基于光譜特征分析的光纖光柵腐蝕傳感器研究

張 俊， 曾 捷*， 王 博， 王文娟， 梁大開， 劉曉穎

1. 南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室， 江蘇 南京 210016

2. 中國空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星制造廠， 北京 100190

3. 北京長城計量測試技術(shù)研究所計量與校準(zhǔn)技術(shù)國防科技重點實驗室， 北京 100095

基于光譜特征分析的光纖光柵腐蝕傳感器研究

張 俊1， 曾 捷1*， 王 博2， 王文娟3， 梁大開1， 劉曉穎1

1. 南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室， 江蘇 南京 210016

2. 中國空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星制造廠， 北京 100190

3. 北京長城計量測試技術(shù)研究所計量與校準(zhǔn)技術(shù)國防科技重點實驗室， 北京 100095

針對航空航天領(lǐng)域鋁合金結(jié)構(gòu)服役過程腐蝕監(jiān)測需求， 提出了一種基于鋁質(zhì)細(xì)管結(jié)構(gòu)的預(yù)載荷型光纖光柵腐蝕傳感器。 給出了鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕在役監(jiān)測機理， 得到光纖光柵反射光譜特征與鋁質(zhì)細(xì)管厚度變化之間的理論關(guān)系模型， 構(gòu)建了酸堿環(huán)境下的光纖光柵腐蝕監(jiān)測試驗系統(tǒng)。 通過在細(xì)管內(nèi)部配置不受力且僅感受溫度變化的光纖光柵傳感器， 解決了被測目標(biāo)的溫度與應(yīng)力交叉敏感問題。 研究表明， 這種鋁質(zhì)細(xì)管封裝設(shè)計不僅可以感受腐蝕對其力學(xué)性能的影響， 還能夠屏蔽外界腐蝕因素對管內(nèi)光纖感知器件的干擾。 隨著金屬管腐蝕程度加深， 其管壁逐漸變薄， 光纖光柵反射光譜逐漸向短波長方向偏移， 且管壁厚度變化與光柵中心波長偏移量之間呈較好單調(diào)關(guān)系。 這些特性能夠為進一步開展基于光纖感知器件的機械結(jié)構(gòu)在役腐蝕監(jiān)測研究提供有益幫助。

光纖光柵； 光譜分析； 鋁質(zhì)細(xì)管； 腐蝕監(jiān)測

引 言

由于鋁合金相比其他金屬材料具有密度小、 強度高、 易加工等優(yōu)點， 因此航空航天領(lǐng)域大量使用鋁合金材料作為主承力構(gòu)件。 但在沿海酸堿鹽霧環(huán)境下， 其易受到侵蝕， 進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷失效。 傳統(tǒng)腐蝕監(jiān)測方法如目測法、 取樣法、 機械(力學(xué))實驗等方法， 存在可靠性低、 破壞結(jié)構(gòu)、 實時性差等缺點[1-4]。

光纖光柵作為一種新型分布式傳感元件， 具有質(zhì)量輕、 芯徑細(xì)、 抗電磁干擾、 易實現(xiàn)組網(wǎng)監(jiān)測等獨特優(yōu)點。 Rutherford等[5]提出在光纖纖芯外層鍍鋁膜， 通過檢測光信號的光功率變化來監(jiān)測腐蝕程度。 但該方法易受外界環(huán)境干擾， 使得其精度和穩(wěn)定性存在一定問題。 趙二剛等[6]則研究了一種利用U型彈簧監(jiān)測金屬材料腐蝕的光纖光柵傳感器。

根據(jù)以上分析， 本文提出一種基于鋁質(zhì)細(xì)管結(jié)構(gòu)的預(yù)載荷型光纖光柵腐蝕傳感器。 在研究酸堿環(huán)境下光纖光柵傳感光譜蛻化特性基礎(chǔ)上， 通過監(jiān)測鋁質(zhì)細(xì)管腐蝕引起的光纖光柵反射光譜特征變化， 實現(xiàn)對目標(biāo)結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)的辨識。

