光纤布拉格光栅传感器耐高温保护及温度增敏研究

论文摘要

光纤Bragg(布拉格)光栅传感器(以下称光纤光栅)以其抗电磁干扰,灵敏度高、体积小等独特优点,越来越广泛应用于化学工业、建筑产业、航空等领域。为了光纤光栅的耐高温保护,使得此传感器和基体金属有很好的结合性,需要对光纤Bragg光栅表面金属化。由于光纤光栅材料的热光系数和热膨胀系数都较小,光纤光栅的温度灵敏度非常低。直接用光纤光栅作为传感元件,不易获得高的温度分辨率。将光纤光栅进行金属化封装保护,可以有效提高光纤光栅的温度灵敏度。本文围绕光纤光栅耐高温的金属化保护,以及保护后温度增敏开展研究,主要做了如下工作:(1)基于光纤光栅的特性,确定了在光纤表面镀前预处理的基本工艺流程为:去保护层—除油—粗化—敏化—活化—热处理。(2)分别研究了光纤表面化学镀镍和化学镀铜,并进行了实验对比分析,确定了镀液成分,获得了比较好的化学镀镍层和化学镀铜层。(3)进行了在化学镀铜基础上的电镀镍增厚实验研究,确定了电镀镍液组成及工艺条件,在化学镀铜层基础上电镀了镍层增厚,从而实现了光纤光栅的耐高温金属化保护。(4)对裸光纤Bragg光栅进行了温度传感系数标定,分别对化学镀镍,化学镀铜,化学镀铜后电镀镍的光纤Bragg光栅进行了温度传感性能实验研究,得到了各自的温度灵敏度。同时,分析了封装材料对光纤光栅温度灵敏度的影响。(5)用钎焊的方法将光纤光栅传感器嵌入42CrMo结构钢中,获得了智能金属结构。最终,通过对光纤光栅耐高温的金属化保护,实现了光纤光栅的温度增敏。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 智能材料与结构
• 1.2.2 光纤光栅在局部监测方面的作用
• 1.2.3 光纤光栅的封装保护技术
• 1.2.4 光纤光栅传感器的主要应用
• 1.3 主要研究内容及方案
• 1.3.1 主要的研究内容
• 1.3.2 采取的研究方案
• 第二章 光纤光栅及其传感机理
• 2.1 光纤及光纤光栅概述
• 2.1.1 光纤结构及特点
• 2.1.2 光纤光栅结构及其传感器特性
• 2.2 光纤光栅传感原理概述
• 2.3 光纤光栅的应变传感机理
• 2.3.1 光纤光栅应变传感模型假设
• 2.3.2 光纤光栅应变传感模型分析
• 2.4 光纤光栅的温度传感机理
• 2.4.1 光纤光栅温度传感模型假设
• 2.4.2 光纤光栅温度传感模型分析
• 2.5 裸光纤光栅的温度传感标定实验
• 2.5.1 温度标定实验设备及材料
• 2.5.2 温度标定实验过程
• 2.5.3 温度标定实验结果分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 光纤表面金属化保护研究
• 3.1 引言
• 3.2 光纤表面化学镀的研究
• 3.2.1 光纤表面的预处理
• 3.2.2 光纤表面化学镀镍的研究
• 3.2.3 光纤表面化学镀铜的研究
• 3.2.4 光纤表面化学镀镍和化学镀铜的比较
• 3.3 光纤表面电镀镍增厚的研究
• 3.3.1 电镀的仪器及装置
• 3.3.2 电镀基本成分及工艺
• 3.3.3 电镀实验结果分析
• 3.4 光纤金属化镀层性能测试
• 3.4.1 光学显微镜
• 3.4.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 3.4.3 电子能谱
• 3.4.4 导电性检测
• 3.4.5 结合力检测
• 3.4.6 可焊性检测
• 3.4.7 光纤光栅温度传感系数测量
• 3.5 本章小结
• 第四章 光纤光栅保护后温度增敏研究
• 4.1 引言
• 4.2 光纤光栅金属化保护后的温度增敏原理
• 4.3 化学镀镍光纤光栅温度传感特性
• 4.3.1 光纤光栅温敏测试主要实验设备
• 4.3.2 光纤光栅化学镀镍后温度传感实验过程
• 4.3.3 光纤光栅化学镀镍后温度传感实验结果分析
• 4.4 化学镀铜光纤光栅温度传感特性
• 4.4.1 光纤光栅化学镀铜后温度传感实验过程
• 4.4.2 光纤光栅化学镀铜后温度传感实验结果分析
• 4.5 电镀光纤光栅温度传感特性
• 4.5.1 光纤光栅化学镀铜后电镀镍温度传感实验过程
• 4.5.2 光纤光栅化学镀铜后电镀镍温度传感实验结果分析
• 4.6 封装材料对光纤光栅温度灵敏度的影响
• 4.6.1 光纤光栅封装后的温度灵敏度
• 4.6.2 封装材料性能对温度灵敏度影响分析
• 4.6.3 光纤光栅温度补偿特性
• 4.7 光纤光栅传感器钎焊嵌入金属基体研究
• 4.8 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 进一步工作的方向
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果