光纤光栅与传感基体镀锌连接技术改进及其温度特性研究

姚利红，丁 建

(青岛理工大学临沂校区机电工程系，山东临沂 273400)



光纤光栅与传感基体镀锌连接技术改进及其温度特性研究

姚利红，丁 建

(青岛理工大学临沂校区机电工程系，山东临沂 273400)

总结现有光纤镀层技术，文中提出了影响镀层均匀性的关键因素为光纤化学镀时胶体钯的配置和解胶时间的长短。改进光纤化学镀的同时针对现有镀金属光纤与基体焊接技术的局限性，着重研究了光纤与基体直接电镀连接的光纤电镀技术。对光纤与基体直接连接电镀技术进行了对比研究，选取气道作为电镀效果的评价指标。分析电镀后光纤与基体之间形成的气道发现，电镀条件电镀电压3 V、镀层时间10 min时取得的电镀效果最好。为达到电镀光纤的实际传感应用，针对电镀所得的基体镀锌光栅搭建温度标定实验平台。分析实验数据得：基体镀锌光栅可以实现高线性度、高灵敏度的温度测量，其温度敏感系数为36.3 pm/℃,是裸光栅的3.7倍。该研究的基本出发点为电镀光纤的实际应用，温度敏感性实验数据证实了本研究对于实现电镀光纤的工业化发展具有一定的指导意义。

光纤光栅；化学镀及电镀；镀锌光栅；温度敏感性

0 引言

光纤光栅传感器是近20年来传感器领域的研究热点，因其具有质量轻、体积小、耐腐蚀和抗电磁干扰等优点，便于静态和动态测量,广泛应用于工程监测方面[1-5]。传统的光纤传感器多数采用环氧树脂等高分子胶黏剂将光纤与待测物体直接黏接。这种粘接方式在气密性、黏结强度、耐久性和耐热性等方面效果均不太理想。此种类型的光纤传感器在使用一段时间后，黏接点由于收缩差异等因素易产生松动甚至脱落，从而是测量结果产生巨大的误差。光纤表面金属化为弥补光纤因本身材料在受切向应力易损坏等问题提供了有效的解决途径[6-9]。因此，研究可行高效的光纤表面金属化封装工艺可以在很大程度上提高光纤传感器的使用寿命。

在化学镀[10-13]及电镀[14]等光纤镀层技术的基础上，本文提出了胶体钯配置和解胶时间长短是影响电镀锌镀层均匀性的关键因素。综合整理对比光纤电镀工艺发现设置电镀电压3 V、反应时间10 min以上时，取得光纤电镀锌的镀层均匀性最好。通过此电镀锌工艺制作电镀锌光纤光栅，并通过温度标定实验对比研究其与裸光栅的温度特性。实验数据表明，电镀锌光纤光栅的温度灵敏度为36.3 pm/℃,是裸光栅的3.7倍。因此，本文对于电镀锌工艺的改进设计方案不仅仅可以大大提高电镀锌镀层的均匀性，而且通过实验验证了该工艺的实用性，对于光纤光栅电镀工艺的工业化具有一定的指导意义。

1 光纤电镀流程简介

电镀是将电镀液内因外加电流作用而析出的金属粒子沉积到物体表面，从而获得金属镀层的方法。在进行光纤电镀锌之前，光纤表面需要进行敏化即采用化学镀在光纤表面制备一定的镍层，其基本操作流程如图1所示。

图1 化学镀镍基本流程示意图

光纤表面镀镍完成后，对其进行电镀锌操作。电镀镀层性能主要受电镀液配置、电镀时的电流密度、电镀时间的长度等因素的影响。

合理的搭配电镀液、控制电镀电流及电镀时间可以大大提高光纤的电镀性能。

2 光纤光栅镀锌温度增敏原理

光纤光栅(Fiber Bragg Grating)是具有一定波长选择性的光学器件。当光源出射光中满足光纤光栅中心波长时，此波长光强被反射，且其反射波长可以表示为

λB=2neffΛ

(1)

式中:λB为光纤光栅中心波长;Λ为FBG栅格周期;neff为FBG有效折射率。

根据光纤光栅传感原理[1,15]，由外界温度ΔT与应变ε引起的光纤光栅中心波长偏移ΔλB为

ΔλB=Kεε+(ξ+α)ΔT

(2)

式中:Kε为光栅应变的灵敏度，其值为1.2 pm/10-6(1 pm=10-12m)；ξ为光纤光栅热光系数；α为光纤的热膨胀系数，且ξ与α理论值和为10pm/℃。

金属锌线热胀系数定义为

ΔL/L=αT·ΔT

(3)

