CN104655551A - 基于敏感膜和刻蚀Bragg光栅的锈蚀传感器及制备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于敏感膜和刻蚀Bragg光栅的锈蚀传感器及其制备方法，它包括光纤，光纤上写有刻蚀Bragg光栅，刻蚀Bragg光栅外沉积有敏感膜，敏感膜的材质与被监测金属相同，厚度为10nm-1μm；其中刻蚀Bragg光栅的直径为8.6-12μm，与未刻蚀时相比，光栅中心波长降低2-6nm，中心峰值衰减10-20dBm。本发明提供一种利用光栅的折射率响应机理实现锈蚀监测的传感器，刻蚀光栅对外界环境折射率响应，敏感膜锈蚀折射率变化使光栅波长发生漂移，实现对金属锈蚀过程的监测；本发明传感器结构简单成本低、灵敏度高、无损监测，在一根光纤上设置多个传感器，可实现分布式测量。

Description

基于敏感膜和刻蚀Bragg光栅的锈蚀传感器及制备

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于敏感膜和刻蚀Bragg光栅的锈蚀传感器及其制备方法，主要应用于道路、桥梁、水利、港口、航空等领域的金属锈蚀监测。

背景技术

金属材料的耐蚀性能比非金属材料差，金属腐蚀在现在工业中的破坏作用很大，给人类带来巨大的经济损失和社会危害。在建筑工程中，混凝土结构内部钢筋锈蚀，导致结构的过早破坏。在海洋工程中，海水中的侵蚀离子会加速金属的电化学腐蚀。在航空工程中，飞机金属结构的腐蚀破坏时影响飞机寿命的重要因素。以上领域，都采取了一些抑制金属锈蚀的方法，但是仍需要腐蚀的监测和预警。传统的腐蚀监测方法，如电化学法、取样法、力学测试法等，但都存在不同程度的局限性。

光纤光栅（fiber Bragg grating，简称FBG）作为传感基元，主要利用光信号波长漂移作为解调信号，具有波长调制、分辨率高、波分复用，以及可进行分布测量等特点，已成为光纤传感领域的研究热点。光纤光栅作为传感基元，满足布拉格方程。当外界环境发生变化时，如应变、温度、折射率等，会导致光栅栅距或有效折射率发生变化，引起光纤光栅中心波长发生改变（λ）。应变和温度主要改变光栅栅距，而有效折射率不变。当光栅包层被刻蚀至接近纤芯表面时，光栅有效折射率会随外界物质折射率变化发生改变。

目前基于光纤光栅的金属锈蚀传感器有很多种，主要有：裸光栅型、物理封装型、敏感膜型等。

大连理工大学发明了一种将光纤光栅拉伸缠绕在钢筋表面的锈蚀传感器（专利申请号：CN201320299845.6）（裸光栅型）。该传感器仅有一根光纤光栅构成（裸光栅），通过测量钢筋因锈蚀产生的径向膨胀应变，实现对锚杆钢筋或钢绞线的腐蚀程度的定量监测。

中国科学院上海光学精密机械研究所公开了一种将光纤光栅封装在用待测金属材料制备的弹簧中的锈蚀传感器（专利申请号：CN200510024173.8）（物理封装型）。该传感器由光纤光栅和弹簧封装元件组成，当弹簧被腐蚀时，其弹性系数改变引起光栅受力变化，实现对待测金属的锈蚀监测。

武汉理工大学提出了一种镀有敏感膜的光纤光栅锈蚀传感器（专利申请号：CN201010201763.4）（敏感膜型）。在光纤光栅表面制备一层金属膜，敏感膜锈蚀膨胀使光纤光栅受力，中心波长漂移。

以上传感器都是直接或间接利用了光纤光栅的应变传感机理，完成对锈蚀的监测。与上述专利不同的是，本发明充分利用刻蚀光栅具有的折射率传感特性。本发明提出一种在刻蚀光栅上沉积锈蚀敏感膜的监测方法，通过监测外界易蚀环境导致的锈蚀敏感薄膜的折射率的变化，使得光纤光栅的中心波长发生漂移，继而达到监测锈蚀状态的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于敏感膜和刻蚀Bragg光栅的锈蚀传感器及其制备方法，利用光栅的折射率响应机理，结构简单成本低，并具有灵敏度高、无损监测、可实现分布式测量的优点。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于敏感膜和刻蚀Bragg光栅的锈蚀传感器，其特征在于：利用刻蚀Bragg光栅对外界折射率的敏感特性来监测敏感膜的锈蚀状态，继而探测锈蚀的发生。

按上述方案，它包括光纤，光纤上写有刻蚀Bragg光栅，刻蚀Bragg光栅外沉积有敏感膜，敏感膜的材质与被监测金属相同，厚度为10nm-1μm；

其中刻蚀Bragg光栅的直径为8.6-12μm，与未刻蚀时相比，光栅中心波长降低2-6nm，中心峰值衰减10-20dBm。

一种上述基于敏感膜和刻蚀Bragg光栅的锈蚀传感器的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、光栅的预处理：

