镍金属保护光纤布拉格光栅的热处理及高温传感

为了改善镍保护后光纤布拉格光栅(FBG)的高温传感性能,即降低其回程误差,减少其升温与降温灵敏度的差异,本文研究了产生这些现象的原因,认为其主要源于化学镀结合电镀镍过程中的残余应力。讨论了残余应力产生的机理,提出了适用于镍金属保护FBG的热处理方法。三次将金属镍保护后的FBG放置在120℃恒温炉中保温8h后随炉冷却,对热处理前后的镍保护布拉格光纤光栅进行100～300℃的循环温度传感对照实验。结果显示:热处理前回程误差为6.64%,升温与降温灵敏度有较显著差异,且放置半个月后再次进行传感实验其特性也没有改善;热处理后,回程误差降到3.62%,升温灵敏度为22.84pm/℃,降温灵敏度为22.76pm/℃。实验表明,经适当热处理后的镍保护布拉格光纤光栅的实际工作温度可扩展到300℃,且具有较高的传感精度。

化学镀Ni-P光纤布拉格光栅的均匀轴向拉力响应

研究了化学镀Ni-P涂敷后光纤布拉格光栅(ENFBG)的均匀轴向拉力响应特性。利用其轴对称特性,分析了光栅的应力及应变状态;采用有限元方法数值分析了光栅应变,并实验验证了数值分析结果。数值分析表明:处于纤芯处的光栅被均匀拉伸,剪应变远小于正应变,可忽略;正应变与轴向拉力成正比,ENFBG中心波长的变化正比于均匀轴向拉力变化;但由于化学镀层与光纤力学特性的差异,镀层对FBG轴向均匀拉力响应起去敏作用。当化学镀层厚度为7.25μm时,ENFBG的均匀轴向拉力实测灵敏度为12.45pm/MPa,相关系数为0.999 6,理论计算值为12.744pm/MPa,但随着镀层厚度的增加,灵敏度呈下降趋势。镀层在为FBG提供良好保护的同时,ENFBG中心波长对于轴向拉力保持线性响应。实验显示ENFBG是性能良好的轴向拉力传感器。

光纤布拉格光栅金属化保护中的应力

在用化学镀结合电镀方法对光纤布拉格光栅(FBG)进行金属化保护的过程中产生的应力直接影响到金属化FBG(MFBG)的传感精度。为此,基于应力产生的机制,对应力作用下化学镀和电镀过程中FBG的谐振谱变化进行了分析。实验发现化学镀后FBG谐振谱出现了较大的谱带展宽与峰值损耗减少。对化学镀产生的应力进行了理论及数值分析,结果显示热应力在FBG内部产生了扰动。通过延长化学镀后冷却时间的方法减少热应力,并通过充分搅拌化学镀液的方法减少应力的不均匀性,优化后的化学镀应力对FBG的影响很小。其后的电镀实验显示电镀过程是产生应力的主要原因。通过稳定较高的电镀温度、充分搅拌及采用双电极的方法达到了尽可能减少电镀过程应力对FBG频谱影响的目的。对优化化学镀和电镀条件后制成的MFBG进行温度传感实验表明,其回程误差小于已有的报道。

埋入式光纤智能金属结构研究进展

介绍了埋入式光纤智能金属结构研究遵循的步骤,即光纤传感器的金属化保护、保护后及埋入后传感器的特性、埋入宿主金属及埋入方法的研究。为减少保护过程中热应力对光纤传感性能的影响,主要采用常温下进行的化学镀结合电镀方法进行光纤金属化保护;而选择适当的涂层厚度、杨氏模量、热膨胀系数、泊松比可使热应力最小化;金属层对光纤传感器可起到明显的保护作用,并能增强其可焊性;金属化保护后及埋入后的光纤传感器均能保持良好的传感的特性。但目前所使用的光纤传感器大都集中在热稳定性较差的布拉格光纤光栅上,埋入的宿主金属及埋入方法都受到了限制,因此,突破瓶颈的关键在于找到适合于埋入恶劣环境的光纤传感器。