基于光谱特征分析的光纤光栅腐蚀传感器研究

张 俊， 曾 捷*， 王 博， 王文娟， 梁大开， 刘晓颖

1. 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室， 江苏 南京 210016

2. 中国空间技术研究院北京卫星制造厂， 北京 100190

3. 北京长城计量测试技术研究所计量与校准技术国防科技重点实验室， 北京 100095

基于光谱特征分析的光纤光栅腐蚀传感器研究

张 俊1， 曾 捷1*， 王 博2， 王文娟3， 梁大开1， 刘晓颖1

1. 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室， 江苏 南京 210016

2. 中国空间技术研究院北京卫星制造厂， 北京 100190

3. 北京长城计量测试技术研究所计量与校准技术国防科技重点实验室， 北京 100095

针对航空航天领域铝合金结构服役过程腐蚀监测需求， 提出了一种基于铝质细管结构的预载荷型光纤光栅腐蚀传感器。 给出了铝合金结构腐蚀在役监测机理， 得到光纤光栅反射光谱特征与铝质细管厚度变化之间的理论关系模型， 构建了酸碱环境下的光纤光栅腐蚀监测试验系统。 通过在细管内部配置不受力且仅感受温度变化的光纤光栅传感器， 解决了被测目标的温度与应力交叉敏感问题。 研究表明， 这种铝质细管封装设计不仅可以感受腐蚀对其力学性能的影响， 还能够屏蔽外界腐蚀因素对管内光纤感知器件的干扰。 随着金属管腐蚀程度加深， 其管壁逐渐变薄， 光纤光栅反射光谱逐渐向短波长方向偏移， 且管壁厚度变化与光栅中心波长偏移量之间呈较好单调关系。 这些特性能够为进一步开展基于光纤感知器件的机械结构在役腐蚀监测研究提供有益帮助。

光纤光栅； 光谱分析； 铝质细管； 腐蚀监测

引 言

由于铝合金相比其他金属材料具有密度小、 强度高、 易加工等优点， 因此航空航天领域大量使用铝合金材料作为主承力构件。 但在沿海酸碱盐雾环境下， 其易受到侵蚀， 进而导致结构损伤失效。 传统腐蚀监测方法如目测法、 取样法、 机械(力学)实验等方法， 存在可靠性低、 破坏结构、 实时性差等缺点[1-4]。

光纤光栅作为一种新型分布式传感元件， 具有质量轻、 芯径细、 抗电磁干扰、 易实现组网监测等独特优点。 Rutherford等[5]提出在光纤纤芯外层镀铝膜， 通过检测光信号的光功率变化来监测腐蚀程度。 但该方法易受外界环境干扰， 使得其精度和稳定性存在一定问题。 赵二刚等[6]则研究了一种利用U型弹簧监测金属材料腐蚀的光纤光栅传感器。

根据以上分析， 本文提出一种基于铝质细管结构的预载荷型光纤光栅腐蚀传感器。 在研究酸碱环境下光纤光栅传感光谱蜕化特性基础上， 通过监测铝质细管腐蚀引起的光纤光栅反射光谱特征变化， 实现对目标结构腐蚀状态的辨识。

1 腐蚀监测原理

考虑到铝合金材料在磷酸、 氢氧化钠等溶液中其表面氧化膜逐渐溶解， 发生均匀腐蚀， 便于标定腐蚀速率。 实验中选取2%NaOH作为腐蚀溶液， 所涉及化学反应为[7-9]

基于铝质细管结构的预载荷型光纤光栅腐蚀传感器结构， 如图1所示。 将传感光纤光栅传感器施加一定预拉力后悬空固定于铝合金细管内部。 同时在其一侧串接另一根温度补偿用光纤光栅， 该温补光栅自由放置于铝合金细管内部。

当光纤光栅所受应力和温度改变时， 布拉格光栅中心波长变化量为[10]

(1)

其中Pε为光纤弹光系数，εf为光纤轴向应变；α为光纤热膨胀系数；ζ为热光系数； ΔT为温度变化。 铝合金管弹性模量

Fig. 1 Structure of FBG corrosion sensor based on Aluminum alloy thin tube

为E=72 GPa， 外径R， 内径r， 长度l=4 cm。 铝合金管横截面积S=π(R2-r2)， 由力学分析可知[11-12]

(2)

式中，σ为铝管所受应力，εa为铝管微应变，F为光纤光栅所加预拉力。 根据式(1)和式(2)可得铝合金管壁外径

(3)

根据式(3)可知， 通过在线监测光纤光栅中心波长偏移量， 可以准确获取铝合金细管厚度变化信息。

2 实验部分

2.1 光纤光栅腐蚀传感器制备

研究中选取光栅中心波长1 000 pm偏移量为基准作为预应力加载的参考值。 光纤光栅应变灵敏度为1.2 pm·με-1， 单模光纤光栅直径125 μm。 传感器封装材料为6061-T6铝合金细管， 在其两端预留4.5 mm设置凹槽， 用以扩展铝合金细管与环氧树脂有效接触面积， 增强粘接效果。 用于胶接的环氧树脂外侧还需涂覆硅橡胶， 以保护粘接点不受外界腐蚀环境的影响而松动。

