摘要：為了對光纖布拉格光柵（FBG）進(jìn)行增敏保護(hù)。本研究采用化學(xué)鍍電鍍方法對FBG進(jìn)行金屬化保護(hù)增敏，使得光纖光柵表面附著鎳層，達(dá)到對FBG增敏和保護(hù)的目的，再進(jìn)行溫度傳感試驗(yàn)。另外通過電鍍銅在T2基板表面成功地安裝了鍍銅保護(hù)的FBG，并系統(tǒng)研究了電鍍法定位安裝光纖光柵的接頭連接質(zhì)量、溫度和應(yīng)變傳感特性結(jié)果表明：化學(xué)鍍后電鍍鎳的FBG溫度靈敏度達(dá)到了19.22pm/℃，鎳鍍層的存在除了起到保護(hù)作用外還明顯提高了溫度靈敏度。金屬鍍層與鍍鎳FBG表面以及基體三者之間結(jié)合緊密。接頭的強(qiáng)度高于單獨(dú)鍍銅FBG，鍍銅定位安裝的FBG的拉伸強(qiáng)度是單獨(dú)鍍銅FBG的兩倍，能夠滿足工程應(yīng)用的基本要求。電鍍法制備的FBG的溫度靈敏度提高到30.6 pm/℃，是裸光柵的三倍。因此電鍍安裝的FBG具有溫度和應(yīng)變傳感靈敏度高、接頭質(zhì)量可靠、殘余應(yīng)力小和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：光纖布拉格光柵;表面鍍鎳;溫度靈敏度;傳感器

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

0?前言

由于FBG傳感器具有尺寸小、損耗低、抗腐蝕性強(qiáng)和抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)分布式的測量，易于精細(xì)化的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在光纖通訊行業(yè)^[1]。加之其優(yōu)良的傳感性能，因此在光纖傳感和光通信領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景^[2]。開發(fā)適合航天發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器，需要在在極端惡劣的條件中進(jìn)行傳感實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境溫度和壓力可能達(dá)到上千攝氏度和上萬個(gè)大氣壓^[3，4]。在高溫高壓等惡劣環(huán)境中進(jìn)行傳感時(shí)，保護(hù)光纖不受損害是封裝技術(shù)的關(guān)鍵。能否將光纖光柵傳感器安全可靠地安裝到工程結(jié)構(gòu)中，而不破壞其固有的傳感性能，是發(fā)展光纖光柵傳感技術(shù)的關(guān)鍵。同時(shí)柵區(qū)是傳感的核心部位，也是最薄弱的區(qū)域，因此有必要對其進(jìn)行保護(hù)^[5，6]。

綜上所述，我們需要考慮實(shí)際環(huán)境，在保證傳感器穩(wěn)定服役的同時(shí)提高光纖光柵對外界環(huán)境的靈敏度^{[7， 8]}。因此，為了在工程基體結(jié)構(gòu)上更好地安裝光纖光柵傳感器，本文對光纖光柵進(jìn)行了表面鍍鎳保護(hù)，研究了金屬鍍鎳層保護(hù)后光纖光柵的溫度傳感特性。并采用電鍍方法將表面鍍銅FBG定位安裝在金屬基體表面，在常溫下對FBG進(jìn)行定位安裝。

1實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1光纖光柵的表面鍍鎳及傳感特性研究

1.1.1光纖表面化學(xué)鍍預(yù)處理工藝

在進(jìn)行化學(xué)鍍之前，將FBG去除保護(hù)套，然后超聲清洗5 min。之后進(jìn)行敏化處理，敏化作用是利用化學(xué)反應(yīng)在光纖表面生成一小薄層具有催化活性的金屬。首先將光纖浸沒在配置好的氯化錫溶液中，光纖表面的亞錫離子發(fā)生水解反應(yīng)形成二價(jià)亞錫物質(zhì)。敏化之后需要活化處理，使光纖表面附著的Sn²⁺還原出金屬鈀單質(zhì)，在以金屬鈀為催化中心的光纖表面形成反應(yīng)點(diǎn)，有利于還原劑的化學(xué)鍍自催化反應(yīng)。

