CN108181230A - 一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法，包括纤芯，纤芯外部一端包裹有包层，包层外部一端包裹有涂覆层，纤芯外部另一端表面修饰有金属层，金属层表面设置有合金敏感膜，合金敏感膜为Fe‑C合金敏感膜。本发明制备的传感器结构简单且设计合理，易于制作，高灵敏度，高精度，对环境适应性好，可实现非接触、非破坏性监测，达到高密度检测，高速度传输，而且使用简便的独特优势。

Description

一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤腐蚀传感器及其制造技术领域，具体涉及一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法。

背景技术

随着国家在基础设施的投资力度逐渐增大，钢筋混凝土基于诸多优点的条件下成为当今世界应用最广泛的建筑材料。充分认识钢筋在混凝土结构中所起的作用、钢筋腐蚀带来的危害性、钢筋腐蚀监测的重要性等诸多问题，对于保证这些建筑结构安全运行是非常重要的。其中，混凝土结构中的钢筋锈蚀导致混凝土结构的过早破坏，是影响混凝土耐久性的首要原因。并且钢筋的锈蚀会导致混凝土构件承载力下降从而影响结构的安全性，造成巨大经济损失。因此监测混凝土结构中钢筋的腐蚀状况，掌握腐蚀速度及其变化规律是刻不容缓需要解决的问题。

钢筋腐蚀监测就是对钢筋腐蚀速度及某些与腐蚀速度有关的参数进行连续或断续的测量，同时根据测量结果对有关条件进行控制。其目的在于揭示钢筋腐蚀过程以及了解如何对钢筋腐蚀进行控制及控制效果，钢筋腐蚀监测获得的数据为结构的耐久性评估提供重要依据，同时腐蚀监测也是监控、评价腐蚀效果的有效手段。钢筋锈蚀的检测/监测方法很多，主要分为物理检测和电化学检测，其中物理检测包括光纤传感器监测。

由于混凝土结构中钢筋所处环境复杂，应用传统的化学和电化学腐蚀监测方法十分困难。基于光学方法的光纤腐蚀传感器则具有径细、质轻、抗强电磁干扰，耐高温、集信息传输与传感于一体及易集成至难以接近的待测区域等优点，有望克服传统腐蚀监测方法的缺陷，备受国内外专家和用户的青睐。并且钢筋腐蚀监测技术能够提供有关钢筋腐蚀状态、腐蚀速度及其变化规律方面的信息，在评价混凝土结构安全性方面起着十分重要的作用。

目前，国内外开发的监测钢筋腐蚀的光纤传感器基于的原理大致包括：对腐蚀环境参数监测、“腐蚀保险丝”、铁锈颜色的检测、弹簧锈蚀、金属腐蚀敏感膜、钢筋腐蚀体积膨胀等。

其中，由于体积小，测量精度高，可靠性好，耐腐蚀，抗电磁干扰，抗雷电，寿命长等优越性，Fe-C合金膜光纤腐蚀传感器在土木工程和腐蚀与防护领域得到了广泛的应用。该传感器是在光纤的芯部镀上Fe-C合金敏感膜。Fe-C合金敏感膜具备良好的信号吸收率，如果敏感膜没有受到腐蚀，检测到的光信号比较弱，如果受到腐蚀，则光信号比较强，根据这个原理可以进行光纤传感器的制作，将其埋设于混凝土中，通过对敏感膜腐蚀推测模块的开展，实现钢筋腐蚀状况的在线性监测，相比于传统的腐蚀检测方法，Fe-C合金膜光纤腐蚀监测技术具备更高的工作效益，能够进行混凝土内部结构检测、分布式检测等诸多工作的要求，实现工作成本的有效性降低，实现工程费用的有效维护。

光纤根据材质可分为玻璃光纤和聚合物光纤，上世纪60年代末，聚合物光纤几乎和玻璃光纤同时出现，由于玻璃光纤具有较低的传输衰减，所以很快就成主流发展技术。早期的聚合物光纤传输衰减在可见光波段达1000dB/km，而同期的玻璃光纤在1550nm处衰减只有1dB/km。目前，随着聚合物材料制作工艺的完善和发展，小于10dB/km传输衰减的聚合物光纤在市场上已有销售。传输损耗小于0.3dB/km的单模聚合物光纤已有研究报道，但制作材料和工艺相对较高和复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法，利用该光纤传感技术对腐蚀环境中的钢筋结构物实现实时腐蚀监测，尤其是对于海洋环境中的钢筋混凝土结构的实时腐蚀监控。

