光纤传感--利用镍和镍铁层作为磁致伸缩致动器层来实现光纤传感器的无损检测

本文引自  光学加工小助手  微信公众号文章

 

本文要分享的是一篇利用镍和镍铁层作为磁致伸缩致动层来实现光纤传感器的功能无损检测的一个创新。

 

特点1：

通过光纤光栅传感器将磁致伸缩和光学应变测量的物理独立过程相结合，可以在传感器正常运行期间检查嵌入材料基体中的光纤光栅传感器的正确功能。您所要做的就是施加外部磁场，由于磁致伸缩的影响，该磁场会以规定的方式拉伸致动器层，从而拉伸传感器。这种定义的合成应变ε反过来又在FBG传感器的反射光信号中产生定义的波长变化λD（图1），该变化可以与传感器状态相关联。

图1：使用磁致伸缩致动器层验证FBG传感器

特点2：

使用镍和镍铁层做为磁致伸缩层，且通过PVD+ECD的方式来沉积膜层来在光纤表面实现较厚膜层的沉积。

图2：镍和镍铁两种基本设计的ECD/PVD组合层系统

光纤传感器可用于持续监控使用中的组件，并在早期阶段获取有关材料变化的信息。通过包裹传感器的磁致伸缩致动器层，现在可以随时检查正确的传感器功能。电镀的纯镍或镍铁的成分为50：50，适合作为致动器层。为了以粘性方式将它们粘接到传感器上，开发了一种ECD/PVD组合层系统。ECD层的机械性能可以通过适应纤维几何形状的仪器化压痕测试和2点弯曲测试来确定。

长期建立的瓦茨电解液，最近的高科技应用

镍和镍铁沉积物作为光纤传感器上的磁致伸缩致动器

使用光纤传感器，可以对组件进行原位连续监测，并可以收集有关材料任何变化的早期信息。使用围绕传感器的磁致伸缩致动器层，现在可以连续监控传感器的功能。这种致动器层可以由电沉积的纯镍或50-50成分的镍铁合金组成。为了确保与传感器本身的良好粘接，开发了ECD/PVD组合层。ECD的机械性能可以通过使用适合纤维几何形状的压头或2点弯曲测试来确定。

1 引言

早在 1970 年代就开发了带有内切光纤布拉格光栅 （FBG） 的光纤传感器 [1]，现在应用广泛。这些传感器适用于检测温度变化和应变，因为布拉格波长会因光栅的伸长或压缩而发生变化。将光纤光栅传感器嵌入材料基体中，为组件的无损检测提供了可能性。可以原位和在线检测材料变化，并且可以在早期阶段检测到组件故障。

为了能够在不干扰组件结构的情况下随时检查嵌入式传感器的正常功能，在DFG项目FAMOS²（基于FAser的磁光层传感器）的框架内开发了一种自诊断层传感器，该传感器在磁致伸缩致动器层的帮助下进行了验证[2,3]。

通过光纤光栅传感器将磁致伸缩和光学应变测量的物理独立过程相结合，可以在传感器正常运行期间检查嵌入材料基体中的光纤光栅传感器的正确功能。您所要做的就是施加外部磁场，由于磁致伸缩的影响，该磁场会以规定的方式拉伸致动器层，从而拉伸传感器。这种定义的合成应变ε反过来又在FBG传感器的反射光信号中产生定义的波长变化λD（图1），该变化可以与传感器状态相关联。

通过光纤光栅传感器将磁致伸缩和光学应变测量的物理独立过程相结合，可以在传感器正常运行期间检查嵌入材料基体中的光纤光栅传感器的正确功能。您所要做的就是施加外部磁场，由于磁致伸缩的影响，该磁场会以规定的方式拉伸致动器层，从而拉伸传感器。这种定义的合成应变ε反过来又在FBG传感器的反射光信号中产生定义的波长变化λD（图1），该变化可以与传感器状态相关联。

