CN102830065A

CN102830065A - 一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN102830065A
Application number: CN2012103089126A
Authority: CN
Inventors: 程文华; 张慧霞; 刘峰; 许立坤
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-08-28
Also published as: CN102830065B

Abstract

本发明涉及一种具有阶梯型结构的金属敏感膜光纤腐蚀传感器及其制备方法。该传感器由光纤包层、纤芯、导电膜、阶梯型敏感膜组成，其感知材料腐蚀的敏感部分由钢铁、铝或铜等金属制成的敏感膜层，敏感膜具有阶梯型的层状连续结构。在一段多模或单模光纤上，除去部分光纤包层，裸露纤芯；在裸露的纤芯上预制导电膜；采用绝缘材料对导电膜进行分段涂覆；通过电镀的方法在未涂覆部分上制备不同厚度的具有阶梯型结构的金属敏感膜。本发明方法操作简单，制备的光纤腐蚀传感器其金属敏感膜使用寿命长，能够在较宽的金属膜厚度范围内产生光学信号响应，解决现有金属敏感膜光纤腐蚀传感器检测范围窄以及早期检测敏感性与使用寿命相互制约的问题，可用于桥梁、管道等不同金属结构物腐蚀过程的检测。

Description

一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有阶梯型结构的金属敏感膜光纤腐蚀传感器及其制备方法，属于金属材料光纤腐蚀监测技术领域。

背景技术：

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信和光电子技术的进步而发展起来的一项新技术，是以光波为传输媒质，通过光纤感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光纤本身体积小、质量轻，便于埋置于被测部位进行原位测量，而且光纤的工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线。光纤传感技术还具有敏感度高、抗电磁干扰的特点，能方便地进行光电或电光转换，易与计算机网络相匹配进行网络化的测量，具有其它检测技术无法比拟的优势，尤其适合于在易燃、易爆、空间受限及强电磁干扰等恶劣环境下使用。光纤传感技术从90年代开始逐步用于桥梁、管线等领域的腐蚀检测研究，通过光波参数的调制，能够实现腐蚀的直接检测（如金属敏感膜光纤传感器）以及与腐蚀相关的影响参数（氯离子浓度、溶液的pH值、溶解氧含量、环境湿度、温度、材料的应力状态以及腐蚀产物等）的测量。直接检测腐蚀的金属敏感膜光纤传感器具有信号易于处理、结构简单灵活的特点，受到广泛关注。中国专利CN200410035476.5介绍了在光纤纤芯制备碳钢、铝、锌等金属敏感膜的方法及相应的光纤腐蚀传感器；中国专利CN200410035475.0介绍了Fe-C合金膜的制备方法及光纤腐蚀传感规律；M Benounis分别对铝和铜金属膜的光纤腐蚀传感器进行了研究，由于这类金属敏感膜的光纤传感器只能在很窄的膜层厚度范围内与光学信号具有一定规律的响应，当敏感膜较厚（超过光学信号响应的临界厚度）时，金属敏感膜的早期腐蚀不会引起光学信号的变化，因此无法对早期的腐蚀及时响应。而敏感膜的临界厚度一般很小，对腐蚀监测的范围非常有限，不适合长期的腐蚀监测，造成了该类光纤腐蚀传感器的早期检测敏感性与使用寿命相互制约，限制了该类传感器的大量应用。光纤传感腐蚀监测技术具有现有其他检测技术无法比拟的独特优势，近年来发展迅速，尤其适合隐蔽部分以及智能结构的检测需求。该技术在海洋工程领域的应用刚刚起步，主要是材料的应力状态、环境温度等的监测。由于海洋工程领域的腐蚀问题相对突出，环境苛刻，对结构的安全性造成较大威胁，而现有的光纤腐蚀传感器在实际应用中还具有一定的局限性，因此亟待新型光纤腐蚀传感器的不断发展。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，针对目前单一厚度金属敏感膜光纤腐蚀传感器存在的检测范围有限的问题，根据金属敏感膜腐蚀传感器的测试原理，提供一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器及其制备方法，该方法通过在光纤纤芯上制备具有阶梯型结构的金属敏感膜进行金属腐蚀的光纤传感监测，制备的光纤腐蚀传感器能够在较宽的金属膜厚度范围内产生光学信号响应，解决现有金属敏感膜光纤腐蚀传感器检测范围窄以及早期检测敏感性与使用寿命相互制约的问题。