1.1.2光纖表面化學(xué)鍍工藝

以氨基磺酸鎳作為主鹽，還原劑為次亞磷酸鈉（NaH₂PO₂）。化學(xué)鍍原理是次亞磷酸鈉將溶液中的鎳離子還原為金屬鎳單質(zhì)附著在基體表面，即將光纖光柵表面均勻覆蓋鎳金屬層。化學(xué)鍍持續(xù)時(shí)間為2小時(shí)，之后放入蒸餾水后進(jìn)行超聲波清洗，再將其烘干?；瘜W(xué)鍍鎳工藝如表1所示。

1.1.3光纖表面電鍍工藝

化學(xué)鍍鎳光纖浸在鍍鎳液中，化學(xué)鍍鎳光纖作陰極，金屬鎳板作陽極，采用直流電源進(jìn)行電鍍，金屬鎳沉積在化學(xué)鍍光纖表面。電鍍工藝如表2所示，電鍍試驗(yàn)裝置如圖1所示。

采用水浴加熱法測試了光纖光柵的溫度傳感特性。對化學(xué)鍍鎳和電鍍鎳的FBG進(jìn)行了溫度傳感測試，并用裸光柵進(jìn)行了溫度標(biāo)定和對比試驗(yàn)。分別監(jiān)測了水溫由20℃到80℃之間的升降溫過程中FBG中心波長變化情況，每隔5℃記錄一次。

1.2表面鍍銅FBG定位安裝及傳感性能研究

1.2.1電鍍法定位安裝

采用先化學(xué)鍍后電鍍在光纖光柵表面鍍上銅金屬層，同時(shí)制備好T2純銅基體板。然后將FBG置于事先準(zhǔn)備的T2基體上，采用電鍍將金屬沉積在FBG與T2基板接觸的位置，使FBG安裝在T2純銅基體上。將電鍍銅后的FBG和基體分別固定在電鍍系統(tǒng)的陰陽兩極。電鍍裝置示意圖如圖2所示。

1.2.2電鍍安裝連接強(qiáng)度分析

將定位安裝后的FBG/T2體系制成拉伸試樣，對接頭強(qiáng)度進(jìn)行了研究。采用CTM2500萬能試驗(yàn)機(jī)對接頭試樣進(jìn)行拉剪試驗(yàn)。以三個(gè)不同的拉伸速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，拉伸示意圖如圖3。

1.2.3電鍍安裝FBG結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)變傳感特性

應(yīng)變傳感試驗(yàn)在萬能試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行，通過控制拉伸長度來達(dá)到改變應(yīng)變的目的，同時(shí)記錄光纖光柵中心波長變化，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感的實(shí)時(shí)測量。

2結(jié)果與分析

2.1光纖光柵的表面鍍鎳及傳感特性研究

圖4是FBG經(jīng)過化學(xué)鍍和復(fù)合鍍鎳后的外觀圖。由圖可知，光纖光柵表面完全被金屬鎳覆蓋，鍍層均勻致密，鍍層質(zhì)量較好。電鍍鎳后的得到了表面光亮、圓滑且分布均勻的金屬化FBG。由圖5可知光纖、化學(xué)鍍鎳層和電鍍鎳層三者結(jié)合非常緊密，化學(xué)鍍鎳層與電鍍鎳層沒有明顯的分界線。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后用origin8進(jìn)行繪圖和數(shù)據(jù)擬合，如圖6所示。鍍鎳FBG的溫度傳感特性方程分別為：升溫過程為y1=1535.986+0.01922x，降溫過程為y2=1535.939+0.01914x。裸光柵為y3=1536.263+0.00995x。對應(yīng)溫度靈敏度分別為19.22pm/℃、19.14 pm/℃、9.93 pm/℃，金屬化保護(hù)的靈敏度約為一般裸光柵的2.4倍。因此，金屬化保護(hù)的光纖光柵的溫度靈敏度得到了提升，金屬化是可靠的。

2.2表面鍍鎳FBG定位安裝及傳感性能研究

2.2.1 表面鍍鎳FBG定位安裝

如圖7所示，F(xiàn)BG與T2基體形成了系統(tǒng)，得到FBG與基體的結(jié)合區(qū)域?yàn)?0.45μm。金屬鍍層均勻，且與光纖光柵以及金屬鍍層、基體三者之間結(jié)合緊密。

