杂志的下一篇文章
用于现场精确测量BTF的Lightdrum便携式光台
期刊上的上一篇文章
基于PTZ摄像机的带有透视畸变校正单元的位移传感器系统用于建筑物破坏的早期检测
 
 
搜索用于文章:
标题/关键字
作者/附属机构/电子邮件
日记账
文章类型
 
 
高级搜索
 
章节
特别发行
体积
问题
编号
第页
 
期刊销售
传感器
第17卷
第3版
10.3390/s17030431号
传感器-徽标
提交到此日志 本期刊的评论 提出特刊
► 文章菜单

文章菜单

分享 分享 公告 帮助 format_quote格式 引用 问题_答案 在SciProfiles中讨论 竖起拇指（_U）
...
背书 短信
...
注释
第一页（_P）
设置
订购文章重印
字体类型：
宋体 佐治亚州 宋体，Verdana
字体大小：
澳大利亚 澳大利亚 澳大利亚
行距：
列宽：
背景：
第条

一种改进的基于再生光纤布拉格光栅的金属封装应变传感器

通过
云图
1,
林烨
2,
周绍平
1和
涂善东
1,*
1
华东理工大学机械与动力工程学院压力系统与安全教育部重点实验室，上海200237
2
澳大利亚悉尼大学航空航天、机械和机电工程学院先进材料技术中心智能材料与结构实验室，2006年
*
信件应寄给的作者。
传感器 2017,17(3), 431;https://doi.org/10.3390/s17030431
收到的提交文件：2016年11月30日/修订日期：2017年1月16日/接受日期：2017年1月25日/发布日期：2017年2月23日
（本条属于本节物理传感器)
浏览地物
版本注释

摘要

:
局部应变测量被认为是高温构件结构健康监测的有效方法，需要准确、可靠、耐用的传感器。为了开发可用于高温环境的应变传感器，基于氢（H）中制造的再生光纤布拉格光栅（RFBG）的改进型金属封装应变传感器2)-采用磁控溅射和电镀相结合的工艺，研制了负载硼锗共掺光敏光纤，解决了石英光纤在高温退火再生后机械强度退化的限制。评估了RFBG的再生特性和传感器的应变特性。利用三维有限元模型对传感器进行了数值模拟。对于以H书写的FBG，观察到两种再生状态的异常衰变行为2-负载B–Ge共掺光纤。当暴露在高达540°C的恒定高温下时，应变传感器具有良好的线性、稳定性和重复性。实验结果与数值结果在应变敏感性方面取得了令人满意的一致性。结果表明，改进的基于RFBG的H型金属封装应变传感器2-负载硼锗共掺光纤通过解决机械完整性和封装问题，为高温应用提供了巨大潜力。

1.简介

由于全球能源短缺和环境恶化，大多数工厂往往在较高的操作参数下进行大规模操作，以提高能源转换效率和生产率，同时减少环境影响。不幸的是，由于高温下的材料劣化，这可能导致意外和致命的工业事故，导致重大资产损失，有时甚至人员生命损失。由于使用条件随时间变化，特别是在高温下，仅使用传统设计就不可能保证部件在运行前的完整性[1]. 因此，结构健康监测是通过提供有关关键部件状态的实时、可靠和准确信息来确保电厂安全的一个重要程序。
由于局部应变被用作高温部件蠕变条件的指标，鉴于应变和蠕变寿命之间的单调关系，应变测量被认为是监测这些部件结构健康的最可靠方法。然而，传统的应变仪在高温下长期测量时不可靠[2]除热致表观应变的非线性和电磁干扰敏感性（EMI）外。光学应变仪和数字图像相关（DIC）的测量精度也受到图像质量不足的不利影响，因为标记随着时间的推移暴露在高温下不可避免地退化[三]. 因此，在难以保证传感器可靠性和耐久性的高温下进行应变测量一直是一个长期的挑战，几十年来有许多潜在的工业应用，例如在加工、能源和航空航天行业。
光纤传感器（OFS）与电气传感器相比具有体积小、重量轻、电被动操作、灵敏度高、抗电磁干扰和腐蚀等诸多优点，因此非常适合于结构健康监测。特别是，波长编码光纤布拉格光栅（FBG）传感器具有固有的自参考和波长复用功能，允许它们在单个光纤中轻松序列化，并拼接到远程、分布式和多参数传感的电信光纤上[4]. 然而，在高温下表现出强烈衰减的传统I型光纤光栅原则上只能在高达300°C的温度下长时间工作[5]. 许多研究工作都花费在高温下热稳定光栅的研究上，包括I型光栅的形成n个（II型）格栅[6,7]和II型格栅[8]，飞秒激光写入[9]，形成表面浮雕光纤光栅[10]以及玻璃成分的剪裁[11,12,13]. 在过去十年中，人们发现了另一种变体，即再生光纤布拉格光栅（RFBG），它具有优异的高温稳定性，被认为是高温应用的基本潜力[14,15].
由于光纤应变传感器必须监测应变并确保在不利环境条件下的长期可靠性，因此适当的传感器包装和连接对其操作和寿命至关重要。一种常见的解决方案是用环氧树脂封装光纤传感器，这在室温下确实是一种简单的方法，但大多数环氧树脂在暴露于400°C以上的高温后会降解。为了克服这种传统封装方法的局限性，提出了一种全金属封装工艺，以保护裸露的RFBG免受环境攻击，并易于将基于RFBG的应变传感器连接到金属高温元件上[16,17]. 该过程通常包括两个步骤。在第一步中，通常通过化学镀等低温工艺在裸RFBG上沉积一层或两层金属膜作为粘合剂和/或导电层[16,18]物理气相沉积（例如磁控溅射[17,19]和蒸发沉积[20])和激光辅助无掩模微沉积[21]. 除了允许在金属膜上电镀镍涂层作为保护层之外，这是为了实现玻璃和金属之间的可靠粘合。然后，通过钎焊将金属涂层RFBG嵌入到熔化温度较高的金属基底中[16]，超声波固结[22]、激光添加剂制造[19,23]或镀镍[17,21]. 仔细选择包装材料和工艺对于确保包装本身在高温下的长期生存能力以及实现牢固可靠的玻璃-金属结合而不受机械或热损伤至关重要。
除了封装问题外，光纤在高温退火再生后的机械完整性是另一个重要问题，它阻碍了基于RFBG的应变传感器的实际应用，因为石英纤维在退火后的机械强度明显变弱，据作者和其他研究人员报道[24,25,26,27]. 观察到，与在退火发生的高温下测试的机械强度相比，将石英纤维加热到高温后冷却到室温会导致机械强度进一步显著降低。随着退火温度的升高，弱化程度变得更加严重。因此，基于使用标准电信硅纤维（美国纽约州康宁市康宁公司SMF-28）制造的RFBG的金属封装应变传感器只能在高达400°C的温度下使用[17]由于标准SMF-28石英光纤的机械强度在900°C退火后显著降低，其中RFBG需要约900°C的再生温度[26]. 然而，尽管高温退火通常会导致石英光纤的机械强度降低，但对于RFBG的制造来说，高温退火是必要的。因此，需要根据预期的操作温度和持续时间仔细选择退火温度，以便将RFBG的应用扩展到高温条件。
本文的目标是开发一种基于RFBG的应变传感器，该传感器能够应用于高温环境，例如运行温度高达540°C的化石燃料发电厂。使用氢（H）中制造的RFBG开发了金属封装应变传感器原型2)-负载硼锗（B–Ge）共掺杂光敏光纤（Fibercore Ltd.，PS1250/1500，英国南安普敦）。与用于制造高温应变传感器的SMF-28光纤相比，RFBG需要相对较低的再生温度（500°C）的PS1250/1500光纤不仅具有更好的机械完整性，而且具有更好的高温稳定性[17]. 因此，本文选择PS1250/1500光纤中的RFBG作为基敏元件，以开发高温应变传感器。阐述了应变传感器原型的制作过程，并对传感器原型及其对应的裸RFBG在高温单轴拉伸载荷下进行了表征。基于光纤光栅应变测量的基本原理和三维有限元建模，对传感器进行了数值模拟，以分析金属封装应变传感器的机械响应。