取写有光栅的光纤，去除保护层；

S2、刻蚀光栅：

对光栅的包层进行刻蚀，得到刻蚀Bragg光栅的直径为8.6-12μm，与未刻蚀时相比，光栅中心波长降低2-6nm，中心峰值衰减10-20dBm；

S3、镀敏感膜：

利用真空溅射设备对刻蚀Bragg光栅进行镀膜，溅射靶材与被监测金属材料相同；敏感膜厚度为10nm-1μm，镀膜后光栅中心波长增加0.2-1μm，中心峰值增加5-10dBm。

按上述方法，所述的S1具体为：先利用强酸的强氧化性去除保护层，再进行去油污处理，最后利用去离子水进行超声清洗。

按上述方法，所述的S2采用化学腐蚀、机械研磨或激光烧蚀方法对光栅的包层进行刻蚀。

按上述方法，所述的S2利用HF酸溶液对预处理后的光栅进行包层腐蚀，HF酸浓度范围为5-40wt.%，温度10-40℃；腐蚀初期选用浓度为20-40wt.%的HF酸，温度30-40℃；当包层接近纤芯表面时，逐渐稀释HF酸浓度并降低反应温度；最后选用浓度为5wt.%的HF酸在8-10℃下，抛光若干分钟。

按上述方法，所述的S3在镀膜时，通过旋转支架令光纤在镀膜过程中进行旋转。

本发明的有益效果为：提供一种利用光栅的折射率响应机理实现锈蚀监测的传感器，刻蚀光栅对外界环境折射率响应，敏感膜锈蚀折射率变化使光栅波长发生漂移，实现对金属锈蚀过程的监测；本发明传感器结构简单成本低、灵敏度高、无损监测，在一根光纤上设置多个传感器，可实现分布式测量。

附图说明

    图1为光纤光栅包层刻蚀示意图。

图2为本发明一实施例的结构示意图。

图3为图2的截面图。

图中：1-反应容器，2-包层，3.1-待刻蚀光栅，3.2-刻蚀Bragg光栅，4-敏感膜。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种基于敏感膜和刻蚀Bragg光栅的锈蚀传感器如图2和图3所示，包括光纤，光纤上写有刻蚀Bragg光栅3.2，刻蚀Bragg光栅3.2外沉积有敏感膜4，敏感膜4的材质与被监测金属相同，厚度为10nm-1μm；其中刻蚀Bragg光栅3.2的直径为8.6-12μm，与未刻蚀时相比，光栅中心波长降低2-6nm，中心峰值衰减10-20dBm。光纤的其它部分外均裹有起保护作用的包层2。

上述基于敏感膜和刻蚀Bragg光栅的锈蚀传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、光栅的预处理：取写有光栅的光纤，去除保护层，裸光纤的长度为8-15mm；具体为：先利用强酸的强氧化性去除保护层，再进行去油污处理，最后利用去离子水进行超声清洗。

光纤表面包裹一层硅氧烷树脂等有机保护层，以增强其柔韧性并起保护作用。实验前必须去除保护层，可通过化学方法或物理方法。化学方法是利用强酸的强氧化性去除有机保护层。物理方法是用手工刀具剥除，为了去除残留光纤表面的有机物，再把光纤浸入浓硫酸中浸泡几分钟。

油污的存在对后续工艺不利，除去油污分为有机溶剂除油和化学除油。有机溶剂除油是利用有机溶剂溶解光纤表面的油污，常用的有机溶剂有煤油、汽油、甲苯和四氯化碳等。化学除油是在碱性溶液中的除油过程，作用原理包括皂化作用和乳化作用。

除油后，光纤表面会残留有机溶剂或碱性物质，为此需要进一步清洁。利用去离子水进行超声清洗，所得光纤表面有一层均匀的水膜，无色透明。

S2、刻蚀光栅：对光栅的包层进行刻蚀，得到刻蚀Bragg光栅的直径为8.6-12μm，与未刻蚀时相比，光栅中心波长降低2-6nm，中心峰值衰减10-20dBm。

光栅包层的刻蚀可通过化学腐蚀、机械研磨或激光烧蚀等方法。以化学腐蚀方法为例，如图1。将光纤光栅垂直放入反应容器1中，两端尾纤从反应容器1中引出，并作好密封保护。化学刻蚀中仅待刻蚀光栅3.1区域与腐蚀溶液接触，其他部分包层2未做腐蚀。

以化学腐蚀试剂HF酸为例。利用HF酸溶液对预处理的光栅进行包层腐蚀，HF酸浓度范围为5-40wt.%，温度10-40℃。腐蚀初期，为了提高速率可选用较高浓度的HF酸，浓度20-40wt.%，温度30-40℃。包层接近纤芯表面时，稀释HF酸浓度并降低反应温度，缓慢腐蚀包层。刻蚀后的光栅表面存在一定的粗糙度，为此选用5wt.%浓度的HF酸在低温10℃下，抛光若干分钟。