式中:αT为金属锌线热胀系数，其理论值为3.6×10-5℃；L为锌线金属长度；ΔL为金属在温度变化ΔT时金属线的伸缩量。

因此当外界温度变化ΔT时，光纤光栅的中心波长漂移ΔλB为

ΔλB=Kε·αT·ΔT+(ζ+α)ΔT

(4)

综上可得，镀锌光栅温度敏感系数KT为

KT=Kε·αT+(ζ+α)

(5)

代入相应参数后，可得镀锌光栅的温度敏感系数理论值为53.2 pm/℃。相对于裸光栅10 pm/℃，光纤光栅镀锌可以有效的提高其温度敏感系数。

3 光纤光栅电镀实验研究

镀锌光纤光栅在制作传感器的过程中需要与传感器基体焊接相连。通用的焊接设备容易导致光纤光栅在焊接过程中由于受热不均、受力不均导致光栅断裂，导致传感器信号丢失，造成传感器敏感单元光纤光栅失效。因此，本光纤光栅电镀实验以镀膜光纤光栅的实际应用为基本出发点，研究合适的电镀工艺达到光纤光栅与基体的电镀及焊接。电镀镀锌法优点在于镀层厚度可控且反应时间短，镀层易发生氧化反应，生成一层致密、稳定、不易与外界反应的氧化锌镀膜，实现保护镀层的作用。文中电镀液的具体配置为硫酸锌80 g，硼酸6 g，光亮剂适量，配置成200 mL溶液，其pH值在3.5左右，为酸性溶液。

光纤光栅电镀时，电流密度直接影响镀层的均匀性等效果。当电流密度太小时，溶解速度高于上镀速度，导致镀层疏松剥离；当电流密度太大时，由于气体残留在基体之上，无法及时脱离而导致的气道现象会变得严重。

图2给出了光纤光栅电镀实验平台。实验平台主要由电镀液、恒压源、光纤光栅及光纤光栅电镀基体组成。光纤光栅电镀基体均为长55 mm，宽15 mm，厚0.02 mm的薄不锈钢薄板。实验中光纤光栅平行于基体的长轴方向放置。实验过程中通过改变恒压源的输出电压(3 V，5 V或9 V)及其输出时间(5 min，10 min，15 min或30 min)实现电镀电流密度、电镀时间的控制。

图2 光纤光栅电镀工艺实验研究平台

电镀实验后的光纤与基体结合效果如图3所示。图3中基体上显示的横向条纹为电镀过程中产生的气道。气道的数量直接影响到光纤光栅与基体之间的电镀粘接强度。气道多，电镀粘接强度弱，气道少显示电镀效果好。当恒压源输出电压为5 V或9 V时，电镀产生的气道较多；而当恒压源输出电压为3 V时，电镀产生的气道较少。因此，为使光纤光栅电镀过程中取得较好的电镀效果，电镀电压应设置为3 V。当电镀电压设置为3 V时，电镀时间10 min取得的电镀效果优于电镀时间5 min，15 min及30 min，如图3(b)所示。综上所述，电镀电压设置为3 V，电镀时间控制为10 min，可以取得光纤光栅与传感基体之间较好的电镀效果。

4 镀膜FBG温度性能检测

为测试电镀镀锌对光纤光栅温度传感特性的影响，分别对镀锌后的光纤光栅与裸光栅进行温度性能测试实验。

(a)电镀电压5 V或9 V

(b)电镀电压为3 V图3 不同实验条件下电镀效果对比图

4.1 温度性能实验

镀锌光纤光栅温度特性实验平台框架如图4所示。实验平台主要包括SM125(解调波长范围1 510～1 590 nm，解调精度1 pm，采样频率1 Hz)、可控恒温水浴箱(温度范围0～100 ℃，精度1 ℃)、镀锌光栅及裸光栅。镀锌光栅在电镀条件为镀锌电压3 V，镀锌时间10 min条件下电镀所得，其中心波长为1 528.021 4 nm。裸光栅中心波长为1 532.933 5 nm。

图4 镀锌光栅与裸光栅温度特性对比实验平台框架图

实验中将裸光栅固定于电镀基体，其轴线方向与电镀光栅的轴线保持平行，最大可能的保证裸光栅与电镀光栅处于同样的温度场。从而，降低因被测物所处环境不同而导致测量结果差异。整个实验过程中，通过控制恒温水浴箱改变光纤光栅所处温度从10 ℃变化到80 ℃，然后从80 ℃降温到10 ℃，温度间隔为10 ℃。在每个实验阶段，待恒温水浴箱温度稳定后，对光纤光栅中心波长连续采样1 min后，取其平均值作为此实验阶段的光纤光栅中心波长。

