镀层材料对FBG传感器压力灵敏度影响的研究
FBG传感器在航空应用中的技术困难
一般在研究过程中，选取应变场、应力场作为表征结构体损伤状态的主要监测参量，温度、振动、加速度等参量作为辅助监测参量。
根据FBG传感网络监测原理，利用埋入航空航天结构内部的FBG传感网络，结合恰当的解调技术实现结构内部应变/应力场的状态的在线监测，进而对结构内损伤进行检测。
要建立有效的结构健康检测系统，仍有一些技术问题有待解决。
埋入工艺作为保证FBG传感器网络监测系统正常工作的首要基础技术，需制定适于批量生产的工艺规范，需考虑多方面问题。
由于通常情况下光纤的直径比复合材料中的增强纤维结构直径大，且埋入光纤材料性质和机体材料特性上存在较大差异，易产生应力集中，影响结构强度。
因此有必要基于力学相关理论，建立FBG传感网络埋入结构的本构关系，对结构力学性能进行预测，调整FBG 传感器集成工艺，使FBG传感网络埋入航空航天复合材料结构后对原有结构性能尽量小。
在FBG传感器埋入过程中传感器及光导光纤结构由于制作过程的高温高压固化，将受到较大的热应力和残余应力。
在保证FBG传感器应变传递特性及敏感特性的前提下减少光纤断裂，仍是当前的技术难点。
为提高FBG传感网络的可靠性、确保监测精度，传感器的合理布置至关重要。
传感器的灵敏度、精确度和位置直接关系到结构健康监测损伤数据的获取，实现结构传感器网络的最优配置对结构参数的获取和损伤检测具有重要意义。
由于航空部件的应变场分布与其结构形状、材料及承载等因素有关，因此FBG传感器必须根据航空结构的形状和材料属性特点进行优化配置。
近年来在航天领域FBG传感器的优化配置技术研究也同步取得了研究进展，如文献[13]采用遗传算法给定埋入纤维增强复合材料结构传感器网络的最佳传感器布置位置。
文献[14]和文献[15]通过仿真对比的方法，分析了粒子群算法应用于FBG传感器优化配置的可行性。
但现阶段关于埋入结构体后FBG传感器自身应变传递特性和敏感范围还有待深入的研究，FBG传感器网络优化配置仍缺少结合被测结构性能和FBG传感器本身结构特点的方法。
FBG温度传感器交叉敏感问题的研究
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内 外 已 开 展 大 量研 究 工 作
基 于 光 纤 布 拉 格光 ＩＩ
耐高压FBG压力传感器实验研究
好。结果 表明： 该传感器性能稳定 ， 线性度和重复性好 ， 可 以用于油气井下高压的实时测量 。 关键词 ：光纤光学 ； 光纤 Ｂ ｒ ａ ｇ ｇ光栅 ； 压力传感 ；耐高压
中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｎ２ ５ ３ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ０ － ９ ７ ８ ７ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ － ０ ０ ０ ８ － ０ ３
（ Ｋｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｉ ｔ ｙ Ｇａ ｓ － ｏ ｉ ｌ Ｌ ｏ ｇ ｇ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ， Ｍｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｘ ｉ ’ ａ ｎ Ｓ ｈ ｉ ｙ ｏ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｘ ｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ６ ５ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ Ｂ ｒ ａ ｇ ｇ ｇ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ （ Ｆ Ｂ Ｇ） ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ Ｓ Ｏ ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｔ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｏ ｉ ｌ
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FBG细径形状传感器的应变传递和精度实验
