利用光纤马赫曾德干涉仪对金属腐蚀速率进行测量

刘晓颀，高 艺 ，刘海锋，张 勃，刘 波

(1.南开大学 电光学院，天津 300071；2.南开大学 科学技术研究部，天津 300071)

金属腐蚀速率是金属材料的一种重要参数，是金属材料保存和应用的一项性能指标，具有重要的实际意义[1]. 目前对金属腐蚀的测量主要分为直接法和间接法：直接法是将被测金属材料涂覆在光纤传感结构表面进行测量[2,3]，由于需要对器件进行涂覆，在操作上较为复杂，很难在课堂上完成；间接法是测量金属周围湿度的变化或材料角度变化等外部因素来感测金属材料腐蚀程度[4,5]，容易受周围环境变化影响，且测量时间较长，不适合课堂教学.

本文提出利用自主设计的光纤MZ干涉仪对金属腐蚀溶液中成分的变化进行感知，并利用电化学方法加速化学反应，一方面可以自行设计光纤传感器结构测量溶液组分变化，提升实验的自创性与准确性；另一方面，采用电化学的方法加速腐蚀过程，可以在有限的课堂时间内对多种金属进行测量. 本实验可以作为金属线胀系数实验的延伸实验或创新设计实验[6].

1 实验原理

1.1 MZ干涉仪工作原理

本文所采用的MZ传感器结构如图1所示，整体结构采用商用光纤错位熔接制成，纤芯直径为8.2 μm，光纤外径为125 μm. 在三根单模光纤横截面，进行两两错位熔接，利用所形成的U形腔作为传感区域，实现高度灵敏度传感. 由于在结构设计上只在X方向存在错位，而在Y方向上无错位，因而在Y方向上，整个结构与一根光纤形状相同.

图1 错位光纤MZ干涉仪结构原理

当一束光波经过MZ干涉仪时，被分光器分成两束频率、振动方向均相同的光. 这两束光分别进入MZ干涉仪的两臂，在传输过程中因外界因素，如距离、折射率变化等因素而产生相位差，当两束光再汇合时，发生干涉，形成干涉条纹,发生干涉后的光强可以表示为[7]

(1)

其中I1、I2分别为两束光的光强，δ为两束光的相位差，可以表示为

δ=2πΔneffL/λ

(2)

Δneff是两束光之间的等效折射率之差，L是MZ干涉仪的有效传感长度，第m阶次的干涉波长位置可以表示为

λm=2ΔneffL/(2m+1)

(3)

外界环境导致的折射率变化，在光谱上反应为该阶次干涉波长位置的变化. 可以看出，在光谱上读出干涉波长位置的变化就相应得到等效折射率的变化，从而感测周围环境的变化. 由于L的长度保持不变，将式(3)进行求导可以得到

(4)

其中，dλm是波长的移动量，dΔneff表示Δneff的变化量，因而，第m级条纹位置的变化可以等同于外部折射率的变化[9]. 同时，由公式(4)可知，单位时间内外部等效折射率的变化快慢与波长的变化成正比关系，且根据所得到的公式可知，测量的适用范围应不超过条纹间的自由光谱范围，即折射率的变化量不超过两级条纹间的距离.

2 实验装置

2.1 实验器材

本文采用的实验仪器和元件有：光源(宽带光源)、光谱仪(Yokogawa AQ6370C, 波长范围 600 ～1700 nm)、光纤三维调节架、光纤(SMF-28e, Corning Inc., USA)、光纤熔接机轮及固定架、砝码、9 V电池、电极、金属片、反应槽、氯化钠溶液、去离子水、毛细管以及温控系统等.

2.2 光纤MZ干涉仪的制备

三段光纤切割并清洁表面后依次错位熔接，每次错位量尽量保证是光纤端面宽度的一半，以形成U型槽传感区域. 在熔接过程中注意光纤不要沿轴向方向上发生扭转，即在Y方向上无错位，进而保证熔接后的MZ干涉仪在Y方向上保证整根光纤的完整程度，增加光纤整体结构的坚固性. 制作熔接好的MZ光纤干涉仪如图2所示，在显微镜下测定U型槽尺寸.

图2 错位光纤MZ干涉仪结构显微镜图

3 实验步骤及数据测量

3.1 标定实验

将MZ干涉仪整体置于毛细管内，毛细管内部充盈去离子水，利用温控系统对毛细管进行加温，将MZ干涉仪的两端分别与光源和光谱仪相连接. MZ干涉仪的一端用三维调节架固定，另一端通过三维调节架沟槽，置于滑轮上并在光纤尾端坠上砝码，从而确保整个结构处于绷直状态，减少弯曲对传感灵敏度的影响. 其装置如图3(a)所示.

