探究抗拉强度增加3.5倍的FBG传感器

李小金，吴志文，郑 敏，肖湘杰，侯 丹

（深圳太辰光通信股份有限公司 广东 深圳 518000）

0 引言

作为实际工程中应用最为广泛的光学传感器——光纤布拉格光栅（FBG）传感器因诸多优点得到研究者们的广泛关注。然而，FBG 传感器栅区易断裂（抗拉强度低）的缺点严重限制其进一步应用。以往的实验结果表明：崭新的光纤抗拉强度在5 GPa 左右[1-3]，但采用基于紫外激光的相位掩模技术刻写光栅后，其抗拉强度能降至0.4 MPa[4]。这是由于载氢过程和机械或化学剥纤会对光纤（栅区）造成伤害，使FBG 传感器的抗拉强度严重下降。栅区涂覆是一种有效提高FBG 传感器抗拉强度的方法，常用的栅区涂覆材料一般为金属材料，然而，金属材料容易受到空气、酸、碱等的腐蚀，极大影响到FBG 传感器的波形和长期使用。本文介绍一种新的栅区涂覆方式——聚酰亚胺（PI）薄片涂覆。PI 薄片涂覆具有耐高温、耐酸碱、高机械强度等优点[5-6]。实验结果表明：PI 薄片涂覆后的FBG 传感器比未涂覆的FBG 传感器的抗拉强度提高了3.5 倍，PI 薄片涂覆可有效保护FBG 传感器，提高其抗拉强度，避免其栅区断裂。

1 PI薄片涂覆的FBG传感原理

PI 薄片涂覆的FBG 传感原理是基于布拉格（Bragg）定律[7]演变而来。根据布拉格定律，布拉格反射波长（λB)可以表示为：

neff和Λ 分别为光栅的有效折射率和光栅周期，普通涂覆（涂覆材料为丙烯酸酯或聚酰亚胺，如图1a）的FBG的λB只受物理量应变、温度变化的影响，这是由于当应变、温度作用于FBG 时，neff和Λ 会发生细微改变，导致λB发生变化。采用PI 薄片涂覆FBG 后（如图1b），由于PI 会吸水膨胀和失水收缩的缘故，导致PI 薄片涂覆后的FBG波长的移动（Δλ）同时对应变(ε)、温度变化(ΔT)、湿度变化（ΔRH）敏感，表达式如下[8]：

图1 （a）普通涂覆原理 （b）PI 薄片涂覆原理

Pe，α，ξ 和SRH分别为光纤的光弹系数、热膨胀系数、热光系数和PI 薄片涂覆后的光栅的湿度灵敏度。为消除温度、湿度的影响，在实验过程中，我们把环境的温度和湿度分别控制在25.0 ℃和48 %RH。因此，式（2）简化为：

再根据胡可定律[9]，应变（ε）的计算表达式为：

F、E和A分别为PI薄片涂覆后的FBG受到的轴向拉力、光纤的弹性模量和光纤的横截面积。从式（3）和（4）可以得出，在温度和湿度不变的情况下，PI 薄片涂覆后的FBG 波长的移动正比于其受到的轴向拉力。

2 PI薄片涂覆的FBG传感器的制作

PI 薄片涂覆的FBG 传感器的制作过程如图2所示，玻璃基板由两块小尺寸玻璃（尺寸均为15×15×1 mm3）和1块大尺寸玻璃（尺寸为95×40×1 mm3）组成，这两块小尺寸玻璃通过高温胶固定在大尺寸玻璃上共同组成了玻璃基板（如图2a）。然后，把未涂覆的FBG 传感器（基于紫外激光的相位掩模技术刻写光栅，栅区长度为5 mm，剥纤长度为8 mm）拉直，通过高温胶带固定在玻璃基板上（如图2b）。高温胶带除了固定作用，还与玻璃基板构成了1个PI 薄片成形区域，利用注射器将聚酰胺酸（PAA）溶液注入PI 薄片成形区域（如图2c），等到PAA 溶液注满PI薄片成形区域后，将整套装置放入高温烤箱（高温烤箱的温度为100 ℃，如图2d）进行高温热固化处理（包含脱水和酰亚胺化两个过程），高温热处理过程为：100 ℃（保持1 小时）→160 ℃（保持1 小时）→220 ℃（保持2 小时）。经过高温热处理后，PI 薄片就成形了，此时关闭高温烤箱的加热开关，让其自然冷却，待温度降至150 ℃，取出整套装置，揭掉高温胶带，然后利用美工刀分离PI 薄片和玻璃基板（如图2e）。最后，利用剪刀将PI 薄片（此时PI 薄片和未涂覆的FBG 传感器结合为一体）剪成尺寸为10×2×0.125 mm3的形状（如图2f）。经过上述操作后，PI 薄片涂覆的FBG 传感器的制作就完成了。

