化学镀Ni－Zn－P FBG及其温度传感特性

李玉龙，吕明阳，赵 诚

(南昌大学机电工程学院机器人及焊接自动化重点实验室，江西南昌330031)

1 引言

智能材料结构是指将传感元件、驱动元件以及有关的信号处理和控制电路集成在基体材料结构中，使其不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能。光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、结构简单、耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，对于智能材料结构的实现具有重要意义。采用化学镀和电镀的方法将光纤光栅金属化，嵌入金属基体材料和结构中可制成不仅具有承受载荷能力，而且具有识别、分析、处理结构内部温度应力等多种功能的光纤光栅智能金属结构。

金属化的光纤光栅不但具有温度、压力等传感性能和耐高温、耐腐蚀等特点，而且还具备可焊接性。目前光纤光栅已经有化学镀Ni-P、Cu等研究报道［1－3］，取得较好的效果。在化学镀Ni-P二元合金的镀液中加入适量的锌盐，可得到含锌质量分数6% ～15%的Ni-Zn-P三元合金镀层，Ni-Zn-P镀层用于石油化工中一些容器内表面的耐腐层和海洋腐蚀环境中设备的保护。将Ni-Zn-P镀层用于光纤光栅的金属化以期获得对光纤光栅增敏的同时提供更好的耐蚀、耐磨、焊接性的镀层［4－6］。本文采用化学镀Ni-Zn-P的工艺对光纤光栅进行了金属化，并对镀后的光纤光栅温度传感特性进行了检测。

2 试验设备、材料及方法

2.1 光纤光栅化学镀Ni-Zn-P

2.1.1 光纤光栅的预处理

光纤为非金属，为了在光纤上获得良好的镀层应进行预处理。经过去保护层、除油、敏化活化预处理后的光纤光栅表面会附着一层具有催化活性的金属薄层，从而使化学镀能够在光纤光栅表面上顺利进行。

2.1.2 光栅的化学镀

配置化学镀液，化学镀液配方如下［7］:硫酸镍27g/L，硫酸锌4g/L，次亚磷酸钠 32g/L，柠檬酸钠59g/L，硫酸铵25g/L，乳酸10g/L，氢氧化钠调节PH值为9。将配好的化学镀液和预处理后的光纤光栅放入试管并在(85±1)℃的水浴中保温施镀，施镀时间超过1.5 h镀液会发生分解。因此，为确保化学镀顺利进行并确保镀液的稳定要至少每隔1 h更换一次镀液。

2.2 金属化光纤光栅温度传感性能的测试

将金属化的光纤光栅连接光纤光栅网络分析仪进行温度—波长试验。为减小在加热过程中恒温水箱内水的热对流对光纤光栅的影响，水箱内放置容积为500 mL的烧杯并注满去离子水，水箱内水的温度在25～80℃范围内变化。将化学镀的光栅放入烧杯中的去离子水中，分别记录升温过程和降温过程中30～70℃每2～4℃温度变化对应的光栅波长。通过检测镀后光纤光栅的在温度变化过程中波长的漂移分析确定光纤光栅的温度传感性能。每测量一次升温降温后化学镀Ni-Zn-P的光纤光栅静置24 h，然后重复测量。

3 试验结果和讨论

3.1 化学镀Ni-Zn-P

本试验中经过3 h的化学镀并随水浴自然冷却，化学镀Ni-Zn-P光纤表面呈金属光泽，图1为体视显微镜拍摄的化学镀光纤和裸光纤表面，根据裸光栅直径125 μm可计算出化学镀光纤直径为147 μm，金属层厚度11 μm。图2为光学金相显微镜拍摄的光纤剖面。通过XRD和EDS对Ni-Zn-P镀层分析确认镀层中主要成分是含Zn 6.32 wt%，含P 10.81 wt% 余量为Ni的非晶态三元合金［7］。对金属化的光纤进行超声波震动清洗3 min无脱落现象，且用Agilent U1253B数字万用表检测具有良好的导电性，化学镀Ni-Zn-P光纤光栅可进行进一步的电镀。