2.光纤布拉格光栅的应变传感原理

光纤光栅是作为光敏单模光纤纤芯折射率的周期性变化而形成的。当宽带光源与含有光纤光栅的光纤耦合时，光栅衍射特性促使只有非常窄的波长带被反反射。因此，光纤光栅传感器的使用依赖于确定后向反射窄带的中心波长，即布拉格波长， λ B类 ，由布拉格条件定义[28]
λ B类 = 2 n个 效率 Λ
哪里 n个 效率 是光纤芯的有效折射率 Λ 是光栅周期。两者都有 n个 效率 和 Λ 受变形和温度变化的影响。使用方程（1），布拉格波长的偏移， Δ λ B类 ，由于轴向应变和温度变化，由下式得出[29]:
Δ λ B类 = 2 ( Λ ∂ n个 效率 ∂ 我 + n个 电子 如果 如果 ∂ Λ ∂ 我 ) Δ 我 + 2 ( Λ ∂ n个 效率 ∂ T型 + n个 电子 如果 如果 ∂ Λ ∂ T型 ) Δ T型
哪里 Δ 我 和 Δ T型 分别是光栅长度和温度的变化。
方程（2）中的第一项表示光纤上的应变效应。当光纤只有轴向应变时，布拉格波长会因光栅周期的变化和光弹性引起的折射率的变化而变化。在这种情况下，方程（2）中的应变效应项可以表示为
Δ λ B类 = λ B类 { ε z（z） − n个 效率 2 2 [ 第页 12 ε z（z） + ( 第页 11 + 第页 12 ) ε 第页 ] }
哪里 第页 11 和 第页 12 是应变张量的分量，以及 ε z（z） 和 ε 第页 分别是光纤中的轴向应变和径向应变。典型B–Ge共掺杂光敏光纤的应变光学常数和有效折射率的典型值为 第页 11 = 0.113 , 第页 12 = 0.252 和 n个 效率 = 1.455 [30]. 对于布拉格波长为1550 nm的光纤光栅，由于施加了10的应变，布拉格波长的典型应变灵敏度约为1.2-pm的变化−6到格栅。

3.金属封装应变传感器原型

使用H制造的RFBG改进的金属封装应变传感器原型的研究和开发2-从三个方面阐述了负载PS1250/1500光敏光纤作为传感元件的原理。

3.1. 应变传感器样机的制作

使用嵌入钢基板中的金属涂层RFBG制作金属封装RFBG应变传感器原型可分为四个步骤：
第1步：当前工作中使用的定制I型种子光纤光栅用H编写2-负载PS1250/1500光敏纤维，包括10 mol%的GeO2和14–18 mol%的B2O（运行）三通过一个反射率约为80%的相位掩模，3-dB反射带宽小于0.3 nm，光栅长度为8 mm，由一家商业公司生产。
第二步：通过退火工艺再生RFBG。I型种子光纤光栅松散地放置在毛细管石英管（内径1 mm，外径2.5 mm）中，水平插入水平微型管式炉的中心区域，以保持沿光栅的温度均匀，避免光纤上出现任何机械或热应变。然后，将精度为±0.5°C的校准铠装N型热电偶与石英毛细管组装在一起，其尖端靠近光栅以控制温度。在退火过程中，它被内置在炉的反馈中，通过商业FBG询问器（Micron Optics，Inc.，Sm125-500，Atlanta，GA，USA）在反射中监测光栅的光谱行为。板状炉是定制的，长度为40 mm，用于退火短纤维，因为退火处理会大大降低纤维的机械强度，聚合物涂层也会通过热剥离去除。涂层对于保护纤维表面在后续制造过程中免受搬运损坏至关重要。熔炉配有内径为8 mm、长度为40 mm的石英管，以均匀炉内温度。在50分钟内将炉温从室温升高到500°C，然后在500°C的温度下保持恒定约120分钟，这就是触发再生的温度。据本作者所知，该温度是B–Ge共掺杂光敏光纤的最低再生温度，用于再生RFBG的典型退火过程如所示图1当温度接近500°C时，种子光纤光栅的反射峰值功率开始急剧衰减，直到在温度达到500°C后几分钟内降至噪声地板以下。之后，在500°C的温度下进行约120分钟的等温退火，约8分钟后，再生光栅在较长波长处出现，随后其反射强度逐渐增加至最大值，直至稳定。当温度降至室温超过90分钟时，RFBG的强度没有变化。RFBG及其对应的种子FBG的反射光谱由FBG询问器在21°C的室温下记录。
第三步：包含RFBG的多层金属涂层光纤是通过在光纤上沉积钛（Ti）薄膜作为粘合层，然后通过磁控溅射在粘合层上沉积银（Ag）膜作为导电层，然后再沉积镍（Ni）来制备的通过电镀在导电层上作为保护层。此步骤的详细信息已在我们之前的工作中描述[31].
第4步：为了成功地将多层金属涂层RFBG封装到P91钢衬底上，利用H2-采用与我们之前工作中描述的标准SMF-28通信光纤制作的RFBG相同的全金属封装工艺，加载PS1250/1500光敏光纤[17].