1 腐蝕監(jiān)測原理

考慮到鋁合金材料在磷酸、 氫氧化鈉等溶液中其表面氧化膜逐漸溶解， 發(fā)生均勻腐蝕， 便于標(biāo)定腐蝕速率。 實驗中選取2%NaOH作為腐蝕溶液， 所涉及化學(xué)反應(yīng)為[7-9]

基于鋁質(zhì)細(xì)管結(jié)構(gòu)的預(yù)載荷型光纖光柵腐蝕傳感器結(jié)構(gòu)， 如圖1所示。 將傳感光纖光柵傳感器施加一定預(yù)拉力后懸空固定于鋁合金細(xì)管內(nèi)部。 同時在其一側(cè)串接另一根溫度補償用光纖光柵， 該溫補光柵自由放置于鋁合金細(xì)管內(nèi)部。

當(dāng)光纖光柵所受應(yīng)力和溫度改變時， 布拉格光柵中心波長變化量為[10]

(1)

其中Pε為光纖彈光系數(shù)，εf為光纖軸向應(yīng)變；α為光纖熱膨脹系數(shù)；ζ為熱光系數(shù)； ΔT為溫度變化。 鋁合金管彈性模量

Fig. 1 Structure of FBG corrosion sensor based on Aluminum alloy thin tube

為E=72 GPa， 外徑R， 內(nèi)徑r， 長度l=4 cm。 鋁合金管橫截面積S=π(R2-r2)， 由力學(xué)分析可知[11-12]

(2)

式中，σ為鋁管所受應(yīng)力，εa為鋁管微應(yīng)變，F(xiàn)為光纖光柵所加預(yù)拉力。 根據(jù)式(1)和式(2)可得鋁合金管壁外徑

(3)

根據(jù)式(3)可知， 通過在線監(jiān)測光纖光柵中心波長偏移量， 可以準(zhǔn)確獲取鋁合金細(xì)管厚度變化信息。

2 實驗部分

2.1 光纖光柵腐蝕傳感器制備

研究中選取光柵中心波長1 000 pm偏移量為基準(zhǔn)作為預(yù)應(yīng)力加載的參考值。 光纖光柵應(yīng)變靈敏度為1.2 pm·με-1， 單模光纖光柵直徑125 μm。 傳感器封裝材料為6061-T6鋁合金細(xì)管， 在其兩端預(yù)留4.5 mm設(shè)置凹槽， 用以擴展鋁合金細(xì)管與環(huán)氧樹脂有效接觸面積， 增強粘接效果。 用于膠接的環(huán)氧樹脂外側(cè)還需涂覆硅橡膠， 以保護粘接點不受外界腐蝕環(huán)境的影響而松動。

2.2 方法

細(xì)管結(jié)構(gòu)光纖光柵腐蝕傳感器性能與鋁合金管壁厚度存在密切關(guān)系。 根據(jù)式(2)可知， 鋁合金管厚度越大， 在相同預(yù)載荷下鋁合金管所受應(yīng)變減小， 將導(dǎo)致傳感器靈敏度下降。 而由式(3)可知， 鋁合金管壁厚度增加， 又能夠增大監(jiān)測周期。 研究中分別對內(nèi)徑r為1 mm， 外徑R為1.5和2 mm的鋁管施加相同預(yù)載荷， 制作成兩種不同管壁厚度的腐蝕傳感器。

為實現(xiàn)溫度補償效果， 把溫補光纖光柵自由放置于鋁合金細(xì)管內(nèi)， 僅感受溫度變化而不受應(yīng)力作用。 此外還應(yīng)保證腐蝕敏感光柵與溫補光柵處于同一溫度場。 為標(biāo)定腐蝕速率， 需將與腐蝕傳感器相同規(guī)格的鋁合金細(xì)管同時放入腐蝕溶液。 在監(jiān)測腐蝕傳感光柵反射光譜偏移的同時， 測量相應(yīng)標(biāo)定用鋁合金細(xì)管半徑變化情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 酸堿腐蝕下光纖光柵反射光譜特性