为了实现上述发明目的，本发明的一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器由光纤包层、纤芯、导电膜、阶梯型敏感膜组成，该传感器感知材料腐蚀的敏感部分是由钢铁、铝或铜等金属制成的敏感膜层，敏感膜具有阶梯型的层状连续结构。

当敏感膜发生腐蚀时，具有层状阶梯结构的敏感膜逐层受到腐蚀介质的侵蚀，光纤内的入射光在敏感膜腐蚀过程中发生相应的变化，通过对输出光信号的检测实现腐蚀过程的检测。

本发明的一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器的制备方法，按照如下步骤操作：第一步，在一段多模或单模光纤上，通过HF酸浸蚀或物理磨蚀的方法，除去部分光纤包层，使纤芯裸露，成为光纤传感器的敏感部分；第二步，在裸露的纤芯上，通过物理或化学沉积的方法预制导电膜；第三步，采用绝缘材料对导电膜进行分段涂覆，使其与电镀液隔离绝缘；第四步，导电膜每段涂覆后，通过电镀的方法在未涂覆部分上制备不同厚度的金属敏感膜，经过多次涂覆和电镀后，纤芯表面形成具有阶梯型结构的金属敏感膜；第五步，采用加热或溶剂溶解的方法去除所使用的绝缘涂覆材料。

本发明方法所述光纤除去包层部分的长度为1-6cm。

本发明方法所述裸露纤芯上的导电膜通过物理或化学沉积的方法制备，导电膜包括银膜、金膜、铜膜、铁膜、镍膜、铬膜等，导电膜的厚度为50-1000nm。

本发明方法所述导电膜的分段涂覆绝缘材料为各类树脂、聚合物、石蜡、松香等。

本发明方法所述阶梯型金属敏感膜采用逐段电镀的方法制备，膜材料包括钢铁、铝或铜等金属，阶梯型敏感膜的总长度为1-6cm，每个阶层的长度为0.2-1.0cm，敏感膜每个阶层的厚度约为临界厚度的大小，根据材料的不同而不同，其厚度为1-5μm。

本发明的一种用于金属材料腐蚀检测的新型光纤腐蚀传感器及其制备方法，传感器的敏感部分具有阶梯型结构。与单一厚度的敏感膜相比，具有较宽的测量范围，可有效解决目前该类传感器存在的早期检测敏感性与使用寿命相互制约的问题，并且在保证早期腐蚀信号及时响应的基础上，通过分段增加敏感膜厚度的方法，有效提高敏感膜的使用寿命，提高了该类传感器的可用性，可用于桥梁、管道等不同金属结构物腐蚀过程的检测。

附图说明：

图1为具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步阐述：

实施例1、

本实施例制备的一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器如图1所示，由阶梯型敏感膜1、导电膜2、光纤包层3、纤芯4组成，其感知材料腐蚀的敏感部分是由钢铁材料制成的敏感膜层，敏感膜具有阶梯型的层状连续结构。

其制备方法按照如下步骤操作：第一步，在一段多模光纤上，通过HF酸浸蚀的方法，除去部分光纤包层3，使纤芯4裸露，成为光纤传感器的敏感部分，除去包层部分的裸露光纤长度为6cm；第二步，在裸露的纤芯4上，通过磁控溅射的方法制备导电膜2，导电膜2的厚度为500nm，导电膜2为银膜；第三步，采用熔融的松香对导电膜2进行分段涂覆，使其与电镀液隔离绝缘，每段的长度为0.5cm；第四步，导电膜2每段涂覆后，通过电镀的方法在未涂覆部分上制备不同厚度钢敏感膜，经过多次涂覆和电镀后，纤芯4表面形成具有阶梯型结构的金属敏感膜1；第五步，阶梯型敏感膜1制备完成后，采用甲苯溶剂将涂覆的松香绝缘材料完全除去。

