基于光纤布拉格光栅的电镀镍应力实时在线监测

刘 程

（江西师范大学物理与通信电子学院 江西省光电子与通信重点实验室，江西 南昌330022）

电镀过程中产生的电镀应力对镀层质量带来不利的影响［1］。因此，实时监测电镀应力对电镀行业具有很大的实际意义。目前测量电镀应力的方法主要有3种：薄片阴极弯曲法、螺旋收缩仪法、X射线衍射法［2］。但薄片阴极弯曲法会污染电镀液，影响阴极电流分布；螺旋收缩仪法测试过程较复杂；而X射线衍射法测量精度高，不适合镀层很薄时的电镀应力测量。

光纤布拉格光栅具有结构简单、稳定性好、可靠性高、抗电磁干扰等特点［3］，作为传感器件被广泛地应用于道路桥梁、矿井等领域［4-5］。本文基于FBG优良的传感特性，将其作为应力传感器，利用单一变量法，测试不同温度和不同主盐浓度条件下的电镀应力。

1 FBG传感原理

FBG是一种无源波长调制型传感器，与宽带光源相连后，特定波长的光将产生谐振，从而形成谐振峰。FBG反射中心波长λB与光栅周期∧和纤芯有效折射率neff的关系为：λB=2∧·neff

当FBG受到应力扰动时，其中心反射波长将随应力的变化Δσ做线性变化，即：

2 测试方法

测试前需要先对FBG表面进行金属化，使其具有导电性［6］。然后将金属化的FBG作为阴极进行电镀，电镀过程中产生的应力将会使FBG中心波长λB发生漂移，利用光谱分析仪以一定的频率记录λB的飘移量，通过这些漂移量即可反映出电镀时的应力。实验中采用瓦特镀液，测试方法为单一变量法，在不同温度和主盐浓度的条件下分别进行了对照实验。

3 测试结果

3.1 温度对应力的影响测试

通过恒温水箱改变电镀液的温度并使其稳定不变，温度分别为32℃、40℃、48℃，其他条件不变，实验结果如图1所示。

图1 电镀温度不同时FBG中心波长的响应曲线

3.2 不同主盐浓度对应力的影响测试

其他实验工艺参数不变，主盐质量浓度分别为20g/L、50g/L、80g/L、120g/L，实验结果如图2所示。

图2 主盐溶度不同时FBG中心波长响应曲线

4 分析

由图1和图2可知，中心波长偏移量的变化能反映应力的变化：由图1可知，温度变高，波长偏移量变小，电镀应力小；由图2可知质量浓度变大，电镀应力先变小后变大；超过一定浓度时，质量浓度变大，电镀应力先变大后变小。这与以往文献结果一致［7-10］。由于镀层与FBG初期所镀金属层不匹配的原因，电镀初期的中心波长速率远大于后期［11］；在电镀后期，随着镀层厚度的增加会导致应力的释放，实验结果与电镀应力理论相符合［11］。

5 结语

在电镀FBG过程中，FBG中心波长对电镀应力响应灵敏，利用这一敏感响应可以实时监测电镀应力。本研究使用单一变量法，分别测试了不同条件下的FBG中心波长响应。研究结果表明，FBG传感器能正确反映电镀应力的变化。这一测试方法具有简便性、实时性、精确性的特点。该方法拓宽了FBG在传感领域的应用。

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