光纤布拉格光栅化学镀钴层的温度传感性能.pdf

X7 No, 7 Jul. 2014
o lateral protection
光纤布拉格光栅化学镀钻层的温度传感性能
胡涛,李玉龙!,茶映鹏
(1.南昌大学机电工程学院江西省机器人及焊接自动化重点实验室,江西南昌330031
2.江西五十铃发动机有限公司,江西南昌330200)
[摘要]为了有效地实现光纤布拉格光栅(FBG)的金属化和降低其生产成本,对FBG进行了化学锁钻。采用
体视显微和扫描电镜对镀钻层的外貌和结合状况进行了分析;通过X射线衍射分析仪对镀钻层的结构进行了分
析;使用光栅网格分祈仪测试了镀钻FBG的温度传感性能,并以传感模型进行了验证。结果表明:FBG化学镀
エ艺参数选用14.1g/LCoS0O,21.2g/ L Nah2PO2,141.1g/LC1H13K03,31.0g/LHBO3,pH値为10,温度90℃,
时间1h时,钻镀层均匀、平整,与FBG结合良好;FBG温度传感灵敏度随钻层増厚而加大,镀钻层厚度为5.0
um时温度传感灵敏度系数为12.21pm/℃,实测温度灵敏度系数与理论結果有较高的一致性。
关键词]化学镀钻;FBG;温度传感性能
中图分类号]TN253;TQ152[文献标识码]A[文章编号]1001-1560(2014)07-0038-04
0前言
材结合良好们。
本工作从FBG金属化增敏封装出发,实现了FBC
光纤布拉格光栅(FBG)是光纤传感领域的重要传
感元件,能感受外部环境物理量(温度、应力、应变)的
化学镀钻;对镀钴层的外貌、结合状况及结构进行了分
变化;体积小、易于复用、可用于恶劣环境,有着广泛的
析;系统研究了镀钴FBG的温度传感性能,并采用传感
模型对其进行了验证。
应用前景。然而,FBG质脆且灵敏度低,使用前需要作
金属化增敏封裝处理。目前,FBC金属化方法主要1试验
有真空蒸镀、溅射、化学镀及电镀等方法。其中,化学
1.1基材前处理
镀工艺简单、镀层均匀性好、成本低,具体品种有化学
能,但价格昂贵,应用范围受限;镀镍工艺成熟、稳定,不能直接作自催化反应,须对其作如下前处幻.分
镀金、银、镍、铜等。化学镀金、银具有良好的物理性
基材为FBC,主要成分是SiO2,因在化学镀过程
但镍的线性热膨胀系数较低,对FBG增敏效果不甚理
(1)去涂层将带有涂覆层的FBG置于丙酮溶
想り:镀铜存在镀液不稳定,对环境有污染等问题。液中常温浸泡10-15min,用脱脂棉轻擦。
目前,还未见采用化学镀钴的方法实现FBC金属化的
(2)除油采用无水乙醇浸泡及超声清洗,常温,
报道。钻具有较高的线性热膨胀系数(13.8
浸泡5min,超声清洗2min
10-/℃),非晶态钴合金电阻率高、高频损耗小,晶态
3)敏化敏化条件:10g/L氯化亚锡,40mL/L
钻合金还拥有优异的耐磨性、耐蚀性和耐热疲劳性等。盐酸;时间15~20min,温度25~-35℃;烘干。
化学镀钴合金属于晶态结构,镀层均匀、致密,且与基
(4)活化在FBG表面沉积一层钯原子,以确保
化学镀钻顺利进行:活化液由0.57g/L氯化钯和5
[收稿日期]2014-01-20
mL/L盐酸组成;时间15~20min,温度25~35℃。
基金项目]国家自然科学基金(5205035);教育都留学1.2化学链钻工艺
回国人员科研启动基金;江西省自然科学基
金(20132BAB206024)资助
将前处理后的FBG置于由主盐(硫酸钻)、还原剂
通信作者」李玉龙(98-),教授,工学博士,博士后,主(次磷酸钠)和配位剂(酒石酸钠)组成的镀液中(90
要从事光纤传感焊接工艺与装备相关研究和C,pH=10),镀液中发生的主反应:
教学工作,电话:13657095860,E-mail:liyn
(CoXn)+H2PO2+30H一→
longl112ster@gmail.com
Co↓+HPO32-+2H20+nX
第47卷·第7期·2014年7月
其中,X为酒石酸钠。
根据镀钴原理,镀层一般有2%-8%P存在,而
除了主反应外,还有次磷酸根水解而生成磷的副XRD谱中未显现P结构,P可能存在于a-Co结构中。
反应,所以镀层的最后产物为Co,P,即钴磷合金。
因为根据P-Co二元相图可知,室温下P在Co中的溶
化学镀钻工艺:14.1g/ L Coso4,21.2g/L解度非常小,镀钻层的结构形式是P溶解于a-Co中的
aH12PO2,141.1g/LCnH3K08,31.0g/LH3BO3;温度过饱和固溶体;P和Co的原子半径相差3%(差值小于
为90℃,用NaOH调节pH值为10,时间1h
15%),所以镀钴层的结构形式是P溶解于a-Co中的
1.3镀钻层测试表征
过饱和置换固溶体?。
(1)钴层外观宏观判定其形貌是否完整、光滑、2.2镀钻层的温度传感性能
颜色是否均匀性等,并采用体貌显微鏡和扫描电镜观
图3为镀钴层的截面显微形貌。由图3可见:镀
察镀钴层的显微形貌。
钻层厚度均匀,与FBG结合紧密,这是FBG拥有良好
(2)钴层结构化学镀钴后作100℃热处理、24
的温度传感性能的前提。
时效后,采用X射线衍射分析仪分析处理前后的结构。
(3)钻层性能通过扫描电镜观测镀钻层与PBG
的结合状态;采用光栅网格分析仪测试FBC镀钻后的
温度传感性能:第1组为FBC,第2,3组镀钴层厚度分
別为4.1,5.0um;3组为同一规格,理论温度灵敏度系
数均为10pm/℃。
50 um
2结果与讨论
图3FBG镀钴层截面的SEM形貌
2.1镀钻层的形貌与组构
FBG中光纤纤芯折射率呈周期性变化,反射中心
图1为FBG镀钻层的显微形貌。从图1可以看波长入满足式(2):
出:镀钻层均匀、表面平整、光滑。
入n=2n,nA
(2)
其中,na为有效折射率,A为光栅周期。当FBCG所处
环境温度发生变化时,会导致其反射中心波长变化[见
式(3)]。
AAB =am4nef +aneaa
入a(ax+)At=KA
(3
100gm
其中,为热膨胀系数,为光热系数,K为FBCG温度
图1FBG镀钴层的显微形貌
灵敏度系数。
图2为镀钻层热处理前后的XRD谱。从图2可以
图4为FBG化学镀钻前后(3组)升温和降温的传
看出:镀钻层为晶态结构?,且具有一致性。根据衍射感性能。由图4可见:第1组升降温的温度灵敏度系
峰的具体形貌结合PDF比对卡可知,热处理前后镀钴数分别为9.91,10.01pm/℃(相差1.0%),与理论值
层中均只存在-Co结构,其中的3个術射峰分别为(10pm/℃)几乎一致;第2组的升降温的灵敏度系数
(100),(002)和(101)晶面。
分别为11.4,11.64pm/C(相差2.11%);第3组的分
420
a-Co(100
1506「一第强
第2组
15405第1组
第1组
340
Aon41502
B=0.0164
1540.1
(002)
l01
B=0.01208
1539.9
1539.9