当阶梯型敏感膜1发生腐蚀时，具有层状阶梯结构的敏感膜逐层受到腐蚀介质的侵蚀，光纤内的入射光在阶梯型敏感膜1腐蚀过程中发生相应的变化，通过对输出光信号的检测实现腐蚀过程的检测。

实施例2、

本实施例制备的一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器如图1所示，由阶梯型敏感膜1、导电膜2、光纤包层3、纤芯4组成，其感知材料腐蚀的敏感部分是由铜材料制成的敏感膜层，敏感膜具有阶梯型的层状连续结构。

其制备方法按照如下步骤操作：第一步，在一段单模光纤上，通过HF酸浸蚀的方法，除去部分光纤包层3，使纤芯4裸露，成为光纤传感器的敏感部分，除去包层部分的裸露光纤长度为2cm；第二步，在光纤裸露部分的纤芯4上，通过化学沉积的方法制备导电膜2，导电膜2的厚度为300nm，导电膜2为铬膜；第三步，采用熔融的石蜡对导电膜2进行分段涂覆，使其与电镀液隔离绝缘，每段的长度为0.2cm；第四步，导电膜2每段涂覆后，通过电镀的方法在未涂覆部分上制备不同厚度铜敏感膜，经过多次涂覆和电镀后，纤芯4表面形成具有阶梯型结构的金属敏感膜1；第五步，阶梯型敏感膜1制备完成后，采用甲苯溶剂将涂覆的石蜡绝缘材料完全除去。

当阶梯型敏感膜1发生腐蚀时，具有层状阶梯结构的敏感膜逐层受到腐蚀介质的侵蚀，光纤内的入射光在敏感膜腐蚀过程中发生相应的变化，通过对输出光信号的检测实现腐蚀过程的检测。

Claims

1.一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器，其特征在于该传感器由光纤包层、纤芯、导电膜、阶梯型敏感膜组成，其感知材料腐蚀的敏感部分是由金属制成的敏感膜层，敏感膜具有阶梯型的层状连续结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器，其特征在于当敏感膜发生腐蚀时，具有层状阶梯结构的敏感膜逐层受到腐蚀介质的侵蚀，光纤内的入射光在敏感膜腐蚀过程中发生相应的变化，通过对输出光信号的检测实现腐蚀过程的检测。

3.一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器的制备方法，其特征在于按照如下步骤操作：第一步，在一段多模或单模光纤上，通过HF酸浸蚀或物理磨蚀的方法，除去部分光纤包层，使纤芯裸露，成为光纤传感器的敏感部分；第二步，在裸露的纤芯上，通过物理或化学沉积的方法预制导电膜；第三步，采用绝缘材料对导电膜进行分段涂覆，使其与电镀液隔离绝缘；第四步，导电膜每段涂覆后，通过电镀的方法在未涂覆部分上制备不同厚度的金属敏感膜，经过多次涂覆和电镀后，纤芯表面形成具有阶梯型结构的金属敏感膜；第五步，采用加热或溶剂溶解的方法去除所使用的绝缘涂覆材料。

4.根据权利要求3所述的一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器的制备方法，其特征在于所述光纤除去包层部分的长度为1-6cm。

5.根据权利要求3所述的一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器的制备方法，其特征在于裸露纤芯上的导电膜通过物理或化学沉积的方法制备，导电膜包括银膜、金膜、铜膜、铁膜、镍膜、铬膜，导电膜的厚度为50-1000nm。

6.根据权利要求3所述的一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器的制备方法，其特征在于导电膜的分段涂覆绝缘材料为各类树脂、聚合物、石蜡、松香。

7.根据权利要求3所述的一种具有阶梯型金属敏感膜的光纤腐蚀传感器的制备方法，其特征在于阶梯型金属敏感膜采用逐段电镀的方法制备，膜材料包括钢铁、铝或铜，阶梯型敏感膜的总长度为1-6cm，每个阶层的长度为0.2-1.0cm，敏感膜每个阶层的厚度为1-5μm。