图3 光纤MZ干涉仪定标装置与实验结果

通过光纤错位MZ干涉仪对去离子水温度变化所引起折射率变化的响应，对干涉仪进行定标，确定其灵敏度. 干涉仪光谱随温度变化的光谱如图3(b)所示，可以看出，输出光谱在1525～1600 nm波段内出现了多个干涉条纹，每个干涉条纹的位置可以根据公式(3)计算得出. 由公式(3)可知，对于确定的干涉仪，其有效传感长度L也相应固定，从而其干涉峰位置随该波长下的Δneff，即两束光之间的等效折射率之差的变化而变化. 当外界温度为32 ℃时，水的折射率近似为1.33，峰A峰值位置为1538 nm，传感距离为1072 μm，根据公式(3)计算可得，峰A近似为第83级条纹. 当对去离子水加温时，其等效折射率变化为-8.0×10-5K-1[8]，Δneff随之变化，从而导致光谱的整体移动，且随着外界等效折射率变小，光谱整体向长波方向移动. 在光谱上，对峰A峰值进行读取，得到的数据如表1所示.

表1 去离子水中的出射光谱峰位置变化

利用最小二乘法进行线性拟合，得到错位光纤MZ干涉仪的灵敏度为-14864 nm/RIU (RIU：Refractive index unit,)，如图3(c)所示.

3.2 金属腐蚀速率测定实验

金属腐蚀速率测定的实验步骤如下：

1) 佩戴所用光源波段护目镜，保证仪器安全及有接地措施的情况下，打开光源的电源开关和光谱仪，进行预热.

2) 将MZ错位光纤干涉仪的传感区域，即U型槽部分置于反应槽光纤放置区域内，调节夹持光纤两端的调节架，使光纤整体结构保持水平；在光纤尾端加坠砝码使整个光纤结构保持拉直.

3) 清洗腐蚀反应槽.

4) 将被测金属材料清洗后，置于槽内金属放置区域.

5) 配置确定浓度的NaCl溶液(如0.5wt%)，利用滴管或是注射器，在反应槽内加入溶液.

6) 将电源正极接金属，负极接入NaCl溶液，打开光源启动开关，每隔15 s记录光谱数据.

7) 读取光谱数据，利用定标实验中的灵敏度数值计算腐蚀速率.

测量金属腐蚀的装置设备如图4所示，金属腐蚀前后，表面结构如图5(a)所示，腐蚀后的光谱和腐蚀速率如图5(b)、5(c)所示，数据结果如表2所示.

表2 去离子水中的出射光谱峰位置变化

图4 测量金属腐蚀装置图

图5 金属腐蚀实验结果

不同于图3(b)中输出光谱条纹移动是由于去离子水折射率随温度变化，图5(b)中条纹的移动是由于腐蚀液，即NaCl溶液中，由于腐蚀过程中产生了新的化学组分导致了折射率发生变化，但两者的移动均是由公式(3)中Δneff变化引起的. 而且由公式(4)可知，单位时间内条纹位置移动的距离与折射率变化量有关，折射率变化越快，单位时间内条纹移动的距离越大，且由条纹是往短波方向移动可知，腐蚀液中由于物质变化其等效折射率是在逐渐变大.

从图5(b)可以看出峰的位置随时间变化，即随着腐蚀时间的延长，峰位置向短波移动，可以读出峰移动的最大速度的最大值为-9.32×10-2nm/s，再根据错位MZ干涉仪灵敏度为-14864 nm/RIU，可以计算得到腐蚀过程中，腐蚀液折射率变化量最大为6.27×10-6RIU/s,产生的光谱峰值最大变化量为-3.93×10-2dB/s. 根据图5(c)可以读出腐蚀峰位置随时间的变化关系，利用错位MZ干涉仪灵敏度，可以计算不同腐蚀进程中的腐蚀速度.

4 结束语

金属线胀系数的测定是大学物理实验课程中一个必做实验，但原理和操作方法相对简单，实验结果中误差较多，很难满足实验课的需要和学生能力培养预期. 本文提出利用简易MZ光纤干涉仪对金属腐蚀过程进行监测，具有实际应用价值，而且利用干涉仪高灵敏度对实验进行精确分析，锻炼同学们对精细实验的操作与把控能力，加深对干涉仪原理的了解；同时，同学们可以自行设计传感器，提升实验自主设计性，培养整体实验系统的构建能力.