2.2 方法

细管结构光纤光栅腐蚀传感器性能与铝合金管壁厚度存在密切关系。 根据式(2)可知， 铝合金管厚度越大， 在相同预载荷下铝合金管所受应变减小， 将导致传感器灵敏度下降。 而由式(3)可知， 铝合金管壁厚度增加， 又能够增大监测周期。 研究中分别对内径r为1 mm， 外径R为1.5和2 mm的铝管施加相同预载荷， 制作成两种不同管壁厚度的腐蚀传感器。

为实现温度补偿效果， 把温补光纤光栅自由放置于铝合金细管内， 仅感受温度变化而不受应力作用。 此外还应保证腐蚀敏感光栅与温补光栅处于同一温度场。 为标定腐蚀速率， 需将与腐蚀传感器相同规格的铝合金细管同时放入腐蚀溶液。 在监测腐蚀传感光栅反射光谱偏移的同时， 测量相应标定用铝合金细管半径变化情况。

3 结果与讨论

3.1 酸碱腐蚀下光纤光栅反射光谱特性

为探究腐蚀环境对光纤光栅感知器件的影响， 首先将光纤光栅分别放置于强酸和强碱环境下， 所得反射光谱如图2和图3所示。 实验表明， 光纤光栅在强酸和强碱环境中发生不同程度的性能蜕化现象。 在强酸溶液中， 光纤光栅涂覆层和包层受腐蚀作用逐渐变薄， 出现能量泄漏， 致使反射光谱能量呈现整体下降趋势， 且引起半波展开现象。

Fig.2 Reflection Spectra of fiber grating in acid environment

Fig.3 Reflection Spectra of fiber grating in alkaline environment

由图3可知， 在强碱环境下光栅所在区域外侧随时间推移出现硅酸盐沉积现象， 且反射光谱整体向长波方向移动。 由此可见， 隔绝腐蚀环境因素对光纤光栅的影响十分必要。 为监测铝合金航空结构受腐蚀情况， 需要研制基于相同材质的腐蚀敏感封装， 选择采用铝质细管结构能够满足以上要求。

3.2 光纤光栅腐蚀传感器特性

随着腐蚀时间增加， 铝管表面因氧化还原反应而产生的气泡逐渐增多， 温度补偿光栅中心波长逐渐增大， 这是由于化学反应产生大量热量所致。 腐蚀后期， 铝合金管壁由光滑变为粗糙， 并出现蚀孔。 腐蚀溶液进入铝管内部， 使得光纤光栅性能失效。 腐蚀试验后铝合金管外部形貌， 如图4所示。

Fig.4 Topography of failure corrosion sensor

外径为1.5 mm的光纤光栅腐蚀传感器反射光谱， 如图5所示。 从该图可以看出， 腐蚀传感光栅中心波长随时间向短波方向显著偏移。 反射光谱能量峰值强度和半波宽度基本没有变化， 表明受到铝合金细管保护的光学光栅器件性能未受腐蚀影响而蜕化。

Fig.5 Reflection spectra of fiber grating corrosion sensor changes with time

图6显示光纤腐蚀传感器因蠕变引起的反射光谱中心波长偏移量相对较小。 滤除传感器自身蠕变与温度变化引起的干扰因素， 得到不同厚度铝合金细管的中心波长偏移曲线。 腐蚀传感器失效前， 其光栅中心波长存在突变过程， 这是由于铝合金细管到达腐蚀临界点时， 其残余预应力快速释放所致， 因此该反射光谱突变量不应作为有效检测区间。

在相同腐蚀时间内， 外径1.5 mm铝合金腐蚀传感器反射光谱偏移量明显大于外径2 mm腐蚀传感器对应的情况。 这表明通过调节细管厚度， 可以改变腐蚀监测的灵敏度和测量范围。 腐蚀传感器平均变化速率大致为1.67 pm·h-1(R=2 mm)， 4.5 pm·h-1(R=1.5 mm)。

Fig.6 Curve of FBG center wavelength changes with the corrosion time

标定用铝合金细管厚度随腐蚀时间变化曲线， 如图7所示。 铝合金细管在2%NaOH溶液中厚度随时间均匀变薄， 且初始厚度不同的铝合金细管对应的腐蚀速率也基本相同， 约为9.3 μm·h-1。

两种光纤腐蚀传感器失效时间分别约为78和40 h。 失效后铝合金细管预应力得到全部释放， 腐蚀传感光纤光栅反

射光谱不再发生变化。 截取光纤腐蚀传感器有效监测时间段进行标定， 得到相应曲线如图8所示。

Fig.7 Variation curves of aluminum alloy thin tube thickness with the etching time

Fig.8 Fitting curves of fiber grating center wavelength and the variation of aluminum tube thickness

由图8可知， 随铝合金管厚度逐渐变薄， 两种腐蚀传感器反射光谱均向短波方向偏移， 最大偏移量分别约为175和135 pm。 外径1.5 mm的铝合金腐蚀传感器灵敏度相对较高， 但测量范围较小， 与理论分析结果相同。