為探究腐蝕環(huán)境對光纖光柵感知器件的影響， 首先將光纖光柵分別放置于強酸和強堿環(huán)境下， 所得反射光譜如圖2和圖3所示。 實驗表明， 光纖光柵在強酸和強堿環(huán)境中發(fā)生不同程度的性能蛻化現(xiàn)象。 在強酸溶液中， 光纖光柵涂覆層和包層受腐蝕作用逐漸變薄， 出現(xiàn)能量泄漏， 致使反射光譜能量呈現(xiàn)整體下降趨勢， 且引起半波展開現(xiàn)象。

Fig.2 Reflection Spectra of fiber grating in acid environment

Fig.3 Reflection Spectra of fiber grating in alkaline environment

由圖3可知， 在強堿環(huán)境下光柵所在區(qū)域外側(cè)隨時間推移出現(xiàn)硅酸鹽沉積現(xiàn)象， 且反射光譜整體向長波方向移動。 由此可見， 隔絕腐蝕環(huán)境因素對光纖光柵的影響十分必要。 為監(jiān)測鋁合金航空結(jié)構(gòu)受腐蝕情況， 需要研制基于相同材質(zhì)的腐蝕敏感封裝， 選擇采用鋁質(zhì)細(xì)管結(jié)構(gòu)能夠滿足以上要求。

3.2 光纖光柵腐蝕傳感器特性

隨著腐蝕時間增加， 鋁管表面因氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生的氣泡逐漸增多， 溫度補償光柵中心波長逐漸增大， 這是由于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量所致。 腐蝕后期， 鋁合金管壁由光滑變?yōu)榇植冢?并出現(xiàn)蝕孔。 腐蝕溶液進入鋁管內(nèi)部， 使得光纖光柵性能失效。 腐蝕試驗后鋁合金管外部形貌， 如圖4所示。

Fig.4 Topography of failure corrosion sensor

外徑為1.5 mm的光纖光柵腐蝕傳感器反射光譜， 如圖5所示。 從該圖可以看出， 腐蝕傳感光柵中心波長隨時間向短波方向顯著偏移。 反射光譜能量峰值強度和半波寬度基本沒有變化， 表明受到鋁合金細(xì)管保護的光學(xué)光柵器件性能未受腐蝕影響而蛻化。

Fig.5 Reflection spectra of fiber grating corrosion sensor changes with time

圖6顯示光纖腐蝕傳感器因蠕變引起的反射光譜中心波長偏移量相對較小。 濾除傳感器自身蠕變與溫度變化引起的干擾因素， 得到不同厚度鋁合金細(xì)管的中心波長偏移曲線。 腐蝕傳感器失效前， 其光柵中心波長存在突變過程， 這是由于鋁合金細(xì)管到達腐蝕臨界點時， 其殘余預(yù)應(yīng)力快速釋放所致， 因此該反射光譜突變量不應(yīng)作為有效檢測區(qū)間。

在相同腐蝕時間內(nèi)， 外徑1.5 mm鋁合金腐蝕傳感器反射光譜偏移量明顯大于外徑2 mm腐蝕傳感器對應(yīng)的情況。 這表明通過調(diào)節(jié)細(xì)管厚度， 可以改變腐蝕監(jiān)測的靈敏度和測量范圍。 腐蝕傳感器平均變化速率大致為1.67 pm·h-1(R=2 mm)， 4.5 pm·h-1(R=1.5 mm)。

Fig.6 Curve of FBG center wavelength changes with the corrosion time

標(biāo)定用鋁合金細(xì)管厚度隨腐蝕時間變化曲線， 如圖7所示。 鋁合金細(xì)管在2%NaOH溶液中厚度隨時間均勻變薄， 且初始厚度不同的鋁合金細(xì)管對應(yīng)的腐蝕速率也基本相同， 約為9.3 μm·h-1。

兩種光纖腐蝕傳感器失效時間分別約為78和40 h。 失效后鋁合金細(xì)管預(yù)應(yīng)力得到全部釋放， 腐蝕傳感光纖光柵反

射光譜不再發(fā)生變化。 截取光纖腐蝕傳感器有效監(jiān)測時間段進行標(biāo)定， 得到相應(yīng)曲線如圖8所示。

Fig.7 Variation curves of aluminum alloy thin tube thickness with the etching time

