魏明昭，劉鴻鵬，劉洋鈺，王保華，李 立，王 蕊，焦新瑩

(中國民航大學(xué)理學(xué)院，天津 300300)

0 引言

高分子材料在外部作用力下的形變對于研究材料的宏觀力學(xué)性能與微觀拉伸形變、斷裂機理等有著極其重要的應(yīng)用價值。實時、準(zhǔn)確表征高分子材料的應(yīng)變特征將有助于深入分析材料性能。目前材料應(yīng)變特征主要通過外部力學(xué)儀器測量受力與形變量，通過理論分析獲取相關(guān)材料信息。缺乏有效的實時、非接觸式材料應(yīng)變特征的傳感反饋。

近年來，全息傳感器在光學(xué)傳感領(lǐng)域受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注[1-4]。全息傳感器是一種依賴于記錄在光敏材料內(nèi)部的全息體光柵進行傳感響應(yīng)的光學(xué)裝置。當(dāng)一束準(zhǔn)直寬頻光源入射光柵后，未發(fā)生改變的全息體光柵將衍射原始記錄光波長的衍射光，而光柵的微觀形變將導(dǎo)致衍射光譜顯著偏移、衍射強度也隨之波動。通過光譜儀實時追蹤衍射譜峰值，能夠量化環(huán)境特征，實現(xiàn)傳感響應(yīng)[5-8]。相比于其他傳感方式，如電導(dǎo)率[9]、光子晶體[10]、光纖Bragg光柵[11]等，全息傳感器有著直觀、可視化傳感優(yōu)勢。

本文研制了基于高彈性聚合物的全息傳感器，并對傳感器在拉力、壓力作用下的應(yīng)變響應(yīng)特征進行了實驗測試與分析。獲得了形變與光柵衍射光譜峰值間的關(guān)系，并探討了光譜峰值波長移動的主要誘因。

1 聚合物彈性材料的制備與全息傳感原理

應(yīng)變?nèi)鞲许憫?yīng)的彈性聚合物基底選用丙烯酰胺聚合物系統(tǒng)[12-15]。該聚合物材料主要成分包括：基底聚乙烯醇、光聚合單體丙烯酰胺、光敏劑亞甲基藍、鏈轉(zhuǎn)移劑三乙醇胺、交聯(lián)劑亞甲基雙丙烯酰胺。首先將除基底外的其他成分按照一定比例進行稱量待用。聚乙烯醇基底按照10%的質(zhì)量百分比與去離子水共混。待溶液澄清后靜置至室溫。隨后將該混合溶液與其他成分共混，直至混合物變?yōu)槌吻逅{色溶液為止。用膠頭滴管吸取適量均勻涂抹于玻璃基片上，自然干燥后待用。用于傳感實驗的材料平均厚度為110 μm。

全息體光柵的記錄與應(yīng)變傳感響應(yīng)測試裝置如圖1(a)與圖1(b)所示。實驗中測試了2種光柵記錄方式所形成的傳感器應(yīng)變傳感響應(yīng)過程[16-17]。應(yīng)變傳感實驗操作過程描述如下：首先在彈性材料內(nèi)部寫入全息體光柵。當(dāng)材料脫離玻璃基底后，薄膜材料具有較高的柔性。實驗中通過干板夾使材料的一端保持不動，另外一端通過精密平移臺直接沿著直線方向拉伸材料。當(dāng)采用寬頻光源讀取該體光柵時，伴隨著拉伸的進行，相應(yīng)的材料形變逐步增加。在壓力傳感實驗中，首先給予材料垂直于材料表面的正壓力，然后測試材料在壓縮過程中光柵衍射光譜的移動。