收稿日期2018-11-19；修订日期2019-01-15. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No. 51275282)；上海市科委重大基础项目(No. 18JC1410402)
1482
光学精密工程
第27卷
andelasticmodulusontheaveragestraintransferrateofFBGsensorswerealsoanalyzedandexperimentally verified. Experimental results show that the average strain transmission rate of the packaged FBG sensor increases with increasing substrate length in the effective range, whereas an increase in the outer diameter of the bond layer has little effect on the average strain transmission rate, thus veriyingtheapplicabilityofthetheo0eticalmodel.Thest0aint0ansfe00ateisint0oducedintotheshape0econstruction, and the shape-reconstruction accuracy of the FBG shape sensor is reduced from 3.5% to 2. 7%. Key words: fiber sensing ； fiber Bragg grating ； strain transmission ； shape reconstruction
海洋FBG压力及温补传感器温度响应一致性研究
海洋FBG压力及温补传感器温度响应一致性研究张登攀;秦钢;王永杰;王力【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2018(048)009【摘要】为满足船载拖曳式全光纤海洋温深剖面连续测量的要求,测量海水深度的光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器利用FBG温度传感器作为其温补传感器.由于二者对温度同时敏感且对海水温度的响应时间存在不一致性,导致在拖曳测试海水压力时有所偏差.针对这一问题,本文对传感器的温度响应一致性进行分析研究.通过对FBG温度传感器的外管加装绝热材料,使其与FBG压力传感器的温度响应时间接近一致.通过海试验证,FBG压力传感器与标准传感器ALEC(亚力克)具有较高的测量相关性.【总页数】5页(P1128-1132)【作者】张登攀;秦钢;王永杰;王力【作者单位】河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;中国科学院半导体研究所传感技术联合国家重点实验室,北京 100083;中国科学院半导体研究所传感技术联合国家重点实验室,北京 100083;中国科学院半导体研究所传感技术联合国家重点实验室,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TN929.11【相关文献】1.基于Elman神经网络的压力传感器温补偿的研究 [J], 范重言;孙华;任俊松;刘小何2.FBG菱形结构传感器自温补性能研究 [J], 梁磊;曹珊;冯坤;仇磊;徐刚;张国柱3.FBG传感器在空腔爆炸压力测量中的应用研究 [J], 张继军;张东亮;李亮;张宝国;赵建伟;陶钧4.海洋双光纤光栅压力传感器的温度响应特性 [J], 张登攀;秦钢;王永杰;王力;安佳;彭丹丹5.贴片式压力传感器温度响应特性研究 [J], 高炳涛;胡凤岩;孙凤举;钟山;王慧龙;杜光宇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
FBG应变传感器温度交叉敏感补偿技术研究
１ ． １ 工作 原理
（ Ｇ ＨＸ ． ５ ０ ） 中， 温度 值 由恒 温箱 控 制 ， 实验 中待 测 应 变 值 由等 强度 悬 臂 梁所 悬 挂 的载荷 控 制 ， 同时 高 温 电阻 应 变 片 结 合 应 变 测 量 仪 提 供 悬 臂 梁 的 实 际应
所示。
△ Ａ ／ Ａ 日 ＝ （ １ 一 Ｐ ） △ ＋ （ ， ＋ ａ ： ） Ａ Ｔ 和热 光 系数 。
（ ２ ）