图1 化学镀Ni-Zn-P光纤和裸光纤表面

图2 化学镀Ni-Zn-P光纤剖面

3.2 化学镀Ni-Zn-P光纤光栅传感性能

经过化学镀金属化的光栅的传感性能会发生改变，改变的程度与镀层材料的性质有关。根据对化学镀Ni-Zn-P光栅的温度传感性能测试数据，分析镀后光纤光栅传感的灵敏度及灵敏度的稳定性，升温降温传感的迟滞误差以及常温下中心波长的稳定性。

3.2.1 裸光栅温度传感性能

所采用光纤光栅的室温标准中心波长为1540 nm。图3为裸光栅升温降温的温度灵敏度测试，升温拟合直线Y=1539.71314+0.01021X，降温拟合直线Y=1539.71427+0.01015X，拟合度0.999以上。即裸光栅的升温降温灵敏度为10.21 pm/℃和10.15 pm/℃。

图3 裸光栅升温降温温度－中心波长试验

3.2.2 化学镀光栅温度传感灵敏度

光栅镀层厚度为11 μm，每隔24h测试温度传感灵敏度共测试3次，如图4所示。对各组数据进行线性拟合:

第一次升温降温如图4(a)所示:

Y=1539.66675+0.01146X，Y=1539.60295+0.01175X

第二次升温降温如图4(b)所示:

Y=1539.66895+0.01109X，Y=1539.61982+0.01156X

第三次升温降温如图4(c)所示:

Y=1539.63273+0.01135X，Y=1539.60618+0.01157X

线性拟合度均达到0.999以上。第一次升温降温灵敏度为 11.46 pm/℃、11.75 pm/℃，第二次为11.09 pm/℃、11.56 pm/℃，第三次为 11.35 pm/℃、11.57 pm/℃。通过测试化学镀Ni-Zn-P的光栅温度传感灵敏度与裸光栅相比有明显提高，镀后光栅的升温灵敏度平均为11.30 pm/℃，是裸光栅的1.11倍。降温灵敏度平均为11.63 pm/℃，是裸光栅的1.15倍。

在本试验中升温和降温的环境在水浴中25～80℃温度连续变化范围内，排除高温水浴内水热对流和温度急剧变化产生的热应力影响［8］，记录30～70℃温度稳定变化的波长数据。依据金属化保护的光纤布拉格光栅温度传感模型［9］，化学镀后光栅的温度灵敏度只与光栅和镀层材料本身性能(弹性模量、泊松比、热膨胀系数)，以及镀层材料的厚度有关，温度传感性能在热应力作用下仍保持线性关系。因此化学镀Ni-Zn-P后的光栅随放置时间的延长温度传感灵敏度基本不变，温度传感灵敏度具有良好的稳定性，与理论结果相符。

图4 化学镀Ni-Zn-P光纤光栅温度传感测试

3.2.3 化学镀光纤光栅波长的稳定性

化学镀光纤光栅的迟滞误差表现为30～70℃温度范围内，升温过程中温度对应的波长与降温过程中相同温度对应的波长不一致。根据FBG传感器迟滞误差计算方法［10］:

式中，ΔHmax为正反行程间的最大差值，yFS为满量程量。

图4的三次升温降温试验，迟滞误差分别为5.79%、3.43%、2.24%，最大正反行程差转换成温度约为4.68℃、2.76℃、1.82℃。化学镀后光纤光栅随着放置时间的增加迟滞误差逐渐减小。同时三次的升温测试中相同温度对应的波长不一致，三次的降温测试同温度对应的波长也不一致。这是因为残余应力使化学镀光栅产生迟滞误差［8］，随放置时间的推移镀层产生蠕变和时效现象，残余应力释放，迟滞误差减小;化学镀后由施镀温(85℃)度降到室温(25℃)因镀层金属与光栅的热膨胀系数不同而产生的热应力使光栅的中心波长蓝移［11］，随应力的缓慢释放光栅中心波长红移，室温下中心波长不稳定。残余应力的来源除镀层与光栅热膨胀系数不同产生的热应力外还包括化学镀金属层沉积过程中核的生长，氢的逸出，其他元素原子进入等产生的应力［12］;化学镀时镀液热对流使光栅在化学镀过程中无规律的微弯和镀层的不均匀而产生的应力。

4 结论

本文对光纤光栅进行化学镀Ni-Zn-P并对化学镀后的光纤光栅温度传感进行实验，结果显示镀后的光栅波长随温度变化呈良好的线性关系，在30～70℃内温度灵敏度较裸光栅有明显提升且具有较好的稳定性，与理论依据相符。化学镀光纤光栅存在残余应力，造成温度传感和保存过程中，中心波长不稳定。