3.2. 应变传感器原型的表征

为了确定金属封装RFBG应变传感器的应变特性，对带有附加传感器原型的P91钢板拉伸试样进行了单轴拉伸试验。试样的标距长度为70 mm，其他尺寸如图2使用电阻点焊在两端沿中心线将传感器安装在量规段的中心，最大限度地减少对试样的不利热影响。如我们之前工作中所详细描述的那样，使用装有加热炉的机电通用试验机（MTS-SANS，CMT5504）通过施加拉伸载荷在试样中产生应变[17]. 将试样固定在夹具上，注意避免传感器尾光纤受到弯曲或扭转载荷。传感器连接到Sm125-500 FBG询问器，以评估安装过程中测量的反射光谱中的布拉格峰。之后，以均匀的速度将温度升高至所需的温度100°C、200°C、300°C、400°C、500°C和540°C，并在拉伸试验前保持约20分钟。为了在试样的标距长度上保持几乎均匀的温度，测量了三个校准的N型热电偶中的温差定义的温度梯度，其中一个安装在传感器的对面，另两个安装在两个夹具附近。试验温度控制在±2°C的公差范围内，拉伸试验期间三个点的温差不超过3°C。以1 kN或0.5 kN的荷载间隔向试样施加拉力，并在每个荷载水平下保持恒定2 min，以获得确定平均值的多次测量值。在室温（26.5°C）、100°C、200°C、300°C、400°C、500°C和540°C的相应试验温度下，最大拉伸力不超过8.0、8.0、7.0、6.5、6.0和5.5 kN，以避免P91钢试样出现不良塑性变形。
为了比较裸RFBG和封装RFBG传感器的应变特性，还使用我们之前工作中描述的试验装置对裸RFBGs进行了单轴拉伸试验[17]. 将含有RFBG的纤维小心地缠绕在两个绞盘上，并机械地夹住其末端。将纤维加热至室温（21°C）、100°C、200°C、300°C、400°C、500°C和600°C，并在每个温度下保持至少20分钟，然后再进行测试。在测试期间，以0.2 N的负载间隔拉伸光纤，并在每个负载水平下保持恒定2 min，在此期间保持温度恒定，以获得确定平均值的多次测量值。考虑到石英光纤在500°C温度下退火后的断裂力不超过8N，如我们之前的工作所述，对含有RFBG的光纤施加的最大力为4N，对应于约0.4%的应变，以避免光纤断裂[26].
在对带有RFBG传感器的P91钢试样和带有RFBG.的裸光纤进行拉伸试验期间，从称重传感器和FBG询问器中同时记录载荷和相应的布拉格波长。

3.3. 数值建模

在我们之前的工作中提出并详细说明的三维有限元建模方法[17]本文将，应用于金属封装RFBG应变传感器原型的建模，以发现嵌入式光纤中的应力和应变状态。三维有限元分析中使用的材料的机械性能列于表1。由于几何形状和载荷的对称性，用134952个六面体单元（SOLID185）离散了带有金属封装RFBG应变传感器的试样一半的结构模型。金属封装RFBG传感器的一半被选择用于网格细化，并用125952个六面体网格单元离散化，如图所示图3a.如图所示，在光纤和溅射和电镀金属层的位置选择了更细的网格尺寸。待连接在试样上的表面被定义为目标元件（TARGE170），而待连接在基板上的表面则被定义为接触元件（CONTA173）。结构荷载通过点焊连接点从试样表面传递到基底表面。将边界条件和荷载应用于结构模型的一半，如所示图3b。
光纤的轴向应变是通过三维有限元模拟获得的，方法是获得沿光纤对称轴的节点的平均应变，以及相当于RFBG光栅长度的8mm标距以上的平均应变。相应地，将光纤的轴向和径向应变代入方程（3），计算出布拉格波长位移的数值结果。

4.结果和讨论

4.1. 石英光纤高温退火后的机械强度退化

虽然高温退火通常会导致石英光纤的机械强度降低，但对于RFBG的制造来说，高温退火是必要的。因此，有必要量化退火对石英光纤拉伸强度的影响。我们之前工作中报告的石英光纤拉伸试验结果总结[26]如所示图4在500℃和900℃退火后，所有退火纤维的断裂应力急剧下降。由从15个样品的拉伸试验中收集的断裂应力确定的平均拉伸强度如所示图5结果表明，退火处理导致二氧化硅光纤在高温退火后的强度显著降低。一个特别有趣的结果是，退火纤维的强度不仅远低于未在室温下进行退火测试的样品，而且也远低于在300°C和540°C温度下进行测试的样品的强度，这与其他人观察到的性能非常相似[24,27].图5此外，与在500°C下退火的纤维相比，在900°C下较高的退火温度可能导致纤维强度的较大降低。在空气中退火后，发现二氧化硅纤维的机械强度变弱，但这种减弱的原因尚不清楚。最近，人们发现表面结晶可能是石英玻璃纤维在800°C左右退火后表面机械弱化的原因，而玻璃表面的水扩散控制虚拟点蚀可能是低温下强度下降的根源[27].
拉伸试验结果表明，RFBG的再生过程将大大降低石英光纤的机械强度，即使在再生过程中进行了仔细的准备。此外，机械强度随着再生发生时退火温度的升高而显著降低。为了将RFBG的应用扩展到高温条件，需要根据预期工作温度和持续时间仔细选择退火温度。就目前作者所知，约900°C的退火温度是H中种子FBG再生的最低温度2-负载SMF-28光纤，而约500°C的退火温度是PS1250/1500光敏光纤中种子光纤光栅发生再生的最低温度。因此，在较低温度500°C下退火的PS1250/1500纤维的机械强度预计将高于在较高温度900°C下进行退火的SMF-28纤维。因此，H2-负载PS1250/1500光纤，其中RFBG需要相对较低的500°C再生温度，是开发高温应变传感器的传感元件材料的更好选择。

