黃旌，高濤，陳璞

一種鋁合金薄片式光纖光柵腐蝕傳感器的制作

黃旌，高濤，陳璞

（空軍第一航空學(xué)院航空機(jī)械工程系，河南信陽(yáng)464000）

在對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料腐蝕監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的鋁合金材料腐蝕監(jiān)測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)并制作了一種薄片式光纖光柵腐蝕傳感器，并初步通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的腐蝕監(jiān)測(cè)提供了一種技術(shù)手段。

腐蝕；光纖光柵傳感器；預(yù)應(yīng)力

飛機(jī)在使用過(guò)程中，具有環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜的特點(diǎn)。其中腐蝕是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的一種主要損傷形式，如何有效地對(duì)飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)是對(duì)飛機(jī)壽命評(píng)估和避免安全隱患的重要前提。美國(guó)在2007～2008年度，海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的飛機(jī)腐蝕維護(hù)費(fèi)用就約為30億美元[1]。國(guó)內(nèi)據(jù)某部使用、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，飛機(jī)在維修過(guò)程中，約有80%的結(jié)構(gòu)修理工作是針對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)腐蝕進(jìn)行的[2]。當(dāng)前在機(jī)務(wù)工作中對(duì)飛機(jī)腐蝕檢查、控制的一般是靠地勤人員，目視法是飛機(jī)維修中常用的腐蝕監(jiān)測(cè)、檢查方法，但這種方法具有以下問(wèn)題：（1）一般只有當(dāng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)漆層在腐蝕等作用下發(fā)生明顯的變色、鼓泡或者出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的銹蝕，地勤人員才容易被發(fā)現(xiàn)；（2）地勤人員的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等能力水平直接決定檢查的準(zhǔn)確性；（3）由人來(lái)檢查難以避免檢查的隨機(jī)性，容易產(chǎn)生遺漏；（4）被檢查部位的可達(dá)性、可觀察性直接影響檢查效果。鑒于人工監(jiān)測(cè)的以上問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外采用紅外成像、聲發(fā)射法、渦流法等無(wú)損探傷方法對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)、材料進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)研究，但監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度受許多因素影響，且操作復(fù)雜、設(shè)備昂貴、難以進(jìn)行精確腐蝕評(píng)估，同時(shí)也不易于在線檢測(cè)[3]。

本文針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的鋁合金腐蝕情況，以某型飛機(jī)重點(diǎn)部位的鋁合金結(jié)構(gòu)、材料為例，設(shè)計(jì)一種薄片式光纖光柵腐蝕傳感器，用于對(duì)飛機(jī)鋁合金材料的腐蝕監(jiān)測(cè)研究。以期為飛機(jī)重點(diǎn)部位的腐蝕監(jiān)測(cè)、檢查提供一種方法、手段，提高飛機(jī)使用中的可靠性乃至達(dá)到延壽的目的。

1 腐蝕傳感器設(shè)計(jì)原理思路

飛機(jī)在使用包括地面停放、中低空飛行和高空飛行等情況，具有使用范圍大、區(qū)域廣的特點(diǎn)，在低空飛行和地面停放中，由于大氣污染，空氣中的雜質(zhì)如水份、硫化物和無(wú)機(jī)鹽等都會(huì)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕作用，目前飛機(jī)中關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)為金屬材料，較多采用鋁合金結(jié)構(gòu)，如果在交變載荷的作用下結(jié)構(gòu)的防護(hù)層出現(xiàn)微小裂紋，使結(jié)構(gòu)材料直接暴露在腐蝕環(huán)境下，會(huì)使腐蝕更加快速，有可能誘發(fā)突然性事故。

本文針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的鋁合金腐蝕檢測(cè)情況，設(shè)計(jì)了薄片式光纖光柵腐蝕傳感器，其設(shè)計(jì)思路是：將布拉格光纖光柵拉伸后，膠粘貼在與某型飛機(jī)某一重點(diǎn)被監(jiān)測(cè)部位結(jié)構(gòu)材料相同、厚度相同的鋁合金材料薄片上，在固定的過(guò)程保持對(duì)光纖的拉伸，便于給光纖光柵施加拉預(yù)應(yīng)力。當(dāng)解除載荷后，光纖光柵上的拉預(yù)應(yīng)力反過(guò)來(lái)施加于鋁薄片上時(shí)，鋁薄片發(fā)生壓縮應(yīng)變，同時(shí)布拉格光纖光柵發(fā)生拉伸應(yīng)變。如圖1所示。