残余应力主要来自以下三个方面:

1)化学镀金属沉积过程中产生的应力;

2)镀液流动使光栅微弯和镀层不均匀产生的应力;

3)温度变化使热膨胀系数不同的镀层和光栅之间产生的热应力。

残余应力对化学镀光纤光栅中心波长的影响:

1)温度传感中产生迟滞误差，随时间推移镀层残余应力释放迟滞误差变小;

2)因镀层金属与光栅的热膨胀系数不同而产生的热应力使光栅的中心波长蓝移，随应力的缓慢释放光栅中心波长红移。

［1］ SHEN Rensheng，TENG Rui，LI Xiangping，ZHANG Jin，XIA Daocheng，FAN Zhaoqi，YU Yongsen，ZHANG Yushu，DU Guotong.Electroless nickel plating and electroplating on FBG temperature sensor［J］.Chemical Research in Chinese Universities，2008，24(5):635 －639.

［2］ PENG Gang，ZHANG Hua，LI Yulong，FENG Yan.Research on electroless cu-plating on fiber Bragg grating sensor［J］.Materials Review，2008，22(9):77 － 79.(in Chinese)彭刚，张华，李玉龙，冯艳.光纤Bragg光栅传感器化学镀铜研究［J］.材料导报，2008，22(9):77 －79.

［3］ LI Xiaofu，JIANG Desheng，YU Haihu，at al.Electroless nickel-phosphor plating process on surface of quartz optical fiber［J］，Journal Of Chemical Industry And Engineering，2005，56(1):126 －129.(in Chinese)李小甫，姜德生，余海湖，等.石英光纤表面化学镀镍磷合金工艺［J］，化工学报，2005，56(1):126 －129.

［4］ Z Abdel Hamid，W A Ghanem，S A Abo El Enin.Process aspects of electroless deposition for nickel-zinc-phosphorous alloys［J］.Surface and Interface Analysis，2005，37(10):792－796.

［5］ Basker Veeraraghavan，Hansung Kim，Branko Popov.Optimization of electroless Ni-Zn-P deposition process:experimental study and mathematical modeling［J］.Electrochimica Acta 2004，49(19):3143 －3154.

［6］ ZHU Shaofeng，WU Yucheng，HUANG Xinmin.Electroless plating Ni-Zn-P alloy and its erosion properties［j］.Journal Of Functional Materials，2010，41(7):1181 －1185.(in Chinese)朱绍峰，吴玉程，黄新民.化学沉积Ni-Zn-P合金及其冲蚀特性［J］.功能材料，2010，41(7):1181 －1185.

［7］ S Ranganatha，T V Venkatesha，K.Vathsala development of electroless Ni-Zn-P/nano-TiO2composite coatings and their properties［J］.Applied Surface Science，2010，256(24):7377－7383.

［8］ RAO Chunfang，ZHANG Hua，FENG Yan，et al.Stress in metal coating fiber Bragg grating［J］.Laser＆ Optoelectronics Progress，2012，6:68 －76.(in Chinese)饶春芳，张华，冯艳，等.光纤布拉格光栅金属化保护中的应力［J］.激光与光电子学进展，2012，6:68 －76.

［9］ Yulong Li，Zhang Hua，Feng Yan，et al.Metal coating of fiber Bragg grating and the temperature sensing character after metallization［J］.Optical Fiber Technology，2009，15(4):391－397.

［10］ CHENG Defu，WANG Jun，LING Zhenbao.Sensor principles and applications［M］.Beijing:China Machine Press，2007.(in Chinese)程德福，王君，凌振宝.传感器原理及应用［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［11］ PI Haoyang，LIU Qiong，YE Qing，et al.Analysis and experimental study of inner stress for metallized fiber bragg gratings［J］.Chinese Journal of Lasers，2012，39(3):0305008.(in Chinese)皮浩洋，刘琼，叶青，等.方祖捷金属化光纤光栅内应力的分析和实验研究［J］，中国激光，2012，39(3):0305008.

［12］ Y Jeon，K Paik.Stress in electroless Ni-P films for electronic packaging applications［J］.IEEE Trans.Components and PackagingTechnologies，2002，25(1):169－173.