4.2. 再生光纤布拉格光栅的再生特性

图1显示了PS1250/1500光纤中I型光纤光栅的反射峰值功率和布拉格波长偏移随退火时间的变化。此外，用N型热电偶测量的温度也显示在图1H中光栅的行为2-与H中的光栅相比，负载PS1250/1500光纤有显著差异2-负载SMF-28纤维，其性能已在我们之前的工作中进行了描述[31]. H中的I型光纤光栅2-温度超过150°C（相当于H中光纤光栅的约200°C）后，加载的PS1250/1500光纤开始缓慢衰减2-负载SMF-28光纤）。然而，FBG的衰减在~300°C的温度下停止，随后FBG的反射峰值功率开始略有增加。在约430°C以上，H中FBG的反射峰值功率在500°C的再生温度下迅速下降2-已加载PS1250/1500光纤。H中FBG的行为2-负载PS1250/1500光纤呈现两种再生温度状态，与H中的FBG非常相似2-Polz等人报告的负载GF1B光纤[35]. 相反，对于H中的FBG2-加载SMF28纤维后，作者和其他研究人员仅观察到900°C以上的一种再生状态[31,35]. 这种行为可能与所使用的特殊类型的纤维有关。为了获得极高的光敏性并匹配SMF-28光纤的模场直径（MFD），PS1250/1500光纤的纤芯被硼和锗共掺杂。因此，这两种再生机制可能与芯层和包层中发生的不同结构松弛有关，其中掺杂剂的成分和浓度不同，这一点迄今尚未阐明。需要进一步研究，以澄清这两种再生方式与特定纤维结构、掺杂剂成分和浓度之间的关系。
除了光栅的衰减外，还观察到布拉格波长的偏移，如所示图6.放大了500℃等温退火的步骤。在这一步中，随着种子光纤光栅的反射峰值功率快速下降到完全擦除的拐点，布拉格波长突然移动到较短的波长，这表明在这种高温下，折射率调制和平均折射率变化都大大降低，并且是PS1250/1500光纤中正常I型FBG的典型热衰减行为[36]. 当RFBG的反射峰值功率从拐点开始增加时，其布拉格波长比种子光栅的布拉格波长长得多，这与[37]这可能是由芯包层界面处随应力等变化而形成的RFBG所解释的。此后，还观察到RFBG的布拉格波长出现显著的负偏移，表明平均折射率变化减小，直到波长在500°C等温退火结束时逐渐稳定。种子光栅及其再生光栅的布拉格波长负位移趋势与H中光栅的趋势相似2-我们之前工作中报告的加载SMF-28光纤[31]也与再生型IIA光栅的观察结果类似[38]. 然而，这与其他研究人员的观察结果不一致，这些观察结果表明，不同掺杂成分和浓度的光敏光纤光栅的布拉格波长有正偏移的趋势[35,37,39].
在传感应用中，相对于光纤光栅的主瓣，需要具有良好的光谱轮廓和低的旁瓣反射率。图7显示了在PS1250/1500光纤中记录的I型种子光栅的反射光谱与在室温（21°C）下观察到的相应RFBG的光谱的比较。种子光栅的光谱具有宽带宽和明显的旁瓣，布拉格波长为1549.813nm，3dB反射带宽约为0.281nm，旁瓣抑制比约为15.5dB，反射率约为76.8%。与种子光栅相比，RFBG具有约9.6%的低反射率，但具有良好的光谱轮廓，与主瓣相比，具有更好的定义峰值（1550.450 nm）、更低的3 dB反射带宽（约0.190 nm）和更大的旁瓣反射率降低（约−25.16 dB）。由于高温退火处理，RFBG的光谱质量得到了显著改善，这足以适用于大多数商用FBG询问器的内置峰值检测算法，并且非常适用于多路复用。其原因是，由高强度脉冲引起的热激活缺陷被退火掉，在结构改变的区域和未受影响的区域与材料之间留下非常光滑的界面。总反射率和带宽的减少与光栅折射率调制的减少成正比[5]. 还观察到RFBG的布拉格波长比其种子光栅在室温下的布拉格长，这与在500°C下观察到的行为一致，但与RFBG在H下的行为不一致2-在我们之前的工作中观察到的负载SMF-28光纤[31]. 种子光栅和再生光栅之间存在明显的空间失配的原因是再生光栅很可能是在包芯界面处形成的。