圖1 薄片式光纖光柵腐蝕傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

本傳感器的腐蝕檢測(cè)原理[4]：

（1）在監(jiān)測(cè)使用時(shí)，傳感器粘貼或放置在被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)處，當(dāng)結(jié)構(gòu)的鋁合金被腐蝕時(shí)，傳感器的鋁合金薄片也同步跟隨被腐蝕，且隨著腐蝕逐漸加劇，原處于壓預(yù)應(yīng)力狀態(tài)的鋁合金薄片壓應(yīng)力逐漸減小，恢復(fù)伸長(zhǎng)。

（2）同時(shí)原處于拉預(yù)應(yīng)力狀態(tài)的布拉格光纖光柵拉應(yīng)力也同步減小，傳感段光柵的柵距發(fā)生變化，即柵距變化量與腐蝕程度滿足一定的關(guān)系。

（3）通過(guò)解調(diào)儀測(cè)得布拉格光纖光柵柵距的變化量即可反映出鋁合金薄片的受腐蝕程度，其測(cè)定原理是光纖光柵的纖芯內(nèi)有通過(guò)掩模寫(xiě)入形成的空間相位光柵，在使用中通過(guò)光柵前向傳輸?shù)睦w芯模式與后向傳輸?shù)睦w芯模式之間發(fā)生耦合，而使前向傳輸?shù)睦w芯模式的能量傳遞給后向傳輸?shù)睦w芯模式，形成對(duì)入射波的反射，其反射波長(zhǎng)即布拉格波長(zhǎng)為[5]：

ΔλB=2neffΛ

其中：Λ為光纖光柵周期；neff為光纖光柵纖芯的等效折射率。

當(dāng)測(cè)試溫度不變的情況下，則光纖光柵只受軸向應(yīng)力影響，中心波長(zhǎng)的變化量為：

制作時(shí)采用1 550 nm的光纖Pε＝0.22，其應(yīng)變靈敏度為：

k=0.78ε=1.2（pm/με）

反射光波的波長(zhǎng)變化即反映出柵距的變化量，從而最終反映出傳感器基底鋁合金薄片的腐蝕量。

2 薄片式光纖光柵腐蝕傳感器的制作

具體制作方式、過(guò)程分為以下幾步：

2.1 制備基片

使用與需要被腐蝕檢測(cè)結(jié)構(gòu)相同的鋁合金材料，加工成2 mm×50 mm×10 mm的基片，清潔基片。制備后的鋁合金基片及光纖光柵如圖2所示。

圖2 鋁合金基片及光纖光柵

2.2 預(yù)拉伸光纖光柵

對(duì)光纖光柵進(jìn)行預(yù)拉伸，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，是制作光纖光柵腐蝕傳感器的重點(diǎn)工作之一。拉伸量直接影響光纖光柵的測(cè)量量程、靈敏度等各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)于光纖光柵，加載在其上的預(yù)應(yīng)力越大，其靈敏度等參數(shù)值越大。但是，增大預(yù)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致量程降低，并且過(guò)大的預(yù)應(yīng)力有可能會(huì)導(dǎo)致光纖光柵拉傷損壞甚至斷裂。因此，須根據(jù)光纖光柵本身結(jié)構(gòu)、尺寸以及測(cè)試需求，分析確定合適的拉伸量，從而計(jì)算得到加載在光纖光柵上的拉伸載荷，才能加載實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力，其具體過(guò)程如下所述：

由于一般光纖光柵材料能承受的最大中心波長(zhǎng)偏移量為2 000 pm，否則有可能造成損壞，因此預(yù)加載荷使光纖光柵中心波長(zhǎng)偏移量必須小于2 000 pm，考慮到長(zhǎng)期試驗(yàn)使用，預(yù)留安全余地，故取其一半為1 000 pm中心波長(zhǎng)作為加載參量，作為基礎(chǔ)計(jì)算出對(duì)光纖光柵的加載重量。