式中， Ｐ 、 ， 和台 分别 为光纤 的弹光 系数 、 热膨 胀 系数 当温度 和应 变 的变化 同时 发生 时 ， 被 测 的应 变 信号和 Ｆ Ｂ Ｇ应 变 传感 器 输 出信 号 问存 在 着 较 大 的
ｓ ｕｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｈ ｉ ｇ ｈ — ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄｕ ｉ ｔ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ Ｂｒ ａ ｇ ｇ ｇ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ； ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ； ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｅ ｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ； ｄ ａ ｔ ａ ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ
光
电
技
术
应
用
第２ ９ 卷
采 取 二元 回归分 析 方法 ， 通过 计算 机 程 序对 现 有 传感 器 采集 到 的数 据 进行 二 元融 合 处 理 ， 建立 温 度 和 应变 量 的 二元 回归拟 合模 型［ ２ ｏ １ ， 可 有 效 降低 温 度 和应 变 的交 叉 敏感 性 ， 以实 现传 感 器对 目标参 量
镍箔材在氢气传感器中的应用与敏感性评价
镍箔材在氢气传感器中的应用与敏感性评价导言：氢气作为一种洁净的能源，正逐渐成为替代传统能源的重要选择。
然而，氢气具有无色、无味和易燃爆的特点，对于工业生产和消费者的安全提出了挑战。
因此，快速、准确地检测氢气浓度的传感器的研发和应用显得尤为重要。
镍箔材作为一种具有良好化学稳定性和电子导电性能的材料，已被广泛用于氢气传感器。
本文将重点介绍镍箔材在氢气传感器中的应用，并对其敏感性进行评价。
一、镍箔材在氢气传感器中的应用1. 基本原理氢气传感器的基本原理是利用所测氢气与传感元件表面的反应产生的电荷或电流的变化来测量氢气浓度。
其中，镍箔材作为传感元件，承担了关键的作用。
镍箔材对氢气具有较高的选择性，可以与氢气发生电化学反应，从而产生电流信号。
这是因为镍箔材的电子云具有较强的吸氢性能，而且其表面具有大量的活性位点，能够提供足够的反应位点。
2. 制备方法镍箔材的制备方法多种多样，主要包括机械法、物理法和化学法。
其中，物理法中的溅射法和化学法中的化学还原法是常用的制备方法。
溅射法制备的镍箔材表面光滑、均匀，具有较高的纯度，适用于高精度和高灵敏度的氢气传感器制备。
化学还原法制备的镍箔材则具有较大的比表面积和更好的反应活性，适用于高灵敏度和快速响应的传感器制备。
3. 氢气传感器的性能氢气传感器的性能主要包括灵敏度、选择性、稳定性和响应时间等。
镍箔材在上述性能中起到重要的作用。
首先，镍箔材具有较高的灵敏度，可以在较低的氢气浓度下产生可检测的电流信号。
其次，镍箔材对氢气具有较高的选择性，可以避免其他气体的干扰，提高测量的准确性。
此外，镍箔材的稳定性较好，可以长时间稳定运行而不损失灵敏度。
最后，镍箔材还具有快速的响应时间，可以迅速识别氢气浓度的变化。
二、镍箔材在氢气传感器中的敏感性评价1. 实验设计为了评价镍箔材在氢气传感器中的敏感性能，我们设计了一系列的实验。
首先，我们制备了不同厚度和形态的镍箔样品，并对其进行了物理和化学性质的表征。
化学镀Ni-Zn-P FBG及其温度传感特性
化学镀Ni-Zn-P FBG及其温度传感特性李玉龙;吕明阳;赵诚【摘要】通过化学镀和电镀的方法使光纤布拉格光栅金属化，可对光纤光栅进行保护、增敏，使其具有可焊性，进而可通过焊接嵌入金属或封装在表面监测工作状态。
采用化学镀Ni-Zn-P方法对光纤布拉格光栅进行了金属化，通过体视显微镜和金相显微镜观察Ni-Zn-P镀层；对化学镀后的光纤光栅进行了30～70℃温度传感试验，分析了传感特性。
结果表明：化学镀后的光纤与镀层结合良好，具有导电性可以进一步电镀；化学镀光栅与裸光栅相比温度传感灵敏度提升1．1倍，存在迟滞误差，随静置时间的推移灵敏度不变，迟滞误差减小。
残余应力是产生迟滞误差的主要原因，分析讨论了残余应力的来源和残余应力对金属化光栅中心波长的影响。
