn)嚴(yán)重限制其進(jìn)一步應(yīng)用。以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：嶄新的光纖抗拉強(qiáng)度在5 GPa 左右[1-3]，但采用基于紫外激光的相位掩模技術(shù)刻寫光柵后，其抗拉強(qiáng)度能降至0.4 MPa[4]。這是由于載氫過(guò)程和機(jī)械或化學(xué)剝纖會(huì)對(duì)光纖（柵區(qū)）造成傷害，使FBG 傳感器的抗拉強(qiáng)度嚴(yán)重下降。柵區(qū)涂覆是一種有效提高FBG 傳感器抗拉強(qiáng)度的方法，常用的柵區(qū)涂覆材料一般為金屬材料，然而，金屬材料容易受到空氣、酸、堿等的腐蝕，極大影響到FBG 傳感器的波形和長(zhǎng)期使用。本文介紹一種新的柵區(qū)涂覆方式——聚酰亞胺（PI）薄片涂覆。PI 薄片涂覆具有耐高溫、耐酸堿、高機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PI 薄片涂覆后的FBG 傳感器比未涂覆的FBG 傳感器的抗拉強(qiáng)度提高了3.5 倍，PI 薄片涂覆可有效保護(hù)FBG 傳感器，提高其抗拉強(qiáng)度，避免其柵區(qū)斷裂。

1 PI薄片涂覆的FBG傳感原理

PI 薄片涂覆的FBG 傳感原理是基于布拉格（Bragg）定律[7]演變而來(lái)。根據(jù)布拉格定律，布拉格反射波長(zhǎng)（λB)可以表示為：

neff和Λ 分別為光柵的有效折射率和光柵周期，普通涂覆（涂覆材料為丙烯酸酯或聚酰亞胺，如圖1a）的FBG的λB只受物理量應(yīng)變、溫度變化的影響，這是由于當(dāng)應(yīng)變、溫度作用于FBG 時(shí)，neff和Λ 會(huì)發(fā)生細(xì)微改變，導(dǎo)致λB發(fā)生變化。采用PI 薄片涂覆FBG 后（如圖1b），由于PI 會(huì)吸水膨脹和失水收縮的緣故，導(dǎo)致PI 薄片涂覆后的FBG波長(zhǎng)的移動(dòng)（Δλ）同時(shí)對(duì)應(yīng)變(ε)、溫度變化(ΔT)、濕度變化（ΔRH）敏感，表達(dá)式如下[8]：

圖1 （a）普通涂覆原理 （b）PI 薄片涂覆原理

Pe，α，ξ 和SRH分別為光纖的光彈系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、熱光系數(shù)和PI 薄片涂覆后的光柵的濕度靈敏度。為消除溫度、濕度的影響，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們把環(huán)境的溫度和濕度分別控制在25.0 ℃和48 %RH。因此，式（2）簡(jiǎn)化為：

再根據(jù)胡可定律[9]，應(yīng)變（ε）的計(jì)算表達(dá)式為：

F、E和A分別為PI薄片涂覆后的FBG受到的軸向拉力、光纖的彈性模量和光纖的橫截面積。從式（3）和（4）可以得出，在溫度和濕度不變的情況下，PI 薄片涂覆后的FBG 波長(zhǎng)的移動(dòng)正比于其受到的軸向拉力。

2 PI薄片涂覆的FBG傳感器的制作

PI 薄片涂覆的FBG 傳感器的制作過(guò)程如圖2所示，玻璃基板由兩塊小尺寸玻璃（尺寸均為15×15×1 mm3）和1塊大尺寸玻璃（尺寸為95×40×1 mm3）組成，這兩塊小尺寸玻璃通過(guò)高溫膠固定在大尺寸玻璃上共同組成了玻璃基板（如圖2a）。然后，把未涂覆的FBG 傳感器（基于紫外激光的相位掩模技術(shù)刻寫光柵，柵區(qū)長(zhǎng)度為5 mm，剝纖長(zhǎng)度為8 mm）拉直，通過(guò)高溫膠帶固定在玻璃基板上（如圖2b）。高溫膠帶除了固定作用，還與玻璃基板構(gòu)成了1個(gè)PI 薄片成形區(qū)域，利用注射器將聚酰胺酸（PAA）溶液注入PI 薄片成形區(qū)域（如圖2c），等到PAA 溶液注滿PI薄片成形區(qū)域后，將整套裝置放入高溫烤箱（高溫烤箱的溫度為100 ℃，如圖2d）進(jìn)行高溫?zé)峁袒幚恚ò撍王啺坊瘍蓚€(gè)過(guò)程），高溫?zé)崽幚磉^(guò)程為：100 ℃（保持1 小時(shí)）→160 ℃（保持1 小時(shí)）→220 ℃（保持2 小時(shí)）。經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚砗螅琍I 薄片就成形了，此時(shí)關(guān)閉高溫烤箱的加熱開關(guān)，讓其自然冷卻，待溫度降至150 ℃，取出整套裝置，揭掉高溫膠帶，然后利用美工刀分離PI 薄片和玻璃基板（如圖2e）。最后，利用剪刀將PI 薄片（此時(shí)PI 薄片和未涂覆的FBG 傳感器結(jié)合為一體）剪成尺寸為10×2×0.125 mm3的形狀（如圖2f）。經(jīng)過(guò)上述操作后，PI 薄片涂覆的FBG 傳感器的制作就完成了。