本发明采用以下技术方案：

一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，包括纤芯，纤芯外部一端包裹有包层，包层外部一端包裹有涂覆层，纤芯外部另一端表面修饰有金属层，金属层表面设置有合金敏感膜，合金敏感膜为Fe-C合金敏感膜。

具体的，合金敏感膜的厚度远小于检测所用光波的波长，导电且电连续。

进一步的，合金敏感膜的厚度为10～1000μm。

具体的，金属层为纤芯活化后再经过化学镀的膜层，厚度远小于检测所用光波的波长，导电且电连续。

进一步的，金属层为镍层，厚度为10～50μm。

一种制备铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器的方法，将一段聚合物光纤的涂覆层和包层去除，经打磨之后在纤芯外表面修饰导电的金属层，在金属层外表面上，再电镀Fe-C合金敏感膜，具体步骤如下：

S1、取一段聚合物光纤，使用刀片去除光纤的涂覆层，裸露包层和纤芯的长度为6～10cm；

S2、使用砂纸对裸露包层和纤芯部分采用边旋转边打磨方式打磨其表面；

S3、将打磨后的纤芯部分放置在含有NaOH、Na₂Co₃、Na₃PO₄和洗衣粉的除油溶液中充分除油，除油溶液温度为60～65℃，除油时间为40～50min，除油结束后将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理；

S4、将S3制备的纤芯部分，放置在敏化溶液中充分敏化；

S5、将S4制备的纤芯部分，放置在活化溶液中充分活化；

S6、将化学镀液放入恒温水浴锅中，并将S5中处理过的光纤纤芯传感区域保持水平放入化学镀液中保持20～30min，并保持化学镀液温度为90～95℃进行化学镀镍；

S7、将S6中镀有镍层的光纤纤芯带电放入电镀液中，将阳极卷成筒状，电镀时将金属化纤芯置于阳极的碳钢筒内，金属化纤芯的中轴线与阳极中轴线保持平行，采用恒电流电镀制成铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器。

具体的，步骤S1中，聚合物光纤的内外芯径尺寸为1.0mm/2.2mm。

具体的，步骤S4中，敏化溶液由5～10mL/L的Act PP-950塑料电镀胶体钯、280～300mL/L的盐酸混合而成；控制敏化溶液温度为20～25℃，敏化时间为12～20min；敏化结束后需将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理。

具体的，步骤S5中，活化溶液由70～100mL/L的JS Accelerate 960塑胶电镀、280～300mL/L的盐酸混合而成；控制活化溶液温度为45～50℃，活化时间为12～20min；活化结束后需将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理。

具体的，步骤S7中，电镀Fe-C合金的工艺参数为：电流密度i＝0.8～1.5mA/cm²，电镀时间为30～60min。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种实时监控钢筋腐蚀的Fe-C合金敏感膜光纤腐蚀传感器，包括纤芯以及依次设置在纤芯外部一端的包层和涂覆层，在纤芯的另一端修饰有金属层，并在金属层上设置Fe-C合金敏感膜，具有高灵敏度、高精度，且对环境的适应性好，能够进行非接触、非破坏性测试，能够进行高密度监测、高速传输，且使用简便，能够解决传统的检测技术无法解决的易燃、易爆、空间狭窄和具有强腐蚀性气体、液体以及射线污染的环境条件下进行腐蚀监控，光纤传输无电流通过，更加适合于苛刻环境条件下的多种参量的检测。

进一步的，根据光波导理论可知，两个介质之间膜层厚度远小于光波波长时，光波将从一个介质耦合到另一个介质，因此该中间导电层的厚度必须小于所用光波的波长(1550nm)，光波才能从纤芯内耦合到Fe-C合金膜上，才能通过光纤反映Fe-C合金膜的腐蚀信息。

进一步的，中间的导电金属层(镍层)越薄越好，但是若镍层过薄，膜层会出现多空、疏松，甚至出现不连续现象，将导致下一步电镀变得非常困难。因此，在保证中间导电层连续的情况下，应力求使中间层尽量薄，本发明控制化学镀金属层的厚度在10～50μm的范围内。

