光纤传感器的制作与定位安装

摘要：为了对光纤布拉格光栅（FBG）进行增敏保护。本研究采用化学镀电镀方法对FBG进行金属化保护增敏，使得光纤光栅表面附着镍层，达到对FBG增敏和保护的目的，再进行温度传感试验。另外通过电镀铜在T2基板表面成功地安装了镀铜保护的FBG，并系统研究了电镀法定位安装光纤光栅的接头连接质量、温度和应变传感特性结果表明：化学镀后电镀镍的FBG温度灵敏度达到了19.22pm/℃，镍镀层的存在除了起到保护作用外还明显提高了温度灵敏度。金属镀层与镀镍FBG表面以及基体三者之间结合紧密。接头的强度高于单独镀铜FBG，镀铜定位安装的FBG的拉伸强度是单独镀铜FBG的两倍，能够满足工程应用的基本要求。电镀法制备的FBG的温度灵敏度提高到30.6 pm/℃，是裸光栅的三倍。因此电镀安装的FBG具有温度和应变传感灵敏度高、接头质量可靠、残余应力小和安装方便等优点，具有很强的实用性。

关键词：光纤布拉格光栅;表面镀镍;温度灵敏度;传感器

中图分类号：TP212 文献标识码：A  文章编号：1671-2064（2019）17-0000-00

0 前言

由于FBG传感器具有尺寸小、损耗低、抗腐蚀性强和抗干扰能力强，可实现分布式的测量，易于精细化的特点，被广泛应用在光纤通讯行业^[1]。加之其优良的传感性能，因此在光纤传感和光通信领域有着巨大的应用前景^[2]。开发适合航天发动机的传感器，需要在在极端恶劣的条件中进行传感实验。试验环境温度和压力可能达到上千摄氏度和上万个大气壓^[3，4]。在高温高压等恶劣环境中进行传感时，保护光纤不受损害是封装技术的关键。能否将光纤光栅传感器安全可靠地安装到工程结构中，而不破坏其固有的传感性能，是发展光纤光栅传感技术的关键。同时栅区是传感的核心部位，也是最薄弱的区域，因此有必要对其进行保护^[5，6]。

综上所述，我们需要考虑实际环境，在保证传感器稳定服役的同时提高光纤光栅对外界环境的灵敏度^{[7， 8]}。因此，为了在工程基体结构上更好地安装光纤光栅传感器，本文对光纤光栅进行了表面镀镍保护，研究了金属镀镍层保护后光纤光栅的温度传感特性。并采用电镀方法将表面镀铜FBG定位安装在金属基体表面，在常温下对FBG进行定位安装。

1实验材料和方法

1.1光纤光栅的表面镀镍及传感特性研究

1.1.1光纤表面化学镀预处理工艺

在进行化学镀之前，将FBG去除保护套，然后超声清洗5 min。之后进行敏化处理，敏化作用是利用化学反应在光纤表面生成一小薄层具有催化活性的金属。首先将光纤浸没在配置好的氯化锡溶液中，光纤表面的亚锡离子发生水解反应形成二价亚锡物质。敏化之后需要活化处理，使光纤表面附着的Sn²⁺还原出金属钯单质，在以金属钯为催化中心的光纤表面形成反应点，有利于还原剂的化学镀自催化反应。

1.1.2光纤表面化学镀工艺

以氨基磺酸镍作为主盐，还原剂为次亚磷酸钠（NaH₂PO₂）。化学镀原理是次亚磷酸钠将溶液中的镍离子还原为金属镍单质附着在基体表面，即将光纤光栅表面均匀覆盖镍金属层。化学镀持续时间为2小时，之后放入蒸馏水后进行超声波清洗，再将其烘干。化学镀镍工艺如表1所示。

1.1.3光纤表面电镀工艺

化学镀镍光纤浸在镀镍液中，化学镀镍光纤作阴极，金属镍板作阳极，采用直流电源进行电镀，金属镍沉积在化学镀光纤表面。电镀工艺如表2所示，电镀试验装置如图1所示。

采用水浴加热法测试了光纤光栅的温度传感特性。对化学镀镍和电镀镍的FBG进行了温度传感测试，并用裸光栅进行了温度标定和对比试验。分别监测了水温由20℃到80℃之间的升降温过程中FBG中心波长变化情况，每隔5℃记录一次。

1.2表面镀铜FBG定位安装及传感性能研究

1.2.1电镀法定位安装

采用先化学镀后电镀在光纤光栅表面镀上铜金属层，同时制备好T2纯铜基体板。然后将FBG置于事先准备的T2基体上，采用电镀将金属沉积在FBG与T2基板接触的位置，使FBG安装在T2纯铜基体上。将电镀铜后的FBG和基体分别固定在电镀系统的阴阳两极。电镀装置示意图如图2所示。

1.2.2电镀安装连接强度分析

将定位安装后的FBG/T2体系制成拉伸试样，对接头强度进行了研究。采用CTM2500万能试验机对接头试样进行拉剪试验。以三个不同的拉伸速率进行实验，拉伸示意图如图3。