(a)透射式

(b)反射式圖1 透射式與反射式光柵記錄與形變傳感裝置示意圖

全息傳感原理如圖2所示。首先在光致聚合物材料內(nèi)部，依據(jù)雙光束干涉原理記錄一個傾斜的全息體光柵。而后應(yīng)用超連續(xù)譜激光光源(波長范圍400～2 500 nm)嚴格按照記錄光反方向入射，讀取該光柵。通過光纖光譜儀實時探測該光譜，并將其作為初始光譜中心位置。當(dāng)材料處于壓縮狀態(tài)下，形變將導(dǎo)致材料厚度發(fā)生微小形變，并伴隨光柵間距減少。其光柵的Bragg衍射峰值波長將產(chǎn)生顯著藍移，并直至材料達到彈性形變極限。而后進入恢復(fù)過程，隨著施加的壓力逐步減少，材料形變恢復(fù)，光柵衍射光譜峰值位置將隨之發(fā)生紅移并最終返回至初始值。拉伸傳感響應(yīng)過程與壓縮類似，僅僅是材料的受力方向發(fā)生改變，仍然能夠產(chǎn)生相應(yīng)的波長偏移。

圖2 全息傳感器壓縮傳感原理示意圖

2 應(yīng)變傳感響應(yīng)的實驗結(jié)果

2.1 透射式光柵實驗結(jié)果

2.1.1 透射式光柵拉伸形變響應(yīng)

圖3為透射式全息傳感器在外力拉伸形變下的光譜響應(yīng)曲線。圖3(a)為傳感器在單次拉伸過程的衍射光譜三維曲線。圖3(b)為光柵衍射譜峰值波長隨位移的變化。插圖給出了材料拉伸過程，位移表述方式。隨著拉伸形變的增加，衍射譜峰值產(chǎn)生顯著紅移。當(dāng)材料的橫向形變超過8 mm時，峰值波長紅移超過60 nm。在誤差范圍內(nèi)，形變位移與峰值波長間符合線性關(guān)系。該傳感器的線性響應(yīng)區(qū)間約為8 mm，波長移動范圍在632～700 nm內(nèi)。圖3(b)中的實線是線性擬合曲線，光纖光譜儀的誤差為1 nm。線性的峰值波長移動證實，傳感器在形變與位移傳感方面具有較好應(yīng)用能力。

(a)拉伸形變?nèi)S響應(yīng)曲線

(b)峰值波長與拉伸位移關(guān)系曲線圖3 透射式全息傳感器拉伸形變響應(yīng)曲線

2.1.2 拉伸形變過程中的光譜響應(yīng)可逆性

圖4(a)為材料在拉伸過程中的光譜移動曲線。圖4(b)為峰值位置隨拉伸形變位移的變化過程。光譜峰值移動與形變位移間始終保持線性。其波長移動范圍也始終保持在20 nm以上，并具有很好的線性度。這證實了該全息傳感器能夠用于聚合物材料的形變與相應(yīng)的微位移傳感響應(yīng)。圖4(c)為衍射光譜在形變恢復(fù)過程的變化。圖4(d)為峰值波長與形變位移間的線性關(guān)系。拉伸與恢復(fù)過程中線性曲線的斜率數(shù)值相近，這說明該傳感器有著高度的可逆性。衍射譜峰值強度在經(jīng)歷反復(fù)拉伸變化后，仍然保持較高數(shù)值。

(a)拉伸形變?nèi)S響應(yīng)曲線

(b)峰值波長隨形變位移的變化曲線

(c)形變恢復(fù)過程三維響應(yīng)曲線

(d)形變恢復(fù)過程峰值波長隨形變位移的變化曲線

2.1.3 透射式光柵壓縮形變傳感響應(yīng)