进一步的，最外层合金敏感膜的厚度应控制在10～1000μm，该敏感膜不可电镀过薄，否则在实时监测金属锈蚀时无法真实反应其腐蚀开始；亦不可电镀过厚，应根据实际需求选择电镀厚度，以保证满足实际监测需求和反映真实金属腐蚀过程。

本发明还公开了一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器的制备方法，将一段聚合物光纤的涂覆层和包层去除，经打磨之后在纤芯外表面修饰导电的金属层，即镍层，该金属层是电连续的；在该镍层外表面上，再电镀有适当镀层厚度的Fe-C合金敏感膜；该敏感膜结构均匀致密，其在微观结构和宏观性能方面，都具有与被检测钢筋之间的良好相关性；该纤芯的光源输出功率随着该敏感膜的腐蚀过程而增加。

进一步的，对具有惰性表面的光纤进行敏化，可以去掉光纤表面吸附的具有还原性物质，为活化提供催化活性金属离子，在光纤表面生成具有催化性的金属层。

进一步的，对进行充分敏化后的光纤进行活化，是为了形成具有催化活性的贵金属晶核，并吸附在光纤表面，保证化学镀镍能有效进行。其活化效果直接影响下一步镀层的质量。

进一步的，由实验数据所知，电镀所选用电流密度越大，合金膜的沉积速度越快，但是电流密度太大，所得的Fe-C合金镀层质量较差，其均匀性和平整性都较差，甚至导致脱落。其原因是大电流密度下的电镀反应太剧烈，致使电镀过程不稳定。并且，反应剧烈使镀层结合力减弱，造成Fe-C合金镀层剥离现象。而小电流密度使得电镀反应平稳，镀层也就变得细致均匀，同时镀层与纤芯的结合力得到了提高，但是电流密度过小又会造成反应速度太慢。因此，为了得到满足实验要求的镀层，选用较小的电流密度0.8mA/cm²～1.5mA/cm²。

综上所述，本发明制备的传感器结构简单且设计合理，易于制作，高灵敏度，高精度，对环境适应性好，可实现非接触、非破坏性监测，达到高密度检测，高速度传输，而且使用简便的独特优势。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明Fe-C合金膜聚合物光纤腐蚀传感器结构示意图；

图2为本发明Fe-C合金膜聚合物光纤腐蚀传感器传感区域结构示意图；

图3为为本发明Fe-C合金膜聚合物光纤腐蚀传感器的实验装置示意图。

其中：1.纤芯；2.包层；3.涂覆层；4.合金敏感膜；5.金属层；6.金属化纤芯；7.阴极；8.阳极；9.电镀溶液；10.万用表；11.可调电阻；12.稳压温流电器。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明将Fe-C合金敏感膜电镀于聚合物光纤传感器上面，将Fe-C合金敏感膜的优势与聚合物光纤的独有特点相结合，解决了在线无损定量监测钢筋腐蚀的一大难题。Fe-C合金膜聚合物光纤腐蚀传感器制备工艺研究，正是针对我国目前混凝土结构中钢筋腐蚀监测发展的需要，研究高灵敏度、低成本，易安装的光纤腐蚀传感器。推动混凝土结构中钢筋腐蚀监测技术的进步和精细化，减少钢筋锈蚀造成的破坏，达到早期预警的作用。同时推进土木工程结构健康监控学科的发展，具有十分重要的科学技术意义。

请参阅图1和图2，本发明一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，包括纤芯1、包层2和涂覆层3，包层2包裹在纤芯1的外部一端，涂覆层3包裹在包层2的外部一端，在纤芯1外部另一端表面修饰有导电的金属层5，在金属层5的外表面上电镀有适当镀层厚度的合金敏感膜4。

合金敏感膜4的合金为Fe-C，合金敏感膜4结构均匀致密，其在微观结构和宏观性能方面，都具有与被检测金属之间的良好的相关性；

合金敏感膜4是在金属层5(镍层)外再电镀Fe-C合金的膜层，其厚度为10～1000μm，合金敏感膜4以电镀方法制得，合金敏感膜4的厚度远小于检测所用光波的波长，导电且电连续。