%A fiber Bragg grating (FBG)can be effectively metallized and protected by using the chemical plating and electro-plating methods. After metallization,the sensitivity of the FBG can be enhanced,and the metallized FBG can be embedded in a metal by using the brazing or soldering process for monitoring the internal temperature and strain. In this study,the FBGs were metallized by electroless Ni-Zn-P plating method;the quality of the coating was observed with the stereomicroscopy and optical microscopy;Temperature sensing tests for the metallized FBGs were conducted in a controlled water bath with the temperature range of30~70℃,the sensing characteristics were analyzed. Results show:the interface between the coating and FBG presents a good bonding,and the coating has a nice conductivity;the sensitivity of the metallized FBG is about 1. 1 times of that of a bare FBG,and there is a hysteresis error in thesensing curve;it is noted that the sensitivity remains the same value and the hysteresis error decreases with the time aging;the hysteresis error is caused by the residual stress,the origin of residual stress and its influences on the central wavelength are analyzed.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】5页(P649-653)【关键词】光纤布拉格光栅;温度传感;化学镀Ni-Zn-P;残余应力;增敏【作者】李玉龙;吕明阳;赵诚【作者单位】南昌大学机电工程学院机器人及焊接自动化重点实验室，江西南昌330031;南昌大学机电工程学院机器人及焊接自动化重点实验室，江西南昌330031;南昌大学机电工程学院机器人及焊接自动化重点实验室，江西南昌330031【正文语种】中文【中图分类】TP212.141 引言智能材料结构是指将传感元件、驱动元件以及有关的信号处理和控制电路集成在基体材料结构中，使其不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能。
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镀 层 材 料 对 Ｆ Ｇ传 感器 压 力 灵敏 度 影 响 的研 究 Ｂ
吴 春 英 ，王 晓 霞
（ 西 科 技 大 学 机 电工 程 学 院 ，陕 西 咸 阳 ７２ ８ ） 陕 １ ０ １
摘 要 ： 究 了金 属镀 层 材料和镀 层 厚度 对 Ｆ Ｇ 传 感 器压 力灵敏 度 的影 响 ， 明 了 Ｆ Ｇ传 感 研 Ｂ 探 Ｂ 器压 力灵敏 度 与镀层 材料 属性 和镀层 厚度 间的 关 系。 实验 中采 用 不 同材 料 、 同厚 度 的金 属 不 套 管充 当金属 镀 层 ， 光纤 与金属 套 管问 的缝 隙用环氧 树脂 均 匀填充 。结果表 明 ： 感器压 力灵 传
Ｆ Ｇ 传感器 比一般传 感器 有更 多 的优点 ， Ｂ 且可 放人 一般 传感器 无法 接 近 的测 量环 境体 内监控 诸 多 参 数 。但 在坑 井挖 掘检 测 中发现 ｎ ， Ｂ 传感 器 也存 在 误 差 和缺 陷 。 比如 ： 纤 较脆 ， 易 断 裂 和破 坏 ， Ｆ Ｇ 光 容 对 信 号特 别敏 感 ， 易受 周 围环境 影 响 ， 容 因此 在测 量 中需要把 复合 物和 一些 金属 物镀在 传感 器表 面 以防止测