图1：使用磁致伸缩致动器层验证FBG传感器

使用镍和镍铁层做为磁致伸缩层，且通过PVD+ECD的方式来沉积膜层来在光纤表面实现较厚膜层的沉积。

图2：镍和镍铁两种基本设计的ECD/PVD组合层系统

纯镍层和镍铁层的成分为50：50，被选为磁致伸缩致动器层。与其他镍铁合金相比，这两层在施加磁场时显示出高磁致伸缩[4]。致动器层必须以紧密粘附的方式粘合到光纤光栅传感器上，以便将层中的磁致伸缩应变最大限度地传递到光纤上。本文介绍专门开发的ECD/PVD涂层系统（图2）满足了这一要求。

2 玻璃纤维基板的旋转对称PVD涂层

作为附着力促进剂，通过磁控溅射将15nm薄铬层施加到玻璃纤维基板上。随后，100 nm 铜作为导电起始层，用于随后磁致伸缩致动器层的电化学沉积。为了确保溅射过程中旋转对称的层沉积，玻璃纤维被部分夹在旋转的细管中，从而以所需的长度涂覆在周围。涂层是在 Von Ardenne Anlagentechnik GmbH 的 CS 730 ECS 系统上进行的。

3 磁致伸缩ECD/PVD组合层系统

玻璃纤维的 ECD 涂层（ECD – 电化学沉积）发生在专为特定流动而设计的单元中。在PMMA管中，带有光纤电极（阴极）的支架可以从上方插入纵轴。在涂层过程中，光纤位于管子的中间，并与之平行排列。阳极由镍丝制成，围绕光纤布置成环状。电解液的流速可以通过流量调节器在 0 到 20 cm/s 之间调节。温度由热搅拌器控制，在40°C至60°C的温度范围内可控制±0.2°C。

为了接触光纤电极，开发了一种支架，通过该支架将光纤接触在薄铜切削刃上，以最大程度地减少支架对电解质流动的潜在干扰影响。

电化学沉积是恒电流控制（计时电位法），电流线性调节。这是必要的，因为由于纤维的几何形状，在涂层过程中，要涂层的表面会增长约50%。但是，电流密度应保持恒定，以获得无梯度层。这是通过电流的近似线性变化来实现的，偏差为百分之几，尽管表面不是线性增长。使用位于德克萨斯州奥斯汀的 CH Instruments Inc. 的电化学工作站 TR-EQCM Model 440 进行控制。

使用的镍铁电解质基于Watts电解质[5]。对于纯镍层的沉积，电解液可以在没有添加剂的情况下使用，从而确保长期稳定性。这样就可以在至少 8 mA/mm² 的高电流密度下进行沉积，镀膜速率高达 200 nm/s。对于质量比为50：50的镍铁层，除主要成分硫酸镍、氯化镍、硫酸亚铁和硼酸外，电解液中还添加了糖精（张力调节剂）、十二烷基硫酸钠（润湿剂）和抗坏血酸（防止铁（II）离子氧化的还原剂），在沉积过程中或高温下消耗。只有在高达 0.5 mA/mm² 的电流密度和高达 15 nm/s 的镀膜速率下，才能保证层中铁含量所需的均匀性。

电流密度和电解液温度对镍铁层的组成影响最大（图3）。在 40 °C 至 60 °C 的温度范围内，建立了近似线性关系，因此可以通过调节电解质温度来校正与目标铁含量的微小偏差。在电流密度小于或大于0.5 mA/mm²时，铁含量降低，而在高电流密度下，沿光纤的不均匀性同时增加。对于镍铁层的沉积（50：50），选择0.5 mA/mm²的电流密度和40 °C的电解质温度。

图3：镍铁层中的铁含量随电流密度和电解质温度的变化（在100 l/h的流量下沉积，相当于20 cm/s）

对于将该层用作FBG传感器的磁致伸缩致动器，发现纯镍层和镍铁层存在显着差异（50：50）。在纯镍层的情况下，只有在磁场强度> 30 mT 时才能实现饱和磁致伸缩，这就是为什么该层设计适合用作传感器的原因。另一方面，镍铁层（50：50）更适合于FBG传感器的验证，因为在6 mT的低磁场强度下已经实现了饱和磁致伸缩。因此，这种层结构使得在FBG传感器上施加微米范围内的低合成伸长率成为可能，从而能够评估FBG在简单和不复杂的材料复合材料中的粘合力。

