姚利紅，丁 建

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

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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(jī)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(shí)膠體鈀的配置和解膠時(shí)間的長(zhǎng)短。改進(jìn)光纖化學(xué)鍍的同時(shí)針對(duì)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(duì)光纖與基體直接連接電鍍技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究，選取氣道作為電鍍效果的評(píng)價(jià)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(shí)間10 min時(shí)取得的電鍍效果最好。為達(dá)到電鍍光纖的實(shí)際傳感應(yīng)用，針對(duì)電鍍所得的基體鍍鋅光柵搭建溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得：基體鍍鋅光柵可以實(shí)現(xiàn)高線性度、高靈敏度的溫度測(cè)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(diǎn)為電鍍光纖的實(shí)際應(yīng)用，溫度敏感性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了本研究對(duì)于實(shí)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(lái)傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，因其具有質(zhì)量輕、體積小、耐腐蝕和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，便于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量,廣泛應(yīng)用于工程監(jiān)測(cè)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(cè)物體直接黏接。這種粘接方式在氣密性、黏結(jié)強(qiáng)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(shí)間后，黏接點(diǎn)由于收縮差異等因素易產(chǎn)生松動(dòng)甚至脫落，從而是測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生巨大的誤差。光纖表面金屬化為彌補(bǔ)光纖因本身材料在受切向應(yīng)力易損壞等問(wèn)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(shí)間長(zhǎng)短是影響電鍍鋅鍍層均勻性的關(guān)鍵因素。綜合整理對(duì)比光纖電鍍工藝發(fā)現(xiàn)設(shè)置電鍍電壓3 V、反應(yīng)時(shí)間10 min以上時(shí)，取得光纖電鍍鋅的鍍層均勻性最好。通過(guò)此電鍍鋅工藝制作電鍍鋅光纖光柵，并通過(guò)溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究其與裸光柵的溫度特性。實(shí)驗(yàn)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(duì)于電鍍鋅工藝的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案不僅僅可以大大提高電鍍鋅鍍層的均勻性，而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該工藝的實(shí)用性，對(duì)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(jiǎn)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?cè)诠饫w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(duì)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(shí)的電流密度、電鍍時(shí)間的長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)，此波長(zhǎng)光強(qiáng)被反射，且其反射波長(zhǎng)可以表示為

λB=2neffΛ

(1)

式中:λB為光纖光柵中心波長(zhǎng);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?chǔ)乓鸬墓饫w光柵中心波長(zhǎng)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(zhǎng)度；ΔL為金屬在溫度變化ΔT時(shí)金屬線的伸縮量。

因此當(dāng)外界溫度變化ΔT時(shí)，光纖光柵的中心波長(zhǎng)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(duì)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(shí)驗(yàn)研究

鍍鋅光纖光柵在制作傳感器的過(guò)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(guò)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(hào)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(shí)驗(yàn)以鍍膜光纖光柵的實(shí)際應(yīng)用為基本出發(fā)點(diǎn)，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(diǎn)在于鍍層厚度可控且反應(yīng)時(shí)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(shí)現(xiàn)保護(hù)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(shí)，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(shí)，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(shí)，由于氣體殘留在基體之上，無(wú)法及時(shí)脫離而導(dǎo)致的氣道現(xiàn)象會(huì)變得嚴(yán)重。

圖2給出了光纖光柵電鍍實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(zhǎng)55 mm，寬15 mm，厚0.02 mm的薄不銹鋼薄板。實(shí)驗(yàn)中光纖光柵平行于基體的長(zhǎng)軸方向放置。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)改變恒壓源的輸出電壓(3 V，5 V或9 V)及其輸出時(shí)間(5 min，10 min，15 min或30 min)實(shí)現(xiàn)電鍍電流密度、電鍍時(shí)間的控制。

圖2 光纖光柵電鍍工藝實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)

電鍍實(shí)驗(yàn)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(guò)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(qiáng)度。氣道多，電鍍粘接強(qiáng)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(shí)，電鍍產(chǎn)生的氣道較多；而當(dāng)恒壓源輸出電壓為3 V時(shí)，電鍍產(chǎn)生的氣道較少。因此，為使光纖光柵電鍍過(guò)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(shí)，電鍍時(shí)間10 min取得的電鍍效果優(yōu)于電鍍時(shí)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(shí)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(cè)

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

(a)電鍍電壓5 V或9 V

(b)電鍍電壓為3 V圖3 不同實(shí)驗(yàn)條件下電鍍效果對(duì)比圖

4.1 溫度性能實(shí)驗(yàn)

鍍鋅光纖光柵溫度特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架如圖4所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括SM125(解調(diào)波長(zhǎng)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(shí)間10 min條件下電鍍所得，其中心波長(zhǎng)為1 528.021 4 nm。裸光柵中心波長(zhǎng)為1 532.933 5 nm。

圖4 鍍鋅光柵與裸光柵溫度特性對(duì)比實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架圖

實(shí)驗(yàn)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(chǎng)。從而，降低因被測(cè)物所處環(huán)境不同而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果差異。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)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(gè)實(shí)驗(yàn)階段，待恒溫水浴箱溫度穩(wěn)定后，對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)連續(xù)采樣1 min后，取其平均值作為此實(shí)驗(yàn)階段的光纖光柵中心波長(zhǎng)。

4.2 數(shù)據(jù)分析

整個(gè)溫度實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，光柵的中心波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)與溫度的關(guān)系，如圖5所示。圖5中橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)步驟的先后順序編號(hào),即升溫過(guò)程編號(hào)為1～8，相應(yīng)的降溫過(guò)程編號(hào)為9～16。整個(gè)溫度特性實(shí)驗(yàn)中，鍍鋅光柵中心波長(zhǎng)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(guò)程)；λBZn=0.036 3·T+1 527.1,R2=0.999 9(降溫過(guò)程)。R2代表擬合曲線的線性度，其值越接近于1說(shuō)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(zhǎng)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(guò)程)；λBB=0.009 8·T+1 532.7,R2=0.999 9(降溫過(guò)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(duì)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(cè)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)高精度、高線性度的溫度測(cè)量。

圖5 光纖光柵中心波長(zhǎng)隨溫度變化的趨勢(shì)圖

綜上可得，在電鍍條件為電鍍電壓3 V、時(shí)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(shí)現(xiàn)光柵與基體之間良好粘接性，對(duì)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(guò)程中膠體鈀的配置和解膠時(shí)間的長(zhǎng)短，為光纖實(shí)現(xiàn)均勻電鍍打下了基礎(chǔ)。理論上分析了鍍鋅對(duì)光柵溫度傳感的增敏機(jī)制。針對(duì)現(xiàn)有焊接技術(shù)的限制并以鍍鋅光柵實(shí)際傳感應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，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(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)電鍍電壓為3 V、鍍層時(shí)間控制在10 min時(shí)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(cè)溫特性，搭建溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得鍍鋅光柵可以實(shí)現(xiàn)高線性度、高精度的溫度測(cè)量。其溫度敏感系數(shù)為36.3 pm/℃，是裸光柵的3.7倍左右。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)本文以電鍍光柵實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，文中所取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于光纖電鍍的工業(yè)化發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。

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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?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置 。E-mail：yaolihong0101@126.com 丁建(1988—)，助教，碩士，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置 。E-mail：sdudingjian@163.com