一种铝合金薄片式光纤光栅腐蚀传感器的制作

黄旌，高涛，陈璞

一种铝合金薄片式光纤光栅腐蚀传感器的制作

黄旌，高涛，陈璞

（空军第一航空学院航空机械工程系，河南信阳464000）

在对飞机结构材料腐蚀监测现状分析的基础上，针对飞机结构中常见的铝合金材料腐蚀监测问题，设计并制作了一种薄片式光纤光栅腐蚀传感器，并初步通过试验验证，为飞机结构材料的腐蚀监测提供了一种技术手段。

腐蚀；光纤光栅传感器；预应力

飞机在使用过程中，具有环境恶劣、工况复杂的特点。其中腐蚀是飞机结构的一种主要损伤形式，如何有效地对飞机关键结构腐蚀监测是对飞机寿命评估和避免安全隐患的重要前提。美国在2007～2008年度，海军和海军陆战队的飞机腐蚀维护费用就约为30亿美元[1]。国内据某部使用、维护经验，飞机在维修过程中，约有80%的结构修理工作是针对机体结构腐蚀进行的[2]。当前在机务工作中对飞机腐蚀检查、控制的一般是靠地勤人员，目视法是飞机维修中常用的腐蚀监测、检查方法，但这种方法具有以下问题：（1）一般只有当飞机结构漆层在腐蚀等作用下发生明显的变色、鼓泡或者出现肉眼可见的锈蚀，地勤人员才容易被发现；（2）地勤人员的知识、经验等能力水平直接决定检查的准确性；（3）由人来检查难以避免检查的随机性，容易产生遗漏；（4）被检查部位的可达性、可观察性直接影响检查效果。鉴于人工监测的以上问题，近年来国内外采用红外成像、声发射法、涡流法等无损探伤方法对飞机结构、材料进行腐蚀监测研究，但监测系统的灵敏度受许多因素影响，且操作复杂、设备昂贵、难以进行精确腐蚀评估，同时也不易于在线检测[3]。

本文针对飞机结构中常见的铝合金腐蚀情况，以某型飞机重点部位的铝合金结构、材料为例，设计一种薄片式光纤光栅腐蚀传感器，用于对飞机铝合金材料的腐蚀监测研究。以期为飞机重点部位的腐蚀监测、检查提供一种方法、手段，提高飞机使用中的可靠性乃至达到延寿的目的。

1 腐蚀传感器设计原理思路

飞机在使用包括地面停放、中低空飞行和高空飞行等情况，具有使用范围大、区域广的特点，在低空飞行和地面停放中，由于大气污染，空气中的杂质如水份、硫化物和无机盐等都会对金属结构产生腐蚀作用，目前飞机中关键承力结构为金属材料，较多采用铝合金结构，如果在交变载荷的作用下结构的防护层出现微小裂纹，使结构材料直接暴露在腐蚀环境下，会使腐蚀更加快速，有可能诱发突然性事故。

本文针对飞机结构中常见的铝合金腐蚀检测情况，设计了薄片式光纤光栅腐蚀传感器，其设计思路是：将布拉格光纤光栅拉伸后，胶粘贴在与某型飞机某一重点被监测部位结构材料相同、厚度相同的铝合金材料薄片上，在固定的过程保持对光纤的拉伸，便于给光纤光栅施加拉预应力。当解除载荷后，光纤光栅上的拉预应力反过来施加于铝薄片上时，铝薄片发生压缩应变，同时布拉格光纤光栅发生拉伸应变。如图1所示。

图1 薄片式光纤光栅腐蚀传感器结构示意图

本传感器的腐蚀检测原理[4]：

（1）在监测使用时，传感器粘贴或放置在被监测结构处，当结构的铝合金被腐蚀时，传感器的铝合金薄片也同步跟随被腐蚀，且随着腐蚀逐渐加剧，原处于压预应力状态的铝合金薄片压应力逐渐减小，恢复伸长。

（2）同时原处于拉预应力状态的布拉格光纤光栅拉应力也同步减小，传感段光栅的栅距发生变化，即栅距变化量与腐蚀程度满足一定的关系。

（3）通过解调仪测得布拉格光纤光栅栅距的变化量即可反映出铝合金薄片的受腐蚀程度，其测定原理是光纤光栅的纤芯内有通过掩模写入形成的空间相位光栅，在使用中通过光栅前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向传输的纤芯模式，形成对入射波的反射，其反射波长即布拉格波长为[5]：