4 传感元件的机械完整性

涂层部件的机械完整性通常由基材而不是功能层来保证。在光纤光栅传感器的情况下，敏感的玻璃纤维充当基板，通常由聚合物涂层保护。必须在FBG传感器区域将其移除，以便能够将磁致伸缩层系统直接沉积到光纤上。为了恢复对玻璃纤维的完全保护，选择涂层区域，使其延伸到传感器两侧的聚合物涂层（图 4）。

图4：带致动器涂层的玻璃纤维

4.1 镀膜光纤光栅传感器的光纤分析

光纤分析（图1）可用于对层的质量进行陈述。在光谱中可以看到层的不规则生长和层组成或层厚度的强烈梯度，其中包括布拉格峰的加宽或强度的变化。对于这里考虑的层传感器，仅观察到布拉格波长的偏移;这是传感器被整个层拉伸或压缩的迹象。由于布拉格峰没有其他变化，因此可以假设该层是旋转对称生长的。

4.2 磁致伸缩致动器层的弹性模量

使用两种不同的方法来确定致动器层的弹性模量：仪器化压痕测试和以涂层纤维作为弯曲梁的 2 点弯曲测试。测量是在是德科技的 Nanoindenter G200 上使用 XP 传感器进行的。

在压痕测试期间，样品制备必须考虑纤维的几何形状：涂层纤维用一层薄薄的粘合剂固定以防止其，并且由于样品的曲率半径较小，压痕正好发生在纤维的护套线上。Berkovich 压头用作压头。

使用这种方法，可以对镍铁层进行可重复的测量，并可以确定弹性模量。在纯镍层的情况下，清晰的表面粗糙度导致测量值有很大变化。为了能够确定这些层的弹性模量，对涂层纤维进行了弯曲测试，如下所示。这也有一个优点，即弹性模量是通过与实际应用中的载荷曲线相对应的材料张力来确定的，而渗透测试只能局部和间接地确定弹性模量。

4.3 两点弯曲试验的弹性模量

为了弯曲光纤，使用与渗透测试相同的技术。通过使用扁平的Berkovich压头（边长约为5μm的三面表面），对纤维施加确定的力，同时精确测量挠度（类似于力压痕曲线），而不会穿透样品。例如，即使在 5 mm 光纤长度上施加 5 mN 的力，也能实现几次 10 μm 的偏转。纤维的精确固定对于两点弯曲测试很重要，是通过对垂直于弯曲边缘的细槽施加压力来实现的。

弹性模量是根据力 F 和挠度 y（l） 的数据以及涂层纤维的几何参数（纤维半径、层厚、用于弯曲测试的纤维长度）计算得出的。根据 2 点弯曲试验的理论，以下相关性适用于在点 l 处受到攻击力时紧密夹紧的光纤的挠度（接触点处的挠度为零）

当根据受力和涂层纤维的相关挠度数据计算弹性模量时，发现弹性模量与弯曲纤维长度的关系（图 5）。弹性模量随着长度的增加而增加，直到发生饱和。各种测试已经确定其原因是接触点的顺应性，其影响在低挠度下特别大。如果挠度足够大，则这种效应不再产生显着影响，因此可以在适当的范围内确定弹性模量的实际值。

图5：玻璃纤维上镍铁层的弹性模量，由2点弯曲试验确定;计算了 5 mN 力和相关挠度的弹性模量值

5 总结

作为DFG项目FAMOS²的一部分，在玻璃纤维基板上开发了一种抗粘附、旋转对称的ECD/PVD组合层系统。ECD层形成磁致动器层，当施加外部磁场时，FBG传感器以规定的方式拉伸。镍铁层 （50：50） 最适合验证传感器，因为使用该层组成时，饱和磁致伸缩已达到 6 mT，因此在相应的更高磁通密度下始终会产生相同的应变。

致动器层的弹性模量既可以通过压痕测试进行局部测定，也可以通过两点弯曲试验进行全局测定。虽然压痕的测量精度受到高表面粗糙度的强烈影响，但 2 点弯曲测试提供了独立于表面条件确定弹性模量的可能性。