没有 统一 定论 ， 一般 都是 通过 多次 实验来 确定 较为 合适 的材 料和镀 层厚 度 ， 此本 文通 过理论 分析 与实 验 为
研究 确定 了光 纤镀 层传感 器测 量 压力 时的最 佳镀 层厚度 和 材料属性 。
１ 理 论 分 析
光 纤 第 二 镀 层
１ １ Ｆ Ｇ传 感 器的 原理。 ． Ｂ
＊ 收稿 日期 ： ０ ６ ０ —０ ２０— ７ ２
作 者简 介 ： 春 英 （９ ２ ， ， 西 省 万 荣 县 人 ， 吴 １ ６ 一） 女 山 副教 授 ， 士 ， 究 方 向 ｔ 体 传 动 与控 制 、 械 传 动 硕 研 流 机
维普资讯
・
（ ４ ）
（） ４式 中 Ｐ ２ ～（ ） 和 Ｐ 为弹光 张 量分量 （ ｏｋ ｌ Ｐ ｃ ｅ 系数 ） Ｖ 光纤 材料 的泊 松 比， Ｓ为轴 向应 力 的变 ，为 △ 化量 ， Ｅ为 弹性 模 量 ， 。 Ｌ分 别 为 Ｆ Ｇ 改变 前后 的长 度 ， 和 Ａ 分别 为 Ｆ Ｇ所 受外 力及 受力 面积 。 Ｌ 和 Ｂ Ｆ Ｂ １ ３ 镀 层厚度 计 算“ ． 以厚 圆桶受 外层 压力 Ｐ模 型考 虑 ， 如图 １ 示 ， 所 当镀 一层 材料 时 由材 料 的弹性 力学 特性 可计算 镀层 压
敏 度 变化理论 曲线 与 实验 所测 曲线 一致 ， 并且 Ｆ Ｇ传 感 器灵敏度提 高 了 ５ １ Ｂ ～ Ｏ倍 。
关键词 ： 金属 镀 层 ； 层 厚度 ； Ｂ 镀 Ｆ Ｇ传 感 器 ；压 力灵敏 度
中 图分 类号 ： ２ ２ １ ＴＰ １ ． ４ 文献 标识 码 ： Ａ
０ 引 言
２ Ａｎ Ａ ，＋ ２ ４ ＡＡ ，即 ｎＩ
＝ ＝＝
一
（ｄ＋ ） Ｏ ＿ｎ ｐ １Ａ １ Ａ ． Ｏ
根 轴 应 变 引 的 长 移 式 —ｅ一 ［ —（ ＋ｔ ｝△和 可 律 据 向 力 化 起 波 漂 公 ： ｛ － ）×ｓ 胡 定 ｅ １ ｚ ｚ ｔ ］
维普资讯
№ ．５
陕西 科 技 大学 学报
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｓ ＨＡＡＮＸＩＵＮＩ ＶＥＲＳ ＴＹ ＣＩ Ｉ ＯＦ Ｓ ＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
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Ｖｏ ． ４ １２
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文 章编 号 ：０ ０ ５ １ （０ ６ Ｏ － ０ １ ０ １０ － ８ １ ２ ０ ） ５ ＿０ ８ － ４
８ ・ ２
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陕 西 科 技 大学 学 报
第 ２ ４卷
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Ｆ Ｇ对 满足 以下 Ｂ ａ ｇ定 理 的光 波波 长进 行反 射 ： Ｂ ｒｇ
Ｂ 一 ２ Ａ ｎ ， （） １
式 中：
为 有效 折射 系数 ； Ａ为光 栅 间距 。
图 １ 镀 层 半 径
１ ２ 压 力 测 量 ．
假定压 力变 化仅使 Ｆ Ｇ 的 折 射率 和 物 理 长 度 发生 改 变 ， Ｂ 而且 Ｆ Ｇ 长 度 Ｂ 的改 变是 因外界 压力 变 化 导致 Ｆ Ｇ 轴 向 应 力 发 生 变 化 而 引 起 的 ， 环 境 压 力 发 生 变 化 ｚ 时 ， Ｂ 当 Ｓ ｐ
力施 加在 光纤 上 的轴 向应 力 和切 向应 力 ：
一
ｒ １
一ｎ 一 ） ， （ ｒ ＼
ｒ ｒ
㈣ ㈤
一
ｒ一ｎ ＋ ） １ ／ （ ｒ ＼
由胡 可定律 和牛顿定 律 得到 轴 向应变 ：
一
管一 管一
Ａ
根据 Ｆ Ｇ 测量 原理 Ｂ
ｎ Ｂ
Байду номын сангаас
量 信号 受到 干扰 并保 护光 纤传 感器 ， 称为 光纤镀 层 。
光纤镀 层传 感器 比无 镀层 传感 器有诸 多优 点 ， 能大 大提 高光纤 的耐久 力 ， 防止测 量 信号受 到环 境 噪音 影响 ， 更重要 的是能 大 大提高测 量 的灵敏 度 。 目前 ， 研究 具有 高灵 敏度 （ 也就 是高感 度 ） 的传感 器 已成 为 热点 ， 但是镀 层 传感 器 的灵敏度 与镀 层 的厚度 、 材料 以及 测量 参数之 间有 什么 关 系？该 如何确 定 ？迄 今 还
一 ＋ ， 可知 。 光纤 长度 改变 的一部 分・ ， 是 故将 其代 人 （） 得 ： ４式
ｎ
［ 一 ［ 一
一 ｅ
＋ｏ１２ －Ｚ ｎｃ ／ ｏ ２ ＋ｏ１２ －ｐ ｎｃ ｏ ２