4.3. 传感器原型的应变特性

图8显示了一个基于在H中制造的RFBG的金属封装应变传感器的实验室原型2-已加载PS1250/1500光纤。裸RFBG通过镀镍嵌入P91钢基体中，RFBG用钛和银薄膜溅射涂覆，总厚度约为0.6µm，并用镍镀层电镀，厚度约为200µm。
为了表征对外加应变的响应，基于H制造的RFBG的金属封装应变传感器2-通过点焊将负载的PS1250/1500纤维安装在P91钢试样上。在室温（26.5°C）、100°C、200°C、300°C、400°C、500°C和540°C的恒定温度下加载和卸载试样。图9a–g说明了金属封装RFBG应变传感器的波长偏移，作为应变的线性函数，应变是根据相应温度下P91钢试样的作用力、横截面积和杨氏模量计算得出的（如表1). H中裸RFBG的响应2-将PS1250/1500光纤加载到由施加的力确定的应变，也如所示图9a–g用于比较。观察到的布拉格波长和应变位移显示了金属封装和裸RFBG传感器的线性，以及调整后的确定系数（adj R2)前者大于0.999，后者大于0.9999。金属封装传感器保持其线性行为，这意味着每两层之间具有良好的界面完整性和每种材料的弹性变形。由直线斜率导出的应变敏感性图9a–g为2.10、2.15、2.12、2.17、2.15，2.12和2.11 pmµε−1金属封装RFBG传感器分别在室温（26.5°C）、100°C、200°C、300°C、400°C、500°C和540°C的恒定温度下加载，略高于2.08、2.10、2.08、215、2.04、2.09和2.06 pmµε−1在卸载条件下，相对柔性的结构基底发生弹性滞后。此外，在相应的测试温度下，该值比基于H中RFBG制造的金属封装应变传感器的值高约30%2-我们之前工作中报告的加载SMF-28光纤[17]. 这可能主要归因于手动制造的封装结构的几何尺寸（电镀镍涂层的厚度、嵌入基底的纤维的深度等）的差异，以及材料参数（杨氏模量等）的不准确性用于计算钢试样承受的应变。电镀镍涂层越薄，光纤嵌入基板的位置越深，传感器的应变灵敏度越高。用于计算试样所受应变的P91钢的杨氏模量值可能略大于真实值。因此，计算出的应变小于P91钢试样所承受的真实应变，从而使波长偏移与计算应变之比的灵敏度更高。
H中裸露RFBG的拉伸试验结果2-加载的PS1250/1500光纤绘制于图9a–g，用于与金属封装RFBG应变传感器进行比较。我们可以获得1.21、1.22、1.22，1.23、1.25和1.28 pmµε的应变敏感性−1裸RFBG传感器分别在室温（21°C）、100°C、200°C、300°C、400°C和500°C的恒定温度下加载，与1.21、1.21、1.2、1.22、1.23、1.25和1.28 pmµε−1卸载不足。它们略高于H中裸RFBG的值2-我们之前工作中报告的加载SMF-28光纤[17]. 金属封装的RFBG传感器的应变灵敏度比裸露的RFBG传感器高约70%，这是由于衬底的柔性结构专门设计用于增强应变灵敏度。标称标距长度的近似值（参见图8)金属封装RFBG应变传感器的测量轴是焊点之间的距离。传感器应变敏感段的真实标距长度是包含RFBG的金属涂层光纤的长度，由柔性结构内部测量，该长度小于标称标距长度。在标称标距长度上测量的结构变形主要导致超过真实标距长度的伸长，而不是超过标称标距的伸长，因为在没有柔性结构的基板截面上的刚度远大于在有柔性结构的截面上的刚性。这里，传感器的应变灵敏度是由真实标距长度上的平均单位伸长率引起的应变传感器的布拉格波长偏移与根据所施加的力、横截面积和待测结构的杨氏模量确定的标称应变之间的比值，对应于标称标距长度上的平均单位伸长率。因此，由于结构灵活，金属封装传感器的应变灵敏度高于裸RFBG传感器。
对于传感器应用，基于RFBG的应变传感器的布拉格波长在高温加载时必须稳定且可重复。因此，在相同的试验温度下进行三次拉伸试验，以确定其稳定性和重复性。图10a–g显示了在26.5°C、100°C、200°C、300°C、400°C、500°C和540°C的恒定温度下，传感器原型在机械加载循环期间布拉格波长偏移的时间演变，波长偏移和时间尺度相同。观察到传感器原型在其布拉格波长上没有明显漂移。当载荷在2分钟内保持恒定时，通过平均测得的位移来计算传感器原型布拉格波长的每个位移，以确定其应变灵敏度。从机械载荷循环试验中获得的这些值彼此吻合良好，如所示图11传感器原型波长偏移的轻微波动与300°C和400°C温度下的温度扰动有关。因此，这些结果突出了补偿温度影响以提高精度的重要性。实验结果表明，基于RFBG的金属封装应变传感器在H2-负载PS1250/1500光纤具有良好的稳定性和重复性。还证明，光纤与钛层以及镍层与P91钢基体之间的界面结合很强。

4.4. 数值结果

通过实现金属封装RFBG应变传感器的三维有限元模型估算的数值结果也显示在图9a–g，用于与实验结果的比较。通过将从有限元模拟中获得的光纤轴向和径向应变代入方程（3）计算出的布拉格波长偏移，以及通过施加到试样上的力确定的应变值是线性的。1.84、1.85、1.86、1.85，1.83、1.83和1.83 pmμε的数值应变敏感性−1由中所示的实心蓝色直线的斜率导出图9分别为a–g。实验结果与数值结果的比较表明，两者吻合良好，相对误差小于15.7%，这可能主要是由于三维有限元模型中使用的材料参数（尤其是P91钢）不准确以及结构尺寸测量误差所致。
为了避免P91钢试样出现不希望出现的塑性变形，只测试了约0.08%的应变，对应于从有限元模拟获得的RFBG中约0.12%的应变。对于进一步加载，可将验证的线性趋势保持在裸RFBG的应变极限（即，如前几节所述，4N时约0.4%，对应于试样中约0.26%的应变），这限制了传感器的应变测量范围。然而，这在很大程度上也取决于基底的行为。在0.26%的应变下，基板中出现的von Mises应力是根据室温下的有限元建模确定的，如所示图12假设点焊具有足够的强度，可以将结构载荷从试样传递到传感器，则镍层中出现的最大von Mises应力远远超过59.0 MPa的屈服强度[32]除了点焊区域发生屈服外，这证实了传感器的应变测量范围不仅受到RFBG的应变范围的限制，还受到金属包装材料和点焊的强度的限制。

5.结论

本文介绍了基于H制造的RFBG的金属封装应变传感器实验室原型的开发和表征结果2-报道了负载硼锗共掺光敏光纤。调查得出以下结论：
  • 在需要相对较低再生温度（例如，500°C的再生温度）的光纤（例如，B–Ge共掺杂光敏光纤）中制作的再生光纤布拉格光栅是开发高温应变传感器的首选传感元件。这考虑到再生过程显著降低了二氧化硅光纤的机械强度，即使在再生过程中进行了仔细的准备，在更高的再生温度下退火后，二氧化硅光纤的降解也变得更加严重。
  • 基于H制造RFBG的金属封装应变传感器原型2-负载PS1250/1500光纤在540°C以下的恒定高温下具有良好的线性、稳定性和重复性，高于基于H中RFBG的应变传感器的400°C的工作温度上限2-我们之前工作中报告的加载SMF-28光纤[17]. 由于金属基板的柔性结构的支持，金属封装传感器的应变灵敏度比相应的裸RFBG高约70%。
  • 在H中写入的FBG中发现了表现出两种再生状态的异常衰变行为2-负载PS1250/1500光纤的反射率在约300°C至约430°C的温度范围内出现小幅度但明显的增加，被解释为第一次再生状态。在约430°C以上，光栅开始衰变至500°C，此时FBG再生，这被解释为第二再生状态。这与H中FBG的行为类似2-Polz等人观察到负载GF1B光敏纤维[35]. 与此相反，对于H中的FBG2-负载SMF28纤维后，仅观察到一种900°C以上的再生状态。再生的两种状态可能与芯层和包层中发生的不同结构松弛有关，其中掺杂剂成分和浓度不同。
  • 金属封装应变传感器原型的应变灵敏度实验结果与数值结果的比较表明，在试验温度范围内，其相对误差小于15.7%，这主要是由于材料参数的不准确，尤其是用于三维有限元模型的P91钢，以及结构尺寸测量中的误差。有限元模拟还表明，传感器的工作应变范围不仅受到RFBG应变测量范围的限制，还受到金属包装材料和点焊强度的限制。
使用石英光纤的金属封装应变传感器以前所未有的方式为高温环境中的应变测量提供了巨大潜力。然而，石英光纤在高温退火后的强度退化也可能阻碍基于RFBG的应变传感器的实际应用。机械完整性和包装仍然是关键挑战。在未来的工作中，改善材料系统以应对更高温度的挑战至关重要。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（No.515051472105）、上海市自然科学基金会（No.15ZR1409100）、中国博士后科学基金（No 2015M580298）、中央高校基本科研基金（No.WG1514032）的资助和111项目（编号B13020）。