纤芯1的光源输出功率随着合金敏感膜4腐蚀的进行而增加。

金属层5以化学镀方法制得，其镍层的厚度远小于检测所用光波的波长，导电且电连续。

金属层5为纤芯活化后再经过化学镀的膜层，其厚度为10～50μm。

本发明铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器的基本工作原理如下：

由于Fe-C合金膜塑料光纤腐蚀传感器是在去除涂覆层和包层的一段光纤的纤芯外表面修饰有导电的镍层，该金属层是电连续的；在该金属层外表面上，再电镀有适当镀层厚度的Fe-C合金敏感膜；该敏感膜结构均匀致密，其在微观结构和宏观性能方面，都具有与被测钢筋之间的良好的相关性；该纤芯的光源输出功率随着该敏感膜腐蚀过程的进行而增加。在导电金属膜上面再电镀Fe-C合金膜的目的，是利用Fe-C合金的敏感膜反射率极低，光能在该敏感区会有很大部分被沉积的Fe-C合金吸收，造成输出光能的降低。

因此一旦该金属膜发生腐蚀，Fe-C合金吸收的光能就会减少，而光源的输出功率应该随着该敏感膜被腐蚀的进行，即剩余的Fe-C合金敏感膜的逐渐减少，吸收光能的逐渐减少，而逐渐增加。敏感膜腐蚀的量越大，功率增加的越多。

当敏感膜完全被腐蚀掉以后，纤芯就被腐蚀溶液包围，该光纤纤芯的光源输出光功率基本不会再发生变化。初始时造成光功率下降的原因是随着腐蚀的进行，表面膜逐渐受到破坏，腐蚀介质很容易渗透进疏松多孔的表面膜层，并使膜层变得粗糙，对光吸收增加，输出光功率降低。一旦Fe-C合金包层大部分或全部被腐蚀介质取代并形成低折射率的水包层时，逐渐满足全反射条件，光泄露减少，输出光功率就会增加。由于具有这种敏感膜的光纤可以将被监测钢筋的呈现规律性改变的腐蚀光学信号，通过相应的传输设备传输至监测仪器。通过仪器监测钢筋腐蚀的发生和发展。

基于聚合物光纤的传感器既有光纤传感器的优势，且直接输出电信号易于和别的电类传感系统兼容，具有十分明显的本征优势和应用潜能。因此聚合物光纤在传感领域具有广泛的应用前景。

基于聚合物光纤的传感器和玻璃光纤传感器相比发展较晚，但最近增长较快，特别是在土木建筑、风力发电、环境监测等对温度要求不高的环境下(因为聚合物光纤耐温温度一般低于120℃)。在这些应用环境里，聚合物光纤作为信号感知和传输器件和玻璃光纤相比具有更多优点：柔韧性好，能提供更宽的监测范围。杨氏模量小、应力光学系数和热膨胀系数大，传感器灵敏度高；作为信号传输载体可以使用可见光波段的LED作为电/光或光/电转换器件，直接输出电压信号使解调系统成本大幅降低；具有更好的抗弯曲特性、芯径，数值孔径大、与光源和接收器的耦合效率高、简易的连接方式、端面处理和连接器件简单等优点。

本发明传感器结构简单、取材方便、容易制作、成本低廉、适合大批量生产；采用与工程用钢同材质的钢筋元件，更加贴近实际情况；传感器布设方便、安装简易，易于将多个传感器联网，实现对结构中钢筋的全面腐蚀实时监测。同时该传感器灵敏度好、准确度高、抗电磁干扰强，可以实现混凝土中钢筋的无损、定量和在线监测，为及早发现腐蚀及时采取措施提供条件。

一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、取一段市售聚合物光纤，使用刀片去除光纤的涂覆层，裸露包层和纤芯的长度为6～10cm；

从传感器的制作过程来看，一般希望光纤越粗越好，过于纤细的光纤在制作过程中容易发生折断。但从实际的制作过程来看，只要操作得当，细光纤同样可以达到较好的效果。而且粗光纤也存在柔韧性差，不容易弯曲等特点。因此，在传感器制作过程中，不宜使用过粗或过细的光纤。因此，本发明采用内外芯径尺寸为1.0mm/2.2mm的聚合物光纤。

市售聚合物传感光纤的尺寸(内外芯径尺寸)主要有1.0mm/2.2mm、0.5mm/1.0mm、0.25mm/1.0mm等。为了方便连接监测仪器，本发明采用最为常见的聚合物光纤，尺寸为1.0mm/2.2mm，进行铁碳合金敏感膜的电镀实验。