物理方法是机械抛磨或激光烧蚀等操作，如利用飞秒激光烧蚀去除光栅区域表面包层。

刻蚀光栅直径为8.6-12μm，直径越小对应传感器灵敏度越高。包层刻蚀后，光栅中心波长降低2-6nm，中心峰值衰减10-20dBm。

S3、镀敏感膜：利用真空溅射设备对刻蚀Bragg光栅进行镀膜，溅射靶材与被监测金属材料相同；敏感膜厚度为10nm-1μm，镀膜后光栅中心波长增加0.2-1μm，中心峰值增加5-10dBm。

利用真空溅射设备对刻蚀光栅进行镀膜，溅射靶材与锈蚀监测金属材料相同。根据被监测金属的材质，制备相应成分的溅射靶材。如：当监测钢筋锈蚀时，靶材为Fe(C)合金材料；当监测铝材时，靶材为纯度99.99%的纯铝。为了提高光纤表面薄膜的均匀性，可通过旋转支架令光纤在镀膜中进行旋转。严格控制溅射参数如溅射速率等，避免造成薄膜表面颗粒不均匀、残余应力过大等。

金属锈蚀敏感膜厚度为10nm-1μm，可依据监测要求选择适宜的厚度。镀膜后光波导衰减受到抑制，光栅中心波长增加0.2-1μm，中心峰值增加5-10dBm。

经以上步骤，可制得基于敏感膜和刻蚀Bragg光栅的光纤锈蚀传感器，其中光纤的刻蚀Bragg光栅区域包层被腐蚀，并镀有一层敏感膜，包层接近刻蚀Bragg光栅纤芯，包层残留厚度远小于纤芯。

将上述传感器放入模拟的锈蚀环境中，如氯盐溶液、盐雾溅射、干湿循环等，进行锈蚀和监测试验。传感器一端连接一定波段的光源，另一端与光学监测仪器相连，并记录光栅谱图数据。最终获得对应不同锈蚀状态下的光栅谱图，从而完成对锈蚀的监测。

例在3.5wt.% NaCl溶液中，金属敏感膜发生锈蚀，主要产物为α-FeOOH和β-FeOOH，其中以β-FeOOH比例较大，二者折射率较锈蚀前增大。光栅锈蚀漂移速率为0.03-0.1nm/h。不均匀锈蚀导致光栅旁瓣效应增加，使光栅峰值衰减2-10dBm。

本发明采用的光纤Bragg光栅是一种本征的光学传感器件，具有下列优点：检出量是波长变化、输出线性范围宽、易于实现波分复用、空间分辨率高、可实现参数的分布式测量。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于敏感膜和刻蚀Bragg光栅的锈蚀传感器，其特征在于：利用刻蚀Bragg光栅对外界折射率的敏感特性来监测敏感膜的锈蚀状态，继而探测锈蚀的发生。

2.根据权利要求1所述的基于敏感膜和刻蚀Bragg光栅的锈蚀传感器，其特征在于：它包括光纤，光纤上写有刻蚀Bragg光栅，刻蚀Bragg光栅外沉积有敏感膜，敏感膜的材质与被监测金属相同，厚度为10nm-1μm；

其中刻蚀Bragg光栅的直径为8.6-12μm，与未刻蚀时相比，光栅中心波长降低2-6nm，中心峰值衰减10-20dBm。

3.一种权利要求2所述的基于敏感膜和刻蚀Bragg光栅的锈蚀传感器的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、光栅的预处理：

取写有光栅的光纤，去除保护层；

S2、刻蚀光栅：

对光栅的包层进行刻蚀，得到刻蚀Bragg光栅的直径为8.6-12μm，与未刻蚀时相比，光栅中心波长降低2-6nm，中心峰值衰减10-20dBm；

S3、镀敏感膜：

利用真空溅射设备对刻蚀Bragg光栅进行镀膜，溅射靶材与被监测金属材料相同；敏感膜厚度为10nm-1μm，镀膜后光栅中心波长增加0.2-1μm，中心峰值增加5-10dBm。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的S1具体为：先利用强酸的强氧化性去除保护层，再进行去油污处理，最后利用去离子水进行超声清洗。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的S2采用化学腐蚀、机械研磨或激光烧蚀方法对光栅的包层进行刻蚀。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的S2利用HF酸溶液对预处理后的光栅进行包层腐蚀，HF酸浓度范围为5-40wt.%，温度10-40℃；腐蚀初期选用浓度为20-40wt.%的HF酸，温度30-40℃；当包层接近纤芯表面时，逐渐稀释HF酸浓度并降低反应温度；最后选用浓度为5wt.%的HF酸在8-10℃下，抛光若干分钟。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的S3在镀膜时，通过旋转支架令光纤在镀膜过程中进行旋转。