作者贡献

涂S.-T.和涂Y.构思并设计了实验；涂勇进行了实验并分析了数据；屠义英、叶丽莲、周世平和屠世通对实验结果进行了解释；Tu Y.，L.Ye，S.-P.Zhou和S.-T.Tu撰写并修改了这篇论文。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

工具书类

  1. Tu，S.-T.关键工业设备的寿命预测和监测。在2009年FM会议记录——当前力学方法的可传递性和适用性，中国成都，2009年10月16日至20日; Sih，G.C.，Tu，S.-T.，Wang，Z.-D.，Eds。；华东科技大学出版社：上海，中国，2009；第13-22页。[谷歌学者]
  2. 张，H。；贾，J。；Wang，N。；胡，X。；图，S.-T。；周，S。；Wang，Z.电厂高温部件在线监测系统的开发。传感器 2013,13, 15504–15512. [谷歌学者] [交叉参考] [公共医学]
  3. Sposito，G。；沃德，C。；考利，P。；纳吉，P.B。；Scruby，C.电厂钢材蠕变损伤检测的无损检测技术综述。NDT E国际。 2010,43, 555–567. [谷歌学者] [交叉参考]
  4. Mihailov，S.J.光纤布拉格光栅传感器，适用于恶劣环境。传感器 2012,12, 1898–1918. [谷歌学者] [交叉参考] [公共医学]
  5. 贝克，S.R。；鲁克，H.N。；贝克，V。；Goodchild，D.在硼和锗共掺杂二氧化硅光纤中写入的光纤布拉格光栅的热衰减。J.光波技术。 1997,15, 1470–1477. [谷歌学者] [交叉参考]
  6. Groothoff，N。；Canning，J.用于高温操作的增强型IIA光栅。选择。莱特。 2004,29, 2360–2362. [谷歌学者] [交叉参考] [公共医学]
  7. O.普拉卡什。；库马尔，J。；马哈库德（Mahakud，R.）。；阿格拉瓦尔，S.K。；迪克西，S.K。；Nakhe，S.V.。用255 nm光束写入的III型光纤光栅的温度稳定性增强（~800°C）。IEEE光子学技术。莱特。 2014,26, 93–95. [谷歌学者] [交叉参考]
  8. Bartelt，H。；舒斯特，K。；昂格尔，S。；Chojetzki，C。；Rothhardt，M。；Latka，I.高温下使用的单脉冲光纤布拉格光栅和特定涂层。申请。选择。 2007,46, 3417–3424. [谷歌学者] [交叉参考] [公共医学]
  9. 冶炼厂，C.W。；格罗布尼奇，D。；Mihailov，S.J.高反射热稳定超快感应光纤布拉格光栅2-加载SMF-28光纤。IEEE光子学技术。莱特。 2009,21, 682–684. [谷歌学者] [交叉参考]
  10. Lowder，T.L。；史密斯，K.H。；伊普森，B.L。；A.R.霍金斯。；塞尔弗里奇，R.H。；Schultz，S.M.使用表面浮雕光纤布拉格光栅进行高温传感。IEEE光子学技术。莱特。 2005,17, 1926–1928. [谷歌学者] [交叉参考]
  11. Brambilla，G。；热稳定性增强的Rutt，H.光纤布拉格光栅。申请。物理学。莱特。 2002,80, 3259–3261. [谷歌学者] [交叉参考]
  12. Pal，S。；沈，Y.H。；曼达尔，J。；Sun，T。；Grattan，K.T.V.使用Sb-Er-Ge编码光纤荧光和光栅技术组合，同时测量应变（至2000με）和温度（至600°C）。IEEE传感器J。 2005,5, 1462–1468. [谷歌学者] [交叉参考]
  13. 布托夫，O.V。；迪亚诺夫，E.M。；Golant，K.M.，用于在高温下工作的布拉格光栅传感器的掺氮硅芯光纤。测量。科学。Technol公司。 2006,17, 975–979. [谷歌学者] [交叉参考]
  14. Fokine，M.掺氟锗石英光纤中化学成分光栅的热稳定性。选择。莱特。 2002,27, 1016–1018. [谷歌学者] [交叉参考] [公共医学]
  15. 坎宁，J。；史蒂文森，M。；Bandyopadhyay，S。；库克，K。极端二氧化硅光纤光栅。传感器 2008,8, 6448–6452. [谷歌学者] [交叉参考] [公共医学]
  16. 桑德林，S。；Kinnunen，T。；Ramo，J。；Sillanpaa，M.光纤布拉格光栅金属重涂的一种简单方法。冲浪。涂层。Technol公司。 2006,201, 3061–3065. [谷歌学者] [交叉参考]
  17. Tu，Y。；Tu，S.-T.金属封装再生光纤布拉格光栅应变传感器的制造和表征，用于高温部件的结构完整性监测。聪明的母亲。结构。 2014,23, 035001. [谷歌学者] [交叉参考]
  18. 谢俊芳。；张，H。；朱，Z。；Xu，J.-N。；胡，R.-H。；Song，L.-F.光纤布拉格光栅金属化后的温度敏感性研究。聪明的母亲。结构。 2007,16, 1837–1842. [谷歌学者] [交叉参考]
  19. 李，X.C。；Prinz，F。；Seim，J.嵌入金属的光纤布拉格光栅传感器的热行为。聪明的母亲。结构。 2001,10, 575–579. [谷歌学者] [交叉参考]
  20. 卢皮，C。；费利，F。；伊波利蒂，L。；Caponero，文学硕士。；Ciotti，M。；纳德利，V。；Paolozzi，A.用于提高光纤布拉格光栅传感器在低温下的灵敏度的金属涂层。聪明的母亲。结构。 2005,14，N71–N76。[谷歌学者] [交叉参考]
  21. Alemohammad，H。；Toyserkani，E.金属嵌入式光纤传感器：基于激光的分层制造程序。制造科学杂志。工程-事务处理。美国机械工程师协会 2011,133, 031015. [谷歌学者] [交叉参考]