ΔλB=2neffΛ

其中：Λ为光纤光栅周期；neff为光纤光栅纤芯的等效折射率。

当测试温度不变的情况下，则光纤光栅只受轴向应力影响，中心波长的变化量为：

制作时采用1 550 nm的光纤Pε＝0.22，其应变灵敏度为：

k=0.78ε=1.2（pm/με）

反射光波的波长变化即反映出栅距的变化量，从而最终反映出传感器基底铝合金薄片的腐蚀量。

2 薄片式光纤光栅腐蚀传感器的制作

具体制作方式、过程分为以下几步：

2.1 制备基片

使用与需要被腐蚀检测结构相同的铝合金材料，加工成2 mm×50 mm×10 mm的基片，清洁基片。制备后的铝合金基片及光纤光栅如图2所示。

图2 铝合金基片及光纤光栅

2.2 预拉伸光纤光栅

对光纤光栅进行预拉伸，产生预应力，是制作光纤光栅腐蚀传感器的重点工作之一。拉伸量直接影响光纤光栅的测量量程、灵敏度等各项参数，对于光纤光栅，加载在其上的预应力越大，其灵敏度等参数值越大。但是，增大预应力会导致量程降低，并且过大的预应力有可能会导致光纤光栅拉伤损坏甚至断裂。因此，须根据光纤光栅本身结构、尺寸以及测试需求，分析确定合适的拉伸量，从而计算得到加载在光纤光栅上的拉伸载荷，才能加载实现预应力，其具体过程如下所述：

由于一般光纤光栅材料能承受的最大中心波长偏移量为2 000 pm，否则有可能造成损坏，因此预加载荷使光纤光栅中心波长偏移量必须小于2 000 pm，考虑到长期试验使用，预留安全余地，故取其一半为1 000 pm中心波长作为加载参量，作为基础计算出对光纤光栅的加载重量。

选取的光纤光栅直径为125μm，其材料为石英，弹性模量E=7.2×1010Pa，因此使光栅中心波长发生1 000 pm变化所发生微应变为ε=1000/1.2 ×10-6，所以施加载荷F=σA=EεA＝（πD2Eε）/4，求得预加载荷为0.736 N.制备试验时取相应的砝码，悬挂在光纤光栅的两端，为防止在悬挂拐角处剪切力过大，使用缓冲固定于两端，加载过程如图3所示。

图3 悬挂法为光栅施加预应力

2.3 光纤光栅的胶粘固定

在制备传感器时，光纤光栅是通过胶粘固定在铝合金基片上的，在对传感器试验过程中，当铝合金基片受力时，铝合金上的载荷也是通过胶粘剂传递到光纤光栅上的，因此必须保证胶粘稳定可靠且传递时产生的剪力滞后小，以提高准确度。

光纤光栅的固定采用成熟可靠的AB胶，AB胶是通过两液混合后硬化来实现胶粘固定的，一组分是本胶，另一组分是硬化剂，只需要在常温下混合即可硬化。本传感器使用丙烯酸改性环氧胶，一组分是丙烯酸改性环氧，并含有催化剂和其它助剂；另一组分是改性胺，并含有催化剂和其它助剂。其中的催化剂主要用来控制固化时间，其它助剂控制钢性、柔性、粘度、粘合性等性能特性。本传感器选取的AB胶当两组分充分混合后，在25℃时5 min即干透，在固定时，为确保剪力滞后较小，其粘贴面要完全贴合，且粘贴层要薄且均匀，粘贴按照工序严格操作。为了更好的固化，在涂覆AB胶固定后，仍然保持加载8 h，以确保胶粘充分固化前，加载在光纤光栅上的预应力不会释放。

2.4 光纤光栅固定点的防护

制作完成后的传感器需要在腐蚀环境下使用，在腐蚀使用过程中，铝合金基片整体受到腐蚀作用结构缓慢失效，同时光纤光栅的固定点也处于同一腐蚀环境中，因此必须要确保在使用中固定点不因腐蚀失效，以避免产生测量误差乃至传感器整体失效。所以需要在对光纤光栅对铝合金基片做好固定的基础上，在胶粘固定点做好腐蚀防护。另一方面，虽说光纤光栅本身为石英材料具有较强的耐腐蚀性能，但为了防止试验及使用中的误碰误触，也需要对其做好防护。