图2 PI 薄片涂覆的FBG 传感器的制作过程

3 PI薄片涂覆前后，FBG传感器前后光学特性对比

为了解PI 薄片涂覆前后，FBG 传感器前后光谱是否发生畸变，本文进行了PI 薄片涂覆前后，FBG 传感器前后反射光谱的对比，如图3。可以看出PI 薄片涂覆后，边模抑制比从原来的18.25 dB 减小至16.85 dB；而FBG 传感器的中心波长和3 dB 带宽分别从原来的1 533.835 nm 增加至1 534.366 nm 和从0.259 nm 增加至0.267 nm。中心波长的增加可归因于PI 薄片弯曲所致，而3 dB 带宽的增加是因为栅区受到的不均匀应力的缘故[10-11]。尽管PI 薄片涂覆前后，FBG 传感器前后的光学参数稍有变化，但其前后反射光谱并没有发生明显畸变（如图3），即仍具有不畸变的布拉格峰，窄的带宽和高的边模抑制比等良好的光学性能。

图3 PI 薄片涂覆前后，FBG 传感器前后光谱和光学参数的对比

4 PI薄片涂覆前后，FBG传感器前后力学传感特性对比

为了解PI 薄片涂覆前后，FBG 传感器前后力学传感性能，本文进行了PI 薄片涂覆前后，单轴拉力测试实验，测试实验装置和测试结果，如图4。为避免FBG 传感器发生断裂和滑动[12]，FBG 传感器通过两个绞盘垂直固定在万能试验机上。图4b 和4c 为拉力测试结果，可以看出，PI 薄片涂覆前，FBG 传感器的拉力灵敏度为1.356 8 nm/N，线性度为0.999 6，中心波长（y）与施加的力值（x）之间满足y=1.356 8x+1 529.4。而PI 薄片涂覆后，FBG 传感器的拉力灵敏度降至1.0887 nm/N，线性度为0.997 3，中心波长（y）与施加的力值（x）之间满足y=1.088 7x+1 534.1。可以得出，尽管PI 薄片涂覆后，FBG 传感器的拉力灵敏度和线性度稍有下降，但依然呈现出很好的拉力灵敏度和线性度，表明PI 薄片涂覆后的FBG传感器具有良好的力学传感特性，可用于制作FBG 拉力传感器[13-14]。

图4 （a） 拉力测试实验装置，PI 薄片涂覆前（b）后（c），FBG 传感器的中心波长与施加的力值之间的关系曲线

5 PI薄片涂覆前后，FBG传感器前后抗拉强度对比

为了解PI 薄片涂覆前后，FBG 传感器前后抗拉强度的对比，我们借助旋转型光纤拉力测试机进行了强度拉伸破坏实验，实验结果如图5所示。可以看出，PI 薄片涂覆前，FBG 传感器的抗拉强度为96kpsi（1 kpsi=6.895 MPa），对应661.920 MPa，且在栅区发生断裂。而PI 薄片涂覆后，FBG传感器的抗拉强度为337 kpsi（抗拉强度增加3.5倍），对应2 323.615 MPa 即约为2.323 GPa，断裂处发生在栅区右侧。这意味着PI 薄片涂覆方法能够有效保护FBG 传感器，提高栅区的抗拉强度，从而避免FBG 传感器在栅区发生断裂。

图5 PI 薄片涂覆前（a）和后（b），FBG 传感器的抗拉强度值；（c）为PI 薄片涂覆前后，FBG 传感器抗拉强度数据对比结果

6 结论

本文对比了PI 薄片涂覆前后，FBG 传感器前后的光学性能、力学传感性能和抗拉强度，实验结果表明：PI 薄片涂覆后的FBG 传感器具有良好的光学性能（不畸变的布拉格峰、窄的带宽、高的边模抑制比），中心波长与施加的力值之间有很好的线性关系（线性度为0.997 3）和3.5倍增加的抗拉强度，意味着PI 薄片涂覆后的FBG 传感器在抗拉强度要求较高的应用场合具有明显优势。