4.2 数据分析

整个温度实验过程中，光栅的中心波长随温度变化的数据如表1所示。

表1 光纤光栅中心波长随温度变化数据

应用最小二乘法线性拟合光栅中心波长与温度的关系，如图5所示。图5中横坐标为实验步骤的先后顺序编号,即升温过程编号为1～8，相应的降温过程编号为9～16。整个温度特性实验中，镀锌光栅中心波长λBZn与温度T的线性拟合公式为：λBZn=0.036 3·T+1 527.1,R2=0.999 8(升温过程)；λBZn=0.036 3·T+1 527.1,R2=0.999 9(降温过程)。R2代表拟合曲线的线性度，其值越接近于1说明拟合公式的线性度越好。

应用同样的数据处理方式可得裸光栅中心波长λBB与温度T的线性拟合公式为：λBB=0.009 8·T+1 532.7,R2=0.999 6(升温过程)；λBB=0.009 8·T+1 532.7,R2=0.999 9(降温过程)。由拟合公式可得镀锌光栅的温度敏感系数为36.3 pm/℃，与理论值的53.2 pm/℃存在着一定的差异。造成这种差异的主要原因在于不锈钢基体(理论值范围为12～18 pm/℃)及光纤光栅(理论值范围为10 pm/℃)的热膨胀系数小于金属锌的热膨胀系数，从而对镀锌光栅的热膨胀系数造成了一定的降敏作用。镀锌光栅拟合公式表明镀锌光栅在温度测量方面具有较高的线性度及重复性，表明镀锌光栅与基体材料之间的粘接度良好。镀锌光栅的温补敏感系数是裸光栅9.8 pm/℃的3.7倍左右。因此，镀锌光栅可以实现高精度、高线性度的温度测量。

图5 光纤光栅中心波长随温度变化的趋势图

综上可得，在电镀条件为电镀电压3 V、时间10 min下得到的镀锌光纤光栅其温度灵敏度高、重复性好。该电镀条件可以实现光栅与基体之间良好粘接性，对于光纤光栅与基体整体电镀的工业化发展具有一定的指导意义。

5 结论

在充分总结化学镀及电镀技术的基础上，本文提出了影响光纤电镀镀层均匀性的关键因素在于化学镀过程中胶体钯的配置和解胶时间的长短，为光纤实现均匀电镀打下了基础。理论上分析了镀锌对光栅温度传感的增敏机制。针对现有焊接技术的限制并以镀锌光栅实际传感应用为出发点，在改善光纤化学镀的基础上研究了光纤与基体直接电镀结合的技术。对比分析不同的电镀条件，以光纤与基体电镀后基体表面气道作为电镀效果的评价指标。对比研究发现当电镀电压为3 V、镀层时间控制在10 min时取得光纤与传感基体之间的气道最少即电镀效果最好。为进一步研究电镀光栅的测温特性，搭建温度标定实验平台标定了10～80 ℃区间内镀锌光栅与裸光栅的温度特性。分析实验数据得镀锌光栅可以实现高线性度、高精度的温度测量。其温度敏感系数为36.3 pm/℃，是裸光栅的3.7倍左右。实验数据证实本文以电镀光栅实际应用为出发点，文中所取得的实验结果对于光纤电镀的工业化发展具有一定的指导意义。

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Galvanized Connection Technology Improvement between FiberBragg Grating and Sensor Substrate and Research on Temperature Characteristic

YAO Li-hong,DING Jian

(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Linyi Campus of Qingdao Technology University,Linyi 273400,China)

Based on the existing optical fiber coating technology,configuration of colloid palladium and time length of dispergation which are key influence parameters of coating uniformity were proposed in this paper.Due to the welding technology limitation of fiber and sensor substrate,electroplating connection technology between fiber and sensor substrate was studied on the basis of chemical plating improvement.Comparative study was carried out about direct electroplating connection technology of fiber and substrate and airway was selected as plating evaluation index.Best plating conditions were voltage was 3 V and time was 10 min after comparative study of electroplating air way.To obtain practical value of substrate galvanized grating,temperature calibration experiment was built up to study this grating temperature characteristic.Substrate galvanized grating can achieve high linearity,high sensitivity temperature measurement after experiment data analysis.Temperature sensitivity of this galvanized grating was 36.3 pm/℃,3.7 times of bare grating.Radical departure of this research work is practical application of plating fiber and data in temperature sensitivity experiment verified that this work has certain guiding significance to realize industrialization development of electroplating fiber.

optical fiber grating;chemical plating and electroplating;galvanized grating;temperature sensitivity

2014-12-29 收修改稿日期：2015-03-14

TQ153

A

1002-1841(2015)08-0019-04

姚利红(1988—)，助教，硕士，主要研究方向为检测技术与自动化装置 。E-mail：yaolihong0101@126.com 丁建(1988—)，助教，硕士，主要研究方向为检测技术与自动化装置 。E-mail：sdudingjian@163.com