選取的光纖光柵直徑為125μm，其材料為石英，彈性模量E=7.2×1010Pa，因此使光柵中心波長(zhǎng)發(fā)生1 000 pm變化所發(fā)生微應(yīng)變?yōu)棣?1000/1.2 ×10-6，所以施加載荷F=σA=EεA＝（πD2Eε）/4，求得預(yù)加載荷為0.736 N.制備試驗(yàn)時(shí)取相應(yīng)的砝碼，懸掛在光纖光柵的兩端，為防止在懸掛拐角處剪切力過(guò)大，使用緩沖固定于兩端，加載過(guò)程如圖3所示。

圖3 懸掛法為光柵施加預(yù)應(yīng)力

2.3 光纖光柵的膠粘固定

在制備傳感器時(shí)，光纖光柵是通過(guò)膠粘固定在鋁合金基片上的，在對(duì)傳感器試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)鋁合金基片受力時(shí)，鋁合金上的載荷也是通過(guò)膠粘劑傳遞到光纖光柵上的，因此必須保證膠粘穩(wěn)定可靠且傳遞時(shí)產(chǎn)生的剪力滯后小，以提高準(zhǔn)確度。

光纖光柵的固定采用成熟可靠的AB膠，AB膠是通過(guò)兩液混合后硬化來(lái)實(shí)現(xiàn)膠粘固定的，一組分是本膠，另一組分是硬化劑，只需要在常溫下混合即可硬化。本傳感器使用丙烯酸改性環(huán)氧膠，一組分是丙烯酸改性環(huán)氧，并含有催化劑和其它助劑；另一組分是改性胺，并含有催化劑和其它助劑。其中的催化劑主要用來(lái)控制固化時(shí)間，其它助劑控制鋼性、柔性、粘度、粘合性等性能特性。本傳感器選取的AB膠當(dāng)兩組分充分混合后，在25℃時(shí)5 min即干透，在固定時(shí)，為確保剪力滯后較小，其粘貼面要完全貼合，且粘貼層要薄且均勻，粘貼按照工序嚴(yán)格操作。為了更好的固化，在涂覆AB膠固定后，仍然保持加載8 h，以確保膠粘充分固化前，加載在光纖光柵上的預(yù)應(yīng)力不會(huì)釋放。

2.4 光纖光柵固定點(diǎn)的防護(hù)

制作完成后的傳感器需要在腐蝕環(huán)境下使用，在腐蝕使用過(guò)程中，鋁合金基片整體受到腐蝕作用結(jié)構(gòu)緩慢失效，同時(shí)光纖光柵的固定點(diǎn)也處于同一腐蝕環(huán)境中，因此必須要確保在使用中固定點(diǎn)不因腐蝕失效，以避免產(chǎn)生測(cè)量誤差乃至傳感器整體失效。所以需要在對(duì)光纖光柵對(duì)鋁合金基片做好固定的基礎(chǔ)上，在膠粘固定點(diǎn)做好腐蝕防護(hù)。另一方面，雖說(shuō)光纖光柵本身為石英材料具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，但為了防止試驗(yàn)及使用中的誤碰誤觸，也需要對(duì)其做好防護(hù)。

本傳感器選取用硅橡膠做防護(hù)介質(zhì)，它具有優(yōu)異的耐老化、抗腐蝕、耐熱性、耐臭氧等性能，使用溫度范圍寬，為-60℃～+250℃.但硅橡膠的抵御剪切應(yīng)力的性能相對(duì)于其它大多數(shù)合成橡膠較差，但遠(yuǎn)超鋁合金，所以適宜做本傳感器的防護(hù)。在制作傳感器過(guò)程中，在AB膠固定15 min后待其固化后，均勻涂覆硅橡膠。

采用硅橡膠覆蓋光纖光柵和膠粘點(diǎn)作為一層保護(hù)膜，待AB膠凝固后與跳線熔接。如圖4所示。

圖4 傳感器的固定、防護(hù)