1.2.3电镀安装FBG结构的温度、应变传感特性

应变传感试验在万能试验机下进行，通过控制拉伸长度来达到改变应变的目的，同时记录光纤光栅中心波长变化，实现应变传感的实时测量。

2结果与分析

2.1光纤光栅的表面镀镍及传感特性研究

图4是FBG经过化学镀和复合镀镍后的外观图。由图可知，光纤光栅表面完全被金属镍覆盖，镀层均匀致密，镀层质量较好。电镀镍后的得到了表面光亮、圆滑且分布均匀的金属化FBG。由图5可知光纤、化学镀镍层和电镀镍层三者结合非常紧密，化学镀镍层与电镀镍层没有明显的分界线。

将实验数据进行处理，然后用origin8进行绘图和数据拟合，如图6所示。镀镍FBG的温度传感特性方程分别为：升温过程为y1=1535.986+0.01922x，降温过程为y2=1535.939+0.01914x。裸光栅为y3=1536.263+0.00995x。對应温度灵敏度分别为19.22pm/℃、19.14 pm/℃、9.93 pm/℃，金属化保护的灵敏度约为一般裸光栅的2.4倍。因此，金属化保护的光纤光栅的温度灵敏度得到了提升，金属化是可靠的。

2.2表面镀镍FBG定位安装及传感性能研究

2.2.1 表面镀镍FBG定位安装

如图7所示，FBG与T2基体形成了系统，得到FBG与基体的结合区域为20.45μm。金属镀层均匀，且与光纤光栅以及金属镀层、基体三者之间结合紧密。

2.2.2电镀安装连接强度分析

通过拉剪试验发现电镀安装的接合区域完整，都断在金属化后的光纤上。由图8可知，结合区域的强度明显高于表面镀铜FBG的接头强度，大约是两倍强度。因此，光纤光栅表面的金属镀层提高抗拉强度，并且电镀法定位安装的镀铜FBG系统强度较高，能够满足在工程使用的基本要求。

2.2.3电镀安装FBG结构的温度、应变传感特性

如图9左所示，升降温过程其温度传感方程以及裸光纤传感方程分别为：升温为λ_B=1536.531+0.0305T，降温为λ_B=1536.531+0.0307T，裸光纤为：λ_B=1536.262+0.0099T。升降温过程的平均灵敏度为30.6 pm/℃，远远高于裸光纤光栅。进行应变传感实验，根据公式计算拉伸所产生的应变，得到应变与FBG中心波长变化之间的关系。如图9右所示，应变传感的方程为y=1535.918+4.998 × 10^-6x，裸光纤光栅应变传感的能力非常弱，而电镀安装FBG的应变灵敏度为4.998 × 10³pm/με，远高于裸光栅。

3结论与展望

FBG先化学镀后电镀镍保护后的金属外层结构致密，圆柱度良好，结合良好。温度灵敏度达到了19.22pm/℃，镍镀层的存在除了起到保护作用外还明显提高了温度灵敏度。

通过电镀铜在T2基板上安装了镀铜FBG。金属镀层与镀镍FBG表面和基体结合紧密均匀。接头的拉伸强度是单独镀铜FBG的两倍。因此，电镀法定位安装的光纤的强度较高，能够满足工程应用的基本要求。同时温度灵敏度提高到30.6 pm，是裸光栅的三倍。应变灵敏度高达到4.998×10³ pm/με。因此电镀安装的FBG具有温度和应变传感灵敏度高、接头质量可靠、残余应力小和安装方便等优点，具有很强的实用性。

光纤光栅传感器由于所具备的多个优点，得到了广泛的应用和研究。本课题的研究仍然需要进一步研究：不同金属保护可能有不同的效果;其次需要对光纤光栅在高温和低温下的温度和传感进行研究;最后需要结合实际情况，同时考虑温度和应变传感特性，或者是考虑多种环境因素，但要注意考虑补偿交叉传感所带来的光谱变化等。

参考文献

• 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.
• 谢剑锋，张华，张国平，等.封装材料性能对光纤布拉格光栅温度灵敏度影响分析[J].光电子·激光，2008，19（9）：1158-1162.
• 张燕君，王海宝，陈泽贵，等.光纤光栅毛细钢管封装工艺及其传感特性研究[J].激光与红外，2009，39（1）：53-55.
• 饶春芳，张华，冯艳，等.镍金属保护光纤布拉格光栅的热处理及高温传感[J].光学精密工程，2011，19（9）：2006-2013.
• 彭刚，张华，李玉龙，等.光纤Bragg光栅传感器化学镀铜研究[J].材料导报，2008，22（9）： 77-79.
• 陶亮，孙同景，短彬，等.基于粗集的焊接质量级别智能决策[J].焊接学报，2013，34（7）：29-32.
  • 郭明金，姜德生，袁宏才.两种封装的光纤光 栅温度传感器的低温特性[J].光学精密工程， 2007，15（3）：326-330.

收稿日期：2019-07-15

作者简介：张津菁（2002—），女，河北唐山人，研究方向：物理学。