光纖傳感器的制作與定位安裝

摘要：為了對光纖布拉格光柵（FBG）進行增敏保護。本研究采用化學鍍電鍍方法對FBG進行金屬化保護增敏，使得光纖光柵表面附著鎳層，達到對FBG增敏和保護的目的，再進行溫度傳感試驗。另外通過電鍍銅在T2基板表面成功地安裝了鍍銅保護的FBG，并系統研究了電鍍法定位安裝光纖光柵的接頭連接質量、溫度和應變傳感特性結果表明：化學鍍后電鍍鎳的FBG溫度靈敏度達到了19.22pm/℃，鎳鍍層的存在除了起到保護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合緊密。接頭的強度高于單獨鍍銅FBG，鍍銅定位安裝的FBG的拉伸強度是單獨鍍銅FBG的兩倍，能夠滿足工程應用的基本要求。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具有溫度和應變傳感靈敏度高、接頭質量可靠、殘余應力小和安裝方便等優點，具有很強的實用性。

關鍵詞：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 文獻標識碼：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、抗腐蝕性強和抗干擾能力強，可實現分布式的測量，易于精細化的特點，被廣泛應用在光纖通訊行業^[1]。加之其優良的傳感性能，因此在光纖傳感和光通信領域有著巨大的應用前景^[2]。開發適合航天發動機的傳感器，需要在在極端惡劣的條件中進行傳感實驗。試驗環境溫度和壓力可能達到上千攝氏度和上萬個大氣壓^[3，4]。在高溫高壓等惡劣環境中進行傳感時，保護光纖不受損害是封裝技術的關鍵。能否將光纖光柵傳感器安全可靠地安裝到工程結構中，而不破壞其固有的傳感性能，是發展光纖光柵傳感技術的關鍵。同時柵區是傳感的核心部位，也是最薄弱的區域，因此有必要對其進行保護^[5，6]。

綜上所述，我們需要考慮實際環境，在保證傳感器穩定服役的同時提高光纖光柵對外界環境的靈敏度^{[7， 8]}。因此，為了在工程基體結構上更好地安裝光纖光柵傳感器，本文對光纖光柵進行了表面鍍鎳保護，研究了金屬鍍鎳層保護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進行定位安裝。

1實驗材料和方法

1.1光纖光柵的表面鍍鎳及傳感特性研究

1.1.1光纖表面化學鍍預處理工藝

在進行化學鍍之前，將FBG去除保護套，然后超聲清洗5 min。之后進行敏化處理，敏化作用是利用化學反應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生水解反應形成二價亞錫物質。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，在以金屬鈀為催化中心的光纖表面形成反應點，有利于還原劑的化學鍍自催化反應。

1.1.2光纖表面化學鍍工藝

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。化學鍍持續時間為2小時，之后放入蒸餾水后進行超聲波清洗，再將其烘干。化學鍍鎳工藝如表1所示。

1.1.3光纖表面電鍍工藝

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

采用水浴加熱法測試了光纖光柵的溫度傳感特性。對化學鍍鎳和電鍍鎳的FBG進行了溫度傳感測試，并用裸光柵進行了溫度標定和對比試驗。分別監測了水溫由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

采用先化學鍍后電鍍在光纖光柵表面鍍上銅金屬層，同時制備好T2純銅基體板。然后將FBG置于事先準備的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電鍍安裝連接強度分析

將定位安裝后的FBG/T2體系制成拉伸試樣，對接頭強度進行了研究。采用CTM2500萬能試驗機對接頭試樣進行拉剪試驗。以三個不同的拉伸速率進行實驗，拉伸示意圖如圖3。

1.2.3電鍍安裝FBG結構的溫度、應變傳感特性

應變傳感試驗在萬能試驗機下進行，通過控制拉伸長度來達到改變應變的目的，同時記錄光纖光柵中心波長變化，實現應變傳感的實時測量。

2結果與分析

2.1光纖光柵的表面鍍鎳及傳感特性研究

圖4是FBG經過化學鍍和復合鍍鎳后的外觀圖。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、化學鍍鎳層和電鍍鎳層三者結合非常緊密，化學鍍鎳層與電鍍鎳層沒有明顯的分界線。

將實驗數據進行處理，然后用origin8進行繪圖和數據擬合，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。對應溫度靈敏度分別為19.22pm/℃、19.14 pm/℃、9.93 pm/℃，金屬化保護的靈敏度約為一般裸光柵的2.4倍。因此，金屬化保護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，FBG與T2基體形成了系統，得到FBG與基體的結合區域為20.45μm。金屬鍍層均勻，且與光纖光柵以及金屬鍍層、基體三者之間結合緊密。

2.2.2電鍍安裝連接強度分析

通過拉剪試驗發現電鍍安裝的接合區域完整，都斷在金屬化后的光纖上。由圖8可知，結合區域的強度明顯高于表面鍍銅FBG的接頭強度，大約是兩倍強度。因此，光纖光柵表面的金屬鍍層提高抗拉強度，并且電鍍法定位安裝的鍍銅FBG系統強度較高，能夠滿足在工程使用的基本要求。

2.2.3電鍍安裝FBG結構的溫度、應變傳感特性

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/℃，遠遠高于裸光纖光柵。進行應變傳感實驗，根據公式計算拉伸所產生的應變，得到應變與FBG中心波長變化之間的關系。如圖9右所示，應變傳感的方程為y=1535.918+4.998 × 10^-6x，裸光纖光柵應變傳感的能力非常弱，而電鍍安裝FBG的應變靈敏度為4.998 × 10³pm/με，遠高于裸光柵。

3結論與展望

FBG先化學鍍后電鍍鎳保護后的金屬外層結構致密，圓柱度良好，結合良好。溫度靈敏度達到了19.22pm/℃，鎳鍍層的存在除了起到保護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表面和基體結合緊密均勻。接頭的拉伸強度是單獨鍍銅FBG的兩倍。因此，電鍍法定位安裝的光纖的強度較高，能夠滿足工程應用的基本要求。同時溫度靈敏度提高到30.6 pm，是裸光柵的三倍。應變靈敏度高達到4.998×10³ pm/με。因此電鍍安裝的FBG具有溫度和應變傳感靈敏度高、接頭質量可靠、殘余應力小和安裝方便等優點，具有很強的實用性。

光纖光柵傳感器由于所具備的多個優點，得到了廣泛的應用和研究。本課題的研究仍然需要進一步研究：不同金屬保護可能有不同的效果;其次需要對光纖光柵在高溫和低溫下的溫度和傳感進行研究;最后需要結合實際情況，同時考慮溫度和應變傳感特性，或者是考慮多種環境因素，但要注意考慮補償交叉傳感所帶來的光譜變化等。

參考文獻

• 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.鎳金屬保護光纖布拉格光柵的熱處理及高溫傳感[J].光學精密工程，2011，19（9）：2006-2013.
• 彭剛，張華，李玉龍，等.光纖Bragg光柵傳感器化學鍍銅研究[J].材料導報，2008，22（9）： 77-79.
• 陶亮，孫同景，短彬，等.基于粗集的焊接質量級別智能決策[J].焊接學報，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。