3 試驗(yàn)初步驗(yàn)證結(jié)果與分析

試驗(yàn)采用光柵中心波長(zhǎng)為1 549.615 nm，加載完成后中心波長(zhǎng)變化為1 549.926 nm，變化量為311 pm，由此可確定鋁合金基片與光纖光柵之間已經(jīng)有效的固定，所以當(dāng)卸去外加砝碼以后，加載在光纖光柵上的預(yù)拉力通過(guò)固定點(diǎn)傳導(dǎo)至鋁合金基片上，鋁合金基片受到壓縮載荷產(chǎn)生一定的預(yù)先壓應(yīng)力，同時(shí)光纖光柵上的預(yù)先拉應(yīng)力得到部分釋放，所以其中心波長(zhǎng)變化量小于外加砝碼加載時(shí)設(shè)置的1 000 pm。后續(xù)將做好防護(hù)的傳感器整體放入腐蝕溶液中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，隨著腐蝕的進(jìn)展，使得鋁合金基片承載的預(yù)壓應(yīng)力逐漸恢復(fù)，使得光纖光柵柵距改變，中心波長(zhǎng)變化。

腐蝕實(shí)驗(yàn)溶液采用符合國(guó)標(biāo)的EXCO腐蝕溶液，其主要成分為KNO3、NaCl、HNO3，腐蝕檢測(cè)驗(yàn)證將傳感器充分泡入腐蝕溶液中，同時(shí)將溫度補(bǔ)償光柵放于腐蝕溶液中，一并接入解調(diào)儀，以便消除溫度的影響。每10 h取一點(diǎn)，測(cè)試傳感器中心波長(zhǎng)變化，測(cè)量200 h.試驗(yàn)如圖4、圖5所示。

圖4 腐蝕試驗(yàn)原理示意圖

圖5 腐蝕試驗(yàn)過(guò)程圖

經(jīng)過(guò)腐蝕試驗(yàn)的驗(yàn)證，該腐蝕傳感器隨著腐蝕進(jìn)程，傳感器中心波長(zhǎng)呈緩慢變化趨勢(shì)，并且與腐蝕的時(shí)間變化在較大區(qū)域內(nèi)擬合成正比。因此，后續(xù)檢測(cè)傳感器的中心波長(zhǎng)大小，進(jìn)一步定量分析其偏移量變化規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)腐蝕速率及腐蝕程度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)研究。后續(xù)仍需在傳感器設(shè)計(jì)制作、調(diào)制解調(diào)、試驗(yàn)驗(yàn)證等多方面進(jìn)一步深化研究，以期貼近裝備、貼近實(shí)用。

[1]于海蛟，王逾涯，陳群志.飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].裝備環(huán)境工程，2014，11（6）：70-104.

[2]李東帆.飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕與防護(hù)[J].裝備環(huán)境工程，2016，l3（1）：57-60.

[3]劉秀麗.飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢測(cè)技術(shù)研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2004，26（增刊）：60-62.

[4]陳璞，高濤，韓梅，等.檢測(cè)飛機(jī)鋁材腐蝕的薄片式光纖光柵傳感器：ZL201520083313.8[P].2015.07.01.

[5]李宏男，任亮.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)光纖光柵傳感技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008：56-64.

Fabrication of Alum inum Alloy Sheet Type Optical Fiber Grating Corrosion Sensor

HUANG Jing，GAO Tao，CHEN Pu
（Department of Aeronautical and Mechanical Engineering，The First Aeronautical Institute of Air Force，Xinyang Henan 464000，China）

In this paper，based on the analysis of the corrosion monitoring condition of the aero structural materials，a new kind of thin-slice fiber grating corrosion sensor has been designed and fabricated for solving the common corrosion monitoring matters of the aluminum alloy materials in the aircraft structure.Furthermore，this FBG sensor has already got the experimental verification preliminarily and can provide a technical means for the corrosion monitoring of the aero structural materials.

corosion；FBG sensor；preload stress

TP212

A

1672-545X（2017）02-0075-03

2016-11-06

黃旌（1975-），男，廣東揭陽(yáng)人，講師，碩士，主要研究方向：航空維修工程、測(cè)試教學(xué)與研究。