S2、使用普通砂纸对裸露包层和纤芯部分采用边旋转边打磨方式打磨其表面；

精确地去除光纤的涂覆层和包层是制作传感器过程中很重要的一步。如果包层不能很精确地从纤芯上去除，就无法得到表面光滑的圆柱形纤芯，将导致光泄露大量增加。当在纤芯表面镀完金属膜后，纤芯内传输的光功率降低就不单纯由金属膜的吸收作用导致，而会由粗糙表面的泄露作用导致，这将给后面实验数据的分析带来很多负面作用。因此，需要非常精确地从纤芯上去除掉包层，既无残留包层，也不损坏纤芯。但光纤很纤细，想要精确地去掉包层既需要合理的打磨方法，同时还需要实验员的细心操作。

S3、将打磨后的纤芯部分放置在除油溶液中充分除油，并控制除油溶液温度为60～65℃，除油时间为40～50min，除油结束后需将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理；

S4、将S3制备的纤芯部分，放置在敏化溶液中充分敏化；

敏化溶液由5～10mL/L的Act PP-950(塑料电镀胶体钯)、HCL(280～300mL/L)混合而成；控制敏化溶液温度为20～25℃，敏化时间为12～20min；敏化结束后需将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理；

光纤表面是一种“非活性”的惰性表面，因此要对光纤表面进行化学镀镍必须使光纤表面具有“催化活性”。在进行化学镀镍层时，由催化活性中心的晶核成长为晶格，然后逐渐长大最终形成连续的金属膜。金属膜从晶核开始成长到形成连续的金属膜的这段时间称为化学镀的诱导期。光纤表面敏化和活化的效果直接影响诱导期的时间长短。在对光纤进行活化之前需要先对光纤进行敏化处理，敏化是为了在去掉包层的裸光纤表面吸附一层具有还原性的物质，为下一步活化提供催化活性金属离子，在光纤表面生成一层很薄的具有催化性的金属层。目前比较常用的敏化液选用二价锡盐溶液，二价锡离子具有还原性，容易失去电子而被氧化。

S5、将S4制备的纤芯部分，放置在活化溶液中充分活化；

活化溶液由70～100mL/L的JS Accelerate 960(塑胶电镀)、HCL(280～300mL/L)混合而成；控制活化溶液温度为45～50℃，活化时间为12～20min；活化结束后需将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理；

光纤表面经过敏化处理后，对光纤进行活化处理，光纤活化的效果直接影响到镀层的质量。目前应用最广泛，活化效果比较好的活化剂是钯(Pd)催化剂，Pd为催化活性中心时颗粒的直径约为5nm，在12μm²的单位面积上活性中心的数量约为10～15个。敏化后光纤表面吸附的二价Sn²⁺与活化液中的二价Pd²⁺发生反应，形成具有催化活性的贵金属晶核Pd⁰，而贵金属晶核Pd⁰在活化后吸附在光纤表面，其成为化学镀镍导电层时的催化中心，使化学镀镍能有效进行。

S6、将配置好的化学镀液放入恒温水浴锅中，并将S5中处理过的光纤纤芯传感区域控制水平放入镀液中保持20～30min，并保持化学镀液温度为90～95℃；

光纤表面镀镍层的目的是为了使纤芯表面导电，从而使进一步电镀Fe-C合金膜变得可行。但中间膜层的加入势必影响纤芯内传输的光与Fe-C合金膜的相互作用，对传感性能起负面作用，所以必须对其进行有效控制，使不利影响降到最低。

S7、将S6中镀有镍层的纤芯放在电镀液中进行Fe-C合金敏感膜的电镀。

其电镀Fe-C合金的工艺参数为：电流密度i＝0.8mA/cm²～1.5mA/cm²，电镀时间30min～60min。

采用恒电流电镀，实验用辅助阳极8为20号碳钢材料；将辅助阳极8卷成筒状，电镀时将金属化纤芯6作为阴极7，进行Fe-C合金敏感膜的电镀；

其中采用数显式电热恒温水浴锅的工艺条件：控制电镀溶液温度为40～45℃，其温度扰动≤±0.5℃，且控制电镀溶液pH值为3.0～3.2。

在导电镍层上再电镀Fe-C合金敏感膜4，由于其电镀方法是采用恒电流电镀，将恒电位仪接成恒电流方式输出，实验用辅助电极为20号碳钢材料。

为了得到均匀的镀层，将辅助阳极8卷成筒状，电镀时将金属化纤芯6置于碳钢筒内，金属化纤芯6的中轴线要与辅助阳极8的中轴线保持平行。以表面金属化光纤6作为阴极7。这种将辅助电极卷成筒状的电镀形式是其他电镀方法中所没有的，本发明在导电镍层上再电镀Fe-C合金敏感膜，可以得到均匀的Fe-C合金敏感膜。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