2.2.2電鍍安裝連接強(qiáng)度分析

通過拉剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電鍍安裝的接合區(qū)域完整，都斷在金屬化后的光纖上。由圖8可知，結(jié)合區(qū)域的強(qiáng)度明顯高于表面鍍銅FBG的接頭強(qiáng)度，大約是兩倍強(qiáng)度。因此，光纖光柵表面的金屬鍍層提高抗拉強(qiáng)度，并且電鍍法定位安裝的鍍銅FBG系統(tǒng)強(qiáng)度較高，能夠滿足在工程使用的基本要求。

2.2.3電鍍安裝FBG結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)變傳感特性

如圖9左所示，升降溫過程其溫度傳感方程以及裸光纖傳感方程分別為：升溫為λ_B=1536.531+0.0305T，降溫為λ_B=1536.531+0.0307T，裸光纖為：λ_B=1536.262+0.0099T。升降溫過程的平均靈敏度為30.6 pm/℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于裸光纖光柵。進(jìn)行應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)，根據(jù)公式計(jì)算拉伸所產(chǎn)生的應(yīng)變，得到應(yīng)變與FBG中心波長變化之間的關(guān)系。如圖9右所示，應(yīng)變傳感的方程為y=1535.918+4.998 × 10^-6x，裸光纖光柵應(yīng)變傳感的能力非常弱，而電鍍安裝FBG的應(yīng)變靈敏度為4.998 × 10³pm/με，遠(yuǎn)高于裸光柵。

3結(jié)論與展望

FBG先化學(xué)鍍后電鍍鎳保護(hù)后的金屬外層結(jié)構(gòu)致密，圓柱度良好，結(jié)合良好。溫度靈敏度達(dá)到了19.22pm/℃，鎳鍍層的存在除了起到保護(hù)作用外還明顯提高了溫度靈敏度。

通過電鍍銅在T2基板上安裝了鍍銅FBG。金屬鍍層與鍍鎳FBG表面和基體結(jié)合緊密均勻。接頭的拉伸強(qiáng)度是單獨(dú)鍍銅FBG的兩倍。因此，電鍍法定位安裝的光纖的強(qiáng)度較高，能夠滿足工程應(yīng)用的基本要求。同時(shí)溫度靈敏度提高到30.6 pm，是裸光柵的三倍。應(yīng)變靈敏度高達(dá)到4.998×10³ pm/με。因此電鍍安裝的FBG具有溫度和應(yīng)變傳感靈敏度高、接頭質(zhì)量可靠、殘余應(yīng)力小和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

光纖光柵傳感器由于所具備的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用和研究。本課題的研究仍然需要進(jìn)一步研究：不同金屬保護(hù)可能有不同的效果;其次需要對光纖光柵在高溫和低溫下的溫度和傳感進(jìn)行研究;最后需要結(jié)合實(shí)際情況，同時(shí)考慮溫度和應(yīng)變傳感特性，或者是考慮多種環(huán)境因素，但要注意考慮補(bǔ)償交叉?zhèn)鞲兴鶐淼墓庾V變化等。

參考文獻(xiàn)

• K.O.Hill. Bragg gratings fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask [J].Applied Physics Letters，1993，29：566-568.
• A.M.Vengsarkar，J.R.Pedrazzani，J.B.Judkins，andetal.，Long-period fiber-grating-based gain equalizers[J].Optics Letters，1996，21（5）：236-238.
• 謝劍鋒，張華，張國平，等.封裝材料性能對光纖布拉格光柵溫度靈敏度影響分析[J].光電子·激光，2008，19（9）：1158-1162.
• 張燕君，王海寶，陳澤貴，等.光纖光柵毛細(xì)鋼管封裝工藝及其傳感特性研究[J].激光與紅外，2009，39（1）：53-55.
• 饒春芳，張華，馮艷，等.鎳金屬保護(hù)光纖布拉格光柵的熱處理及高溫傳感[J].光學(xué)精密工程，2011，19（9）：2006-2013.
• 彭剛，張華，李玉龍，等.光纖Bragg光柵傳感器化學(xué)鍍銅研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008，22（9）： 77-79.
• 陶亮，孫同景，短彬，等.基于粗集的焊接質(zhì)量級別智能決策[J].焊接學(xué)報(bào)，2013，34（7）：29-32.
  • 郭明金，姜德生，袁宏才.兩種封裝的光纖光?柵溫度傳感器的低溫特性[J].光學(xué)精密工程， 2007，15（3）：326-330.

收稿日期：2019-07-15

作者簡介：張津菁（2002—），女，河北唐山人，研究方向：物理學(xué)。