  22. 李毅。；刘，W。；Feng，Y。；Zhang，H.镀镍光纤布拉格光栅在铝中的超声嵌入及其相关传感特性。选择。纤维。Technol公司。 2012,18, 7–13. [谷歌学者] [交叉参考]
  23. 哈弗曼，D。；马修，J。；威斯康星州麦克弗森。；R.R.J.迈尔。；Hand，D.P.，使用埋入316不锈钢中的光纤布拉格光栅测量温度和应变。J.光波技术。 2015,33, 2474–2479. [谷歌学者] [交叉参考]
  24. Proctor，工商管理硕士。；惠特尼，I。；Johnson，J.W.熔融二氧化硅的强度。程序。R.Soc.伦敦。A类 1967,297, 534–557. [谷歌学者] [交叉参考]
  25. Wang，T。；Shao，L.Y。；坎宁，J。；Cook，K.再生光栅的温度和应变表征。选择。莱特。 2013,38, 247–249. [谷歌学者] [交叉参考] [公共医学]
  26. Tu，Y。；Tu，S.-T.高温传感应用硅光纤的抗拉强度。在结构完整性分析的最新进展，国际会议记录（APCF/SIF-2014），澳大利亚悉尼，2014年12月9日至12日; Ye，L.，编辑。；伍德海德出版社：英国牛津，2014年；第158-162页。[谷歌学者]
  27. P.J.莱兹。；Evke，E.E。；奥尔登贝格，E.M。；Tomozawa，M.。石英玻璃纤维的表面结晶和水扩散：机械强度下降的原因。J.Am.塞拉姆。Soc公司。 2015,98, 2411–2421. [谷歌学者] [交叉参考]
  28. W.W.莫雷。；梅尔茨，G。；Glenn，W.H.光纤布拉格光栅传感器。在《光纤和激光传感器会议录VII》，美国马萨诸塞州波士顿，1989年9月5日至7日; DePaula，R.P.，Udd，E.，编辑。；SPIE:美国哥伦比亚特区贝灵汉，1989年；第98–107页。[谷歌学者]
  29. Othonos，A.光纤布拉格光栅。科学版。仪器。 1997,68, 4309–4341. [谷歌学者] [交叉参考]
  30. Cheong，Y.K。；W.Y.Chong。；Chong，S.S.公司。；Lim，K.S。；Ahmad，H.通过热激活从Ge–B共掺纤维再生的III型光纤布拉格光栅。选择。激光技术。 2014,62, 69–72. [谷歌学者] [交叉参考]
  31. Tu，Y。；齐，Y.-H。；Tu，S.-T.用于高温传感的多层金属涂层再生光栅传感器的制造和热特性。聪明的母亲。结构。 2013,22, 075026. [谷歌学者] [交叉参考]
  32. Matweb材质属性数据。在线可用：http://www.matweb.com（2016年4月10日访问）。
  33. Farraro，R。；McLellan，R.纯镍、铂和钼的杨氏模量和剪切模量的温度依赖性。金属。事务处理。A类 1977,8, 1563–1565. [谷歌学者] [交叉参考]
  34. 潘，J.-Z。压力容器材料实用手册-碳钢和合金。钢材（中文版）; 化学工业出版社：北京，中国，2000。[谷歌学者]
  35. Polz，L。；Nguyen，Q。；Bartelt，H。；Roths，J.《两种再生方式的载氢光敏光纤中的光纤布拉格光栅》。选择。Commun公司。 2014,313, 128–133. [谷歌学者] [交叉参考]
  36. Pal，S。；曼达尔，J。；Sun，T。；Grattan，K.T.V.对I型硼锗共掺光纤布拉格光栅的热衰减分析和工作寿命预测。申请。选择。 2003,42, 2188–2197. [谷歌学者] [交叉参考] [公共医学]
  37. Bandyopadhyay，S。；坎宁，J。；史蒂文森，M。；库克，K。硼共掺锗硅酸盐光纤中使用193 nm的超高温再生光栅。选择。莱特。 2008,33, 1917–1919. [谷歌学者] [交叉参考] [公共医学]
  38. Lindner，E。；坎宁，J。；Chojetzki，C。；布鲁克纳，S。；贝克尔，M。；Rothhardt，M。；Bartelt，H.用于超高温操作的热再生型IIa光纤布拉格光栅。选择。Commun公司。 2011,284, 183–185. [谷歌学者] [交叉参考]
  39. Lindner，E。；Chojetzki，C。；布鲁克纳，S。；贝克尔，M。；Rothhardt，M。；Bartelt，H。光敏光纤中光纤布拉格光栅的热再生。选择。快递 2009,17, 12523–12531. [谷歌学者] [交叉参考] [公共医学]
传感器17 00431 g001 550
图1。H中再生光纤布拉格光栅（RFBG）退火过程中反射峰值功率和布拉格波长漂移的典型演变2-负载PS1250/1500光纤。
图1。H中再生光纤布拉格光栅（RFBG）退火过程中反射峰值功率和布拉格波长漂移的典型演变2-负载PS1250/1500光纤。
传感器17 00431 g001
传感器17 00431 g002 550
图2。70-mm标距的针载薄板拉伸试样。
图2。70-mm标距的针载薄板拉伸试样。
传感器17 00431 g002
传感器17 00431 g003 550
图3。三维（3-D）有限元模型：(一)金属封装RFBG应变传感器的网格模型的一半，以及(b条)边界条件和施加的载荷。
图3。三维（3-D）有限元模型：(一)金属封装RFBG应变传感器的网格模型的一半，以及(b条)边界条件和施加的载荷。
传感器17 00431 g003
传感器17 00431 g004 550
图4。分别在500°C和900°C下退火并在室温（26°C）下测试的裸石英光纤的拉伸强度的Weibull图，与在室温（25°C）、300°C和540°C下测试的未退火裸光纤以及在室温（16°C）测试的接收光纤的拉伸强度进行比较[26]. RT：室温
图4。分别在500°C和900°C下退火并在室温（26°C）下测试的裸石英光纤的拉伸强度的Weibull图，与在室温（25°C）、300°C和540°C下测试的未退火裸光纤以及在室温（16°C）测试的接收光纤的拉伸强度进行比较[26]. RT：室温
