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]。這是由于載氫過程和機(jī)械或化學(xué)剝纖會(huì)對光纖（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。根據(jù)布拉格定律，布拉格反射波長（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波長的移動(dòng)（Δλ）同時(shí)對應(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)長度為5 mm，剝纖長度為8 mm）拉直，通過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)過程），高溫?zé)崽幚磉^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 傳感器的制作過程

3 PI薄片涂覆前后，F(xiàn)BG傳感器前后光學(xué)特性對比

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比，如圖3?？梢钥闯鯬I 薄片涂覆后，邊模抑制比從原來的18.25 dB 減小至16.85 dB；而FBG 傳感器的中心波長和3 dB 帶寬分別從原來的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，單軸拉力測試實(shí)驗(yàn)，測試實(shí)驗(yàn)裝置和測試結(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 傳感器通過兩個(gè)絞盤垂直固定在萬能試驗(yàn)機(jī)上。圖4b 和4c 為拉力測試結(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（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（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)度的對比，我們借助旋轉(zhuǎn)型光纖拉力測試機(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。可以看出，PI 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)對比結(jié)果

6 結(jié)論

本文對比了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)用場合具有明顯優(yōu)勢。