圖5為在透射式全息傳感模式下，材料受正向壓力壓縮形變的傳感響應(yīng)與可逆性。圖5(a)表述的是壓縮形變過程中，體光柵衍射光譜峰值位置隨著壓力增加發(fā)生的顯著移動。在實驗儀器誤差范圍內(nèi)，峰值波長呈現(xiàn)顯著的線性藍移特征。這說明隨著壓縮的進行，在彈性限度內(nèi)，材料內(nèi)部的光柵間距發(fā)生降低，從而導(dǎo)致光柵衍射峰值藍移。圖5(b)描述了隨著壓力的逐漸降低，材料形變恢復(fù)過程中光柵衍射光譜峰值位置恢復(fù)過程?？梢钥闯觯謴?fù)過程光柵衍射譜仍然能夠較好地滿足線性關(guān)系。壓縮與恢復(fù)過程的衍射譜藍移的斜率間誤差也很小。這證明了全息傳感器用于壓縮傳感的可逆性，也進一步證明了該傳感器表征聚合物材料的壓縮形變的能力。

2.2 反射式光柵實驗結(jié)果

反射式全息傳感器拉伸形變響應(yīng)如圖6所示。圖6(a)與圖6(b)描述了反射式光柵拉伸與恢復(fù)實驗過程中，衍射光譜響應(yīng)的三維曲線。圖6(c)是提取出的光譜峰值位置與形變位移間的二維曲線?？梢钥闯?，在拉伸與恢復(fù)過程中，反射式光柵的可逆性明顯不如透射式光柵強。光譜并沒有始終保持高度的線性度，而隨著拉伸的進行，光譜峰值位置變化雜亂。光譜的峰值波長移動接近10 nm，對于傳感器響應(yīng)而言，變化相對較弱。另外，峰值波長與形變位移曲線間的斜率也不相同。因此可以說，反射式光柵對于彈性聚合物的形變位移響應(yīng)并不具備很好的可逆性，不適合用于重復(fù)的形變位移傳感實驗。但是對于單次的拉伸形變測量實驗，反射式光柵能夠在mm數(shù)量級上保持一定的線性度，用于應(yīng)變傳感響應(yīng)。

(a)壓縮形變峰值波長與壓力的關(guān)系曲線

(b)壓縮恢復(fù)過程峰值波長與壓力關(guān)系曲線圖5 透射式全息傳感器壓縮形變可逆響應(yīng)曲線

當(dāng)材料受到外部壓力后，將產(chǎn)生垂直于材料表面的微形變，導(dǎo)致材料內(nèi)部的光柵間距改變，衍射光譜峰值波長的顯著偏移。圖7為反射式全息光柵光譜在外部壓力下的偏移過程。圖7(a)為光譜響應(yīng)的三維曲線。圖7(b)為二維曲線。圖7(c)為峰值波長隨外部壓力變化的曲線。隨著壓力增加，光譜峰值產(chǎn)生顯著的藍移。該藍移過程呈現(xiàn)很好的線性偏移趨勢。

當(dāng)釋放外部壓力時，材料由于彈性形變的恢復(fù)作用，光柵衍射光譜隨之產(chǎn)生紅移。最終峰值波長能夠逐步恢復(fù)至初始值。

3 結(jié)論

研制了基于高彈性聚合物的全息傳感器，并對傳感器在拉、壓力作用下的應(yīng)變與相應(yīng)的傳感響應(yīng)進行了表征。通過反射式與透射式光柵記錄裝置獲得衍射光譜偏移曲線，并通過峰值位置的提取，獲得了微位移與光柵衍射光譜間的定量線性關(guān)系。重復(fù)測試結(jié)果證實了透射式光柵全息傳感器的可逆性，而反射式光柵由于重復(fù)拉伸過程并不能很好地恢復(fù)，因此不具備可逆性。

(a)拉伸形變?nèi)S響應(yīng)曲線

(b)形變恢復(fù)過程三維響應(yīng)曲線

(c)峰值波長與形變位移曲線圖6 反射式全息傳感器拉伸形變可逆響應(yīng)曲線

(a)壓縮形變?nèi)S響應(yīng)曲線

(b)壓縮形變二維響應(yīng)曲線

(c)峰值波長與壓力的關(guān)系曲線圖7 反射式全息傳感器壓縮形變的傳感響應(yīng)曲線