4 结 论

针对铝合金结构腐蚀监测需求， 提出了一种基于反射光谱特征辨识的铝合金细管结构光纤光栅腐蚀传感器。

(1) 采用细管状封装结构， 能够隔绝外界扰动对腐蚀传感器内部光纤光栅感知器件的影响， 有效提高传感器稳定性和使用寿命。

(2) 具有温度自补偿功能， 采用在铝管内部串接不受力温补光纤光栅的方法消除环境温度变化对监测精度的干扰。 通过改变铝合金细管厚度， 能够调节光纤光栅腐蚀传感器测量范围和灵敏度。

(3) 具有传感性能失效预警功能。 在腐蚀监测后期， 铝管残留预应力快速释放， 使得传感光纤光栅中心波长向短波方向大幅偏移， 从而为传感器性能失效判别提供依据。

[1] YANG Gui-xin， WU Jin， WU Wen-cao(杨桂新, 吴 瑾, 吴文操). Chinese Journal of Scientific Instrument(仪器仪表学报)， 2009， 30(6)： 1152.

[2] Svenningsen G， Larwsen M H， Nordlien J H, et al. Corrosion Science， 2006， 48(1)： 258.

[3] Chi Bum Bahna， Ken E Kaszaa， William J Shacka， et al. Nuclear Engineering and Design， 2011， 241(5)： 1926.

[4] LIU Rong-mei， LIANG Da-kai(刘荣梅， 梁大开). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析)， 2011， 31(3)： 858.

[5] Song Qi， Zhang Wenjin， Zhang Aiai， et al. Advanced Materials Research， 2014. 136.

[6] Deng Y L， Li W， Zhang Y Y， et al. Journal of Alloys and Compounds， 2011， 509： 4636.

[7] Song T， Xu X J， Fan Z， et al. Chinese Journal of Rare Metals， 2012， 36(2)： 196.

[8] Musa Ahmed Y， Mohamad Abu Bakar， Kadhum Abdul Amir H. Journal of Materials Engineering and Performance， 2011， 20(3)： 394.

[9] LI X D， Wang X S， Ren H H， et al. Corrosion Science， 2012， 55： 26.

[10] WANG Bin-bin， WANG Zhen-yao， CAO Gong-wang， et al(王彬彬， 王振尧， 曹公望， 等). Acta Metallurgica Sinica(金属学报)， 2014， 50(1)： 49.

[11] Paredes S P， Valenzuela M A， Fetter G， et al. J. Phys. Chem. Solids， 2011， 72: 914.

[12] CHENG Wei-bing， FANG Ji-ye(成卫兵， 方继业). Aluminum Fabrication(铝加工)， 2012, 35(2)： 44.

*Corresponding author

The Research on Optic Fiber FBG Corrosion Sensor Based on the Analysis of the Spectral Characteristics

ZHANG Jun1， ZENG Jie1*, WANG Bo2， WANG Wen-juan3， LIANG Da-kai1， LIU Xiao-ying1

1. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China

2. China Academy of Space Technology， Beijing Spacecrafts， Beijing 100190， China

3. Changcheng Institute of Metrology & Measurement of AVIC， Science and Technology on Metrology and Calibration Laboratory， Beijing 100095， China

Aiming at meeting the need of aluminum corrosion monitoring in aerospace field， a pre-load type fiber grating corrosion sensor based on an aluminum thin tube structure is proposed. The corrosion sensor of aluminum alloy structure in-service monitoring mechanism is studied, a theoretical model about the relation of FBG reflection spectral chasacteristics and aluminum thickness variation is also obtained. Optical fiber grating corrosion monitoring test system based on the capillary structure of aluminum alloy is constructed by acid-base environment. The problem of cross sensitivity of temperature and strain is solved. by configuring an optical fiber grating which is not affected by strain and only sensitive to temperature inside the aluminum alloy tube. The results shows that he aluminum tube packaging design not only can sense the effects of corrosion on the mechanical properties, but also can interference shielding effect of corrosion on the tube optical fiber sensing device. With the deepening of the metal tube corrosion and aluminum alloy tube thickness gradually thinning, fiber grating reflective spectrum gradually shift to the short wavelength and the wall thickness and the grating center wavelength offset has a good monotonic relation. These characteristics can provide useful help to further research corrosion online monitoring based on optic fiber sensor.

FBG; Analysis of the spectrum; Aluminum tube; Corrosion monitoring

Oct. 31, 2014; accepted Feb. 11, 2015)

2014-10-31，

2015-02-11

国家自然科学基金项目(51275239), 航天CAST创新基金项目， 江苏省产学研联合创新资金项目(BY2014003-01)， 中国博士后科学基金项目(20090461116)， 航空科学基金项目(20152852036)， 上海航天科技创新基金项目(SAST2015062)和CAST-BISEE创新基金项目资助

张 俊， 1989年生， 南京航空航天大学航空宇航学院研究生 e-mail： 15195872309@163.com *通讯联系人 e-mail： zj2007@nuaa.edu.cn

TG17

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)03-0853-04