取一段市售聚合物光纤50cm，内外芯径尺寸1.0mm/2.2mm，其内部结构如图1所示；

使用刀片去除该光纤的涂覆层，裸露包层和纤芯的长度为6～10cm。并将裸露包层和纤芯部分，先使用粗糙砂纸边旋转边打磨光纤表面，再使用细砂纸进行打磨；

将打磨后的纤芯部分，放置在除油溶液中充分除油；除油溶液由NaOH(80g/L)、Na₂Co₃(15g/L)、Na₃PO₄(20g/L)、洗衣粉(2g/L)混合而成；控制除油溶液温度为60℃，除油时间为40min。除油结束后需将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理；

将除油后的纤芯，放置在敏化溶液中充分敏化。敏化溶液由Act PP-950(5～10mL/L)、HCL(280～300)混合而成。控制敏化溶液温度为25℃，敏化时间为12min。敏化结束后需将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理；

Act PP-950(塑料电镀的胶体钯)生产于恩森(台州)化学有限公司。其是一种酸性活化剂与盐酸混合使用，它设计于塑料电镀，此活化剂非常稳定和具有长久的使用寿命。

注意在配制敏化液时，只能用去离子水，并且分析纯盐酸(37％)成分中绝对不能含硫。

将敏化后的纤芯部分，放置在活化溶液中充分活化。活化溶液由JS Accelerate960(70～100mL/L)、HCL(280～300mL/L)混合而成。控制活化溶液温度为45℃，活化时间为12min。活化结束后需将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理；

JS Accelerate 960(塑胶电镀)生产于恩森(台州)化学有限公司。其是一种液体浓溶液与水混合后即可以配制成为化学镀加速活化溶液，它适用于化学镀镍前的预活化处理，它可以改变化学镀镍的开始镀层速率，并可获得更佳的密着力，更均匀细致的镀层。

在经过催化活化溶液后，工件经过彻底清洗才可以进入到敏化溶液(JSAccelerate 960)中。工件经过敏化工作后，也必须彻底的清洗才可以进入到化学镀溶液中。

将配置好的化学镀液(JS-998)放入恒温水浴锅中，并将活化后的光纤纤芯传感区域尽量保持水平放入镀液中保持20min。并保持化学镀液温度为90℃。

JS-998(超光亮化学镀镍工艺)生产于西安汉特金属表面技术有限公司。其具有沉积速度快，操作温度低，PH值低，循环使用寿命长(可达8-10循环)，沉镀能力和分散能力极好，镀层外观白亮等特点，属于不含有铬、汞、铅、镉等重金属成份，符合欧盟的ROHS指标，适合欧美、日本等国的环保要求。

将镀好镍层的纤芯放在电镀液中进行Fe-C合金敏感膜的电镀。

如图3所示，电极设备装置试验采用恒电流电镀，实验用辅助阳极8为20号碳钢材料。为了得到均匀的镀层，将辅助阳极8卷成筒状，电镀时将金属化纤芯6置于辅助阳极8的碳钢筒内，金属化纤芯6的中轴线要与辅助阳极8的中轴线保持平行；以金属化纤芯6作为阴极7，进行Fe-C合金敏感膜的电镀，将辅助阳极8与金属化纤芯6都置于装有电镀溶液9的电镀槽中，阳极8依次经过万用表10、稳压温流电器12、可调电阻11与阴极7连接，该电极设备装置比其他经常采用平板状辅助阳极的试验设备所得到的镀层电镀效果好，有更加均匀且致密的Fe-C合金敏感膜层。

采用数显式电热恒温水浴锅的工艺条件：控制电镀溶液温度为40℃，其温度扰动≤±0.5℃。pH值为3.2；在含有少量柠檬酸和抗坏血酸的FeSO4溶液中，反应式为：

Fe²⁺+有机酸+2e＝Fe(C)