Fig.8 Fitting curves of fiber grating center wavelength and the variation of aluminum tube thickness

由圖8可知， 隨鋁合金管厚度逐漸變薄， 兩種腐蝕傳感器反射光譜均向短波方向偏移， 最大偏移量分別約為175和135 pm。 外徑1.5 mm的鋁合金腐蝕傳感器靈敏度相對較高， 但測量范圍較小， 與理論分析結(jié)果相同。

4 結(jié) 論

針對鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測需求， 提出了一種基于反射光譜特征辨識的鋁合金細(xì)管結(jié)構(gòu)光纖光柵腐蝕傳感器。

(1) 采用細(xì)管狀封裝結(jié)構(gòu)， 能夠隔絕外界擾動對腐蝕傳感器內(nèi)部光纖光柵感知器件的影響， 有效提高傳感器穩(wěn)定性和使用壽命。

(2) 具有溫度自補償功能， 采用在鋁管內(nèi)部串接不受力溫補光纖光柵的方法消除環(huán)境溫度變化對監(jiān)測精度的干擾。 通過改變鋁合金細(xì)管厚度， 能夠調(diào)節(jié)光纖光柵腐蝕傳感器測量范圍和靈敏度。

(3) 具有傳感性能失效預(yù)警功能。 在腐蝕監(jiān)測后期， 鋁管殘留預(yù)應(yīng)力快速釋放， 使得傳感光纖光柵中心波長向短波方向大幅偏移， 從而為傳感器性能失效判別提供依據(jù)。

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[12] CHENG Wei-bing， FANG Ji-ye(成衛(wèi)兵， 方繼業(yè)). Aluminum Fabrication(鋁加工)， 2012, 35(2)： 44.

*Corresponding author

The Research on Optic Fiber FBG Corrosion Sensor Based on the Analysis of the Spectral Characteristics

ZHANG Jun1， ZENG Jie1*, WANG Bo2， WANG Wen-juan3， LIANG Da-kai1， LIU Xiao-ying1

1. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China

2. China Academy of Space Technology， Beijing Spacecrafts， Beijing 100190， China

3. Changcheng Institute of Metrology & Measurement of AVIC， Science and Technology on Metrology and Calibration Laboratory， Beijing 100095， China

Aiming at meeting the need of aluminum corrosion monitoring in aerospace field， a pre-load type fiber grating corrosion sensor based on an aluminum thin tube structure is proposed. The corrosion sensor of aluminum alloy structure in-service monitoring mechanism is studied, a theoretical model about the relation of FBG reflection spectral chasacteristics and aluminum thickness variation is also obtained. Optical fiber grating corrosion monitoring test system based on the capillary structure of aluminum alloy is constructed by acid-base environment. The problem of cross sensitivity of temperature and strain is solved. by configuring an optical fiber grating which is not affected by strain and only sensitive to temperature inside the aluminum alloy tube. The results shows that he aluminum tube packaging design not only can sense the effects of corrosion on the mechanical properties, but also can interference shielding effect of corrosion on the tube optical fiber sensing device. With the deepening of the metal tube corrosion and aluminum alloy tube thickness gradually thinning, fiber grating reflective spectrum gradually shift to the short wavelength and the wall thickness and the grating center wavelength offset has a good monotonic relation. These characteristics can provide useful help to further research corrosion online monitoring based on optic fiber sensor.

FBG; Analysis of the spectrum; Aluminum tube; Corrosion monitoring

Oct. 31, 2014; accepted Feb. 11, 2015)

2014-10-31，

2015-02-11

國家自然科學(xué)基金項目(51275239), 航天CAST創(chuàng)新基金項目， 江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項目(BY2014003-01)， 中國博士后科學(xué)基金項目(20090461116)， 航空科學(xué)基金項目(20152852036)， 上海航天科技創(chuàng)新基金項目(SAST2015062)和CAST-BISEE創(chuàng)新基金項目資助

張 俊， 1989年生， 南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院研究生 e-mail： 15195872309@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail： zj2007@nuaa.edu.cn

TG17

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)03-0853-04