本传感器选取用硅橡胶做防护介质，它具有优异的耐老化、抗腐蚀、耐热性、耐臭氧等性能，使用温度范围宽，为-60℃～+250℃.但硅橡胶的抵御剪切应力的性能相对于其它大多数合成橡胶较差，但远超铝合金，所以适宜做本传感器的防护。在制作传感器过程中，在AB胶固定15 min后待其固化后，均匀涂覆硅橡胶。

采用硅橡胶覆盖光纤光栅和胶粘点作为一层保护膜，待AB胶凝固后与跳线熔接。如图4所示。

图4 传感器的固定、防护

3 试验初步验证结果与分析

试验采用光栅中心波长为1 549.615 nm，加载完成后中心波长变化为1 549.926 nm，变化量为311 pm，由此可确定铝合金基片与光纤光栅之间已经有效的固定，所以当卸去外加砝码以后，加载在光纤光栅上的预拉力通过固定点传导至铝合金基片上，铝合金基片受到压缩载荷产生一定的预先压应力，同时光纤光栅上的预先拉应力得到部分释放，所以其中心波长变化量小于外加砝码加载时设置的1 000 pm。后续将做好防护的传感器整体放入腐蚀溶液中进行腐蚀试验，随着腐蚀的进展，使得铝合金基片承载的预压应力逐渐恢复，使得光纤光栅栅距改变，中心波长变化。

腐蚀实验溶液采用符合国标的EXCO腐蚀溶液，其主要成分为KNO3、NaCl、HNO3，腐蚀检测验证将传感器充分泡入腐蚀溶液中，同时将温度补偿光栅放于腐蚀溶液中，一并接入解调仪，以便消除温度的影响。每10 h取一点，测试传感器中心波长变化，测量200 h.试验如图4、图5所示。

图4 腐蚀试验原理示意图

图5 腐蚀试验过程图

经过腐蚀试验的验证，该腐蚀传感器随着腐蚀进程，传感器中心波长呈缓慢变化趋势，并且与腐蚀的时间变化在较大区域内拟合成正比。因此，后续检测传感器的中心波长大小，进一步定量分析其偏移量变化规律，能够实现腐蚀速率及腐蚀程度实时在线监测研究。后续仍需在传感器设计制作、调制解调、试验验证等多方面进一步深化研究，以期贴近装备、贴近实用。

[1]于海蛟，王逾涯，陈群志.飞机结构腐蚀监测技术现状及发展趋势[J].装备环境工程，2014，11（6）：70-104.

[2]李东帆.飞机结构的腐蚀与防护[J].装备环境工程，2016，l3（1）：57-60.

[3]刘秀丽.飞机结构腐蚀检测技术研究[J].机械强度，2004，26（增刊）：60-62.

[4]陈璞，高涛，韩梅，等.检测飞机铝材腐蚀的薄片式光纤光栅传感器：ZL201520083313.8[P].2015.07.01.

[5]李宏男，任亮.结构健康监测光纤光栅传感技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2008：56-64.

Fabrication of Alum inum Alloy Sheet Type Optical Fiber Grating Corrosion Sensor

HUANG Jing，GAO Tao，CHEN Pu
（Department of Aeronautical and Mechanical Engineering，The First Aeronautical Institute of Air Force，Xinyang Henan 464000，China）

In this paper，based on the analysis of the corrosion monitoring condition of the aero structural materials，a new kind of thin-slice fiber grating corrosion sensor has been designed and fabricated for solving the common corrosion monitoring matters of the aluminum alloy materials in the aircraft structure.Furthermore，this FBG sensor has already got the experimental verification preliminarily and can provide a technical means for the corrosion monitoring of the aero structural materials.

corosion；FBG sensor；preload stress

TP212

A

1672-545X（2017）02-0075-03

2016-11-06

黄旌（1975-），男，广东揭阳人，讲师，硕士，主要研究方向：航空维修工程、测试教学与研究。