电镀溶液的配方如下：

成分	含量
		FeCl2·4H2O	50g/L
抗坏血酸	1g/L
		柠檬酸	1.5g/L
C12H25NaO4S	0.5g/L
		糖精钠	3g/L

由于镍层容易溶解在酸性的电镀容易在中，所以电镀时必须带电入槽。

电镀Fe-C合金的工艺参数为：电流密度i＝1.0mA/cm²，电镀时间为60min。电流密度过大，镀层表面粗糙，附着力较差。电流密度过小，耗电量大，上样量小，镀层无法满足要求。

本发明具有以下特点：

1、塑料光纤质轻、柔软，更耐破坏(振动和弯曲)。塑料光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点。柔韧、更小的杨氏模量、更大的热光系数和更大的热膨胀系数，所以聚合物光纤传感器能够提供更高的灵敏度和更宽的响应范围；

2、塑料光纤收发模块使用650nm波长的红光，非常安全，使用者可见也容易判断光纤的连接是否成功。作为信号传输载体可以使用可见光波段的发光二极管(LED)作为电/光或光/电转换器件，直接输出电压信号使解调系统成本大幅降低；

3、具有更好的抗弯曲特性、芯径大，数值孔径大，与光源和接收器的耦合效率高，端面处理简单、具有简易的连接方式和简单的连接器件等优点。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，其特征在于，包括纤芯(1)，纤芯(1)外部一端包裹有包层(2)，包层(2)外部一端包裹有涂覆层(3)，纤芯(1)外部另一端表面修饰有金属层(5)，金属层(5)表面设置有合金敏感膜(4)，合金敏感膜(4)为Fe-C合金敏感膜。

2.根据权利要求1所述的一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，其特征在于，合金敏感膜(4)的厚度远小于检测所用光波的波长，导电且电连续。

3.根据权利要求2所述的一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，其特征在于，合金敏感膜(4)的厚度为10～1000μm。

4.根据权利要求1所述的一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，其特征在于，金属层(5)为纤芯活化后再经过化学镀的膜层，厚度远小于检测所用光波的波长，导电且电连续。

5.根据权利要求4所述的一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，其特征在于，金属层(5)为镍层，厚度为10～50μm。

6.一种制备权利要求1至5中任一项所述铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器的方法，其特征在于，将一段聚合物光纤的涂覆层和包层去除，经打磨之后在纤芯外表面修饰导电的金属层，在金属层外表面上，再电镀Fe-C合金敏感膜，具体步骤如下：

S1、取一段聚合物光纤，使用刀片去除光纤的涂覆层，裸露包层和纤芯的长度为6～10cm；

S2、使用砂纸对裸露包层和纤芯部分采用边旋转边打磨方式打磨其表面；

S3、将打磨后的纤芯部分放置在含有NaOH、Na₂Co₃、Na₃PO₄和洗衣粉的除油溶液中充分除油，除油溶液温度为60～65℃，除油时间为40～50min，除油结束后将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理；

S4、将S3制备的纤芯部分，放置在敏化溶液中充分敏化；

S5、将S4制备的纤芯部分，放置在活化溶液中充分活化；

S6、将化学镀液放入恒温水浴锅中，并将S5中处理过的光纤纤芯传感区域保持水平放入化学镀液中保持20～30min，并保持化学镀液温度为90～95℃进行化学镀镍；

S7、将S6中镀有镍层的光纤纤芯带电放入电镀液中，将阳极卷成筒状，电镀时将金属化纤芯置于阳极的碳钢筒内，金属化纤芯的中轴线与阳极中轴线保持平行，采用恒电流电镀制成铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器。

7.根据权利要求6所述的一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器的制备方法，其特征在于，步骤S1中，聚合物光纤的内外芯径尺寸为1.0mm/2.2mm。

8.根据权利要求6所述的一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器的制备方法，其特征在于，步骤S4中，敏化溶液由5～10mL/L的Act PP-950塑料电镀胶体钯、280～300mL/L的盐酸混合而成；控制敏化溶液温度为20～25℃，敏化时间为12～20min；敏化结束后需将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理。

9.根据权利要求6所述的一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器的制备方法，其特征在于，步骤S5中，活化溶液由70～100mL/L的JS Accelerate 960塑胶电镀、280～300mL/L的盐酸混合而成；控制活化溶液温度为45～50℃，活化时间为12～20min；活化结束后需将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理。

10.根据权利要求6所述的一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器的制备方法，其特征在于，步骤S7中，电镀Fe-C合金的工艺参数为：电流密度i＝0.8～1.5mA/cm²，电镀时间为30～60min。