圖2 PI 薄片涂覆的FBG 傳感器的制作過(guò)程

3 PI薄片涂覆前后，F(xiàn)BG傳感器前后光學(xué)特性對(duì)比

為了解PI 薄片涂覆前后，F(xiàn)BG 傳感器前后光譜是否發(fā)生畸變，本文進(jìn)行了PI 薄片涂覆前后，F(xiàn)BG 傳感器前后反射光譜的對(duì)比，如圖3?？梢钥闯鯬I 薄片涂覆后，邊模抑制比從原來(lái)的18.25 dB 減小至16.85 dB；而FBG 傳感器的中心波長(zhǎng)和3 dB 帶寬分別從原來(lái)的1 533.835 nm 增加至1 534.366 nm 和從0.259 nm 增加至0.267 nm。中心波長(zhǎng)的增加可歸因于PI 薄片彎曲所致，而3 dB 帶寬的增加是因?yàn)闁艆^(qū)受到的不均勻應(yīng)力的緣故[10-11]。盡管PI 薄片涂覆前后，F(xiàn)BG 傳感器前后的光學(xué)參數(shù)稍有變化，但其前后反射光譜并沒有發(fā)生明顯畸變（如圖3），即仍具有不畸變的布拉格峰，窄的帶寬和高的邊模抑制比等良好的光學(xué)性能。

圖3 PI 薄片涂覆前后，F(xiàn)BG 傳感器前后光譜和光學(xué)參數(shù)的對(duì)比

4 PI薄片涂覆前后，F(xiàn)BG傳感器前后力學(xué)傳感特性對(duì)比

為了解PI 薄片涂覆前后，F(xiàn)BG 傳感器前后力學(xué)傳感性能，本文進(jìn)行了PI 薄片涂覆前后，單軸拉力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試結(jié)果，如圖4。為避免FBG 傳感器發(fā)生斷裂和滑動(dòng)[12]，F(xiàn)BG 傳感器通過(guò)兩個(gè)絞盤垂直固定在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上。圖4b 和4c 為拉力測(cè)試結(jié)果，可以看出，PI 薄片涂覆前，F(xiàn)BG 傳感器的拉力靈敏度為1.356 8 nm/N，線性度為0.999 6，中心波長(zhǎng)（y）與施加的力值（x）之間滿足y=1.356 8x+1 529.4。而PI 薄片涂覆后，F(xiàn)BG 傳感器的拉力靈敏度降至1.0887 nm/N，線性度為0.997 3，中心波長(zhǎng)（y）與施加的力值（x）之間滿足y=1.088 7x+1 534.1?？梢缘贸觯M管PI 薄片涂覆后，F(xiàn)BG 傳感器的拉力靈敏度和線性度稍有下降，但依然呈現(xiàn)出很好的拉力靈敏度和線性度，表明PI 薄片涂覆后的FBG傳感器具有良好的力學(xué)傳感特性，可用于制作FBG 拉力傳感器[13-14]。

圖4 （a） 拉力測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，PI 薄片涂覆前（b）后（c），F(xiàn)BG 傳感器的中心波長(zhǎng)與施加的力值之間的關(guān)系曲線

5 PI薄片涂覆前后，F(xiàn)BG傳感器前后抗拉強(qiáng)度對(duì)比

為了解PI 薄片涂覆前后，F(xiàn)BG 傳感器前后抗拉強(qiáng)度的對(duì)比，我們借助旋轉(zhuǎn)型光纖拉力測(cè)試機(jī)進(jìn)行了強(qiáng)度拉伸破壞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯琍I 薄片涂覆前，F(xiàn)BG 傳感器的抗拉強(qiáng)度為96kpsi（1 kpsi=6.895 MPa），對(duì)應(yīng)661.920 MPa，且在柵區(qū)發(fā)生斷裂。而PI 薄片涂覆后，F(xiàn)BG傳感器的抗拉強(qiáng)度為337 kpsi（抗拉強(qiáng)度增加3.5倍），對(duì)應(yīng)2 323.615 MPa 即約為2.323 GPa，斷裂處發(fā)生在柵區(qū)右側(cè)。這意味著PI 薄片涂覆方法能夠有效保護(hù)FBG 傳感器，提高柵區(qū)的抗拉強(qiáng)度，從而避免FBG 傳感器在柵區(qū)發(fā)生斷裂。

圖5 PI 薄片涂覆前（a）和后（b），F(xiàn)BG 傳感器的抗拉強(qiáng)度值；（c）為PI 薄片涂覆前后，F(xiàn)BG 傳感器抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

6 結(jié)論

本文對(duì)比了PI 薄片涂覆前后，F(xiàn)BG 傳感器前后的光學(xué)性能、力學(xué)傳感性能和抗拉強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PI 薄片涂覆后的FBG 傳感器具有良好的光學(xué)性能（不畸變的布拉格峰、窄的帶寬、高的邊模抑制比），中心波長(zhǎng)與施加的力值之間有很好的線性關(guān)系（線性度為0.997 3）和3.5倍增加的抗拉強(qiáng)度，意味著PI 薄片涂覆后的FBG 傳感器在抗拉強(qiáng)度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合具有明顯優(yōu)勢(shì)。