传感器17 00431 g004
传感器17 00431 g005 550
图5。分别在500°C和900°C下退火并在室温（26°C）下测试的裸石英光纤的平均抗拉强度，与在室温（25°C）、300°C和540°C下测试的未退火裸光纤的平均拉伸强度相比[26].
图5。分别在500°C和900°C下退火并在室温（26°C）下测试的裸石英光纤的平均抗拉强度，与在室温（25°C）、300°C和540°C下测试的未退火裸光纤的平均拉伸强度相比[26].
传感器17 00431 g005
传感器17 00431 g006 550
图6。图中所示光栅反射峰值功率和布拉格波长偏移的演变图1在500°C等温退火期间。
图6。图中所示光栅反射峰值功率和布拉格波长偏移的演变图1在500°C等温退火期间。
传感器17 00431 g006
传感器17 00431 g007 550
图7。典型I型种子光纤布拉格光栅（FBG）及其对应RFBG在H中的反射光谱2-在室温（21°C）下测量负载PS1250/1500光纤。
图7。典型I型种子光纤布拉格光栅（FBG）及其对应RFBG在H中的反射光谱2-在室温（21°C）下测量负载PS1250/1500光纤。
传感器17 00431 g007
传感器17 00431 g008 550
图8。基于H中RFBG的金属封装应变传感器实验样机2-负载PS1250/1500光纤。
图8。基于H中RFBG的金属封装应变传感器实验样机2-负载PS1250/1500光纤。
传感器17 00431 g008
传感器17 00431 g009a 550传感器17 00431 g009b 550
图9。在26.5°C的恒定温度下，布拉格波长随拉伸试验所得应变的变化(一); 100摄氏度(b条); 200摄氏度(c（c）); 300摄氏度(d日); 400摄氏度(电子); 500摄氏度(如果)和540°C(克). FE：有限元。
图9。在26.5°C的恒定温度下，布拉格波长随拉伸试验所得应变的变化(一); 100摄氏度(b条); 200摄氏度(c（c）); 300摄氏度(d日); 400摄氏度(电子); 500摄氏度(如果)和540°C(克). FE：有限元。
传感器17 00431 g009a传感器17 00431 g009b
传感器17 00431 g010 550
图10。基于H中RFBG的金属封装应变传感器机械加载周期中波长漂移的时间演化2-在26.5°C的恒定温度下加载PS1250/1500光纤(一); 100摄氏度(b条); 200摄氏度(c（c）); 300摄氏度(d日); 400摄氏度(电子); 500摄氏度(如果)和540°C(克).
图10。基于H中RFBG的金属封装应变传感器机械加载周期中波长漂移的时间演化2-在26.5°C的恒定温度下加载PS1250/1500光纤(一); 100摄氏度(b条); 200摄氏度(c（c）); 300摄氏度(d日); 400摄氏度(电子); 500摄氏度(如果)和540°C(克).
传感器17 00431 g010
传感器17 00431 g011 550
图11。基于H中RFBG的金属封装应变传感器的应变灵敏度2-通过机械负荷循环试验获得的负载PS1250/1500光纤作为温度的函数。
图11。基于H中RFBG的金属封装应变传感器的应变灵敏度2-通过机械负荷循环试验获得的负载PS1250/1500光纤作为温度的函数。
传感器17 00431 g011
传感器17 00431 g012 550
图12。室温下，将0.26%的应变施加到试样上，金属封装RFBG应变传感器中的冯·米塞斯应力分布。
图12。室温下，将0.26%的应变施加到试样上，金属封装RFBG应变传感器中的冯·米塞斯应力分布。
传感器17 00431 g012
表
表1。三维（3-D）有限元（FE）分析的材料参数[32,33,34].
表1。三维（3-D）有限元（FE）分析的材料参数[32,33,34].
参数温度（°C）
26.5100200300400500540
E类纤维（平均绩点）72.973.874.9576.0477.03677.93678.28
ν纤维0.170.170.170.170.170.170.17
E类钛（平均绩点）116112106100958987
ν钛0.340.340.340.340.340.340.34
E类银（平均绩点）76716559524643.5
ν银0.370.370.370.370.370.370.37
E类镍（平均绩点）217201180194204195191
ν镍0.310.310.310.310.310.310.31
E类第91页（平均绩点）220216210204195185179
ν第91页0.290.290.290.300.290.300.29
µ第91页0.150.150.150.150.150.150.15

分享和引用

MDPI和ACS样式

Tu，Y。；Ye，L。；周，S.-P。；图，S.-T。一种改进的金属封装应变传感器，基于氢载硼锗共掺光敏光纤中的再生光纤布拉格光栅，用于高温应用。传感器 2017,17, 431.https://doi.org/10.3390/s17030431

AMA风格

Tu Y、Ye L、Zhou S-P、Tu S-T。一种改进的金属封装应变传感器，基于氢载硼锗共掺光敏光纤中的再生光纤布拉格光栅，用于高温应用。传感器. 2017; 17(3):431.https://doi.org/10.3390/s17030431

芝加哥/图拉宾风格

涂、云、林烨、周少平和涂山同。2017年，“用于高温应用的基于载氢硼锗共掺杂光敏纤维中再生光纤布拉格光栅的改进型金属封装应变传感器”传感器17，编号3:431。https://doi.org/10.3390/s17030431

请注意，从2016年第一期开始，该杂志使用文章编号而不是页码。查看更多详细信息在这里.

文章指标

返回页首顶部