基片式光纤光栅应变传感器金属化封装的关键技术

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光纤光栅凭借着质量轻、尺寸小、抗电磁干扰能力强等优点被广泛应用在桥梁、楼房、隧道等结构上,因其纤细、质脆的特点,在使用前必须要进行封装以增加机械强度。一般的封装是采用有机胶将光纤光栅粘接在金属的保护外壳内,但有机胶在长期疲劳作用下容易老化、蠕动,这会严重影响到光纤光栅应变传感精度和稳定性。与有机胶相比,金属材料的理化性能更稳定,可以有效地克服老化与蠕动等问题,因此采用金属对光纤光栅进行封装,可使传感器具有更高更稳的应变灵敏度。但是现有的光纤光栅金属化封装方法都存在着高温损伤、粘接均匀性不好、一致性差等缺点,这都会影响到光纤光栅的传感性能,而且设备庞大、成本高、操作性弱等缺点也会限制光纤光栅传感器的广泛应用。因此,有必要深入研究光纤光栅金属化封装技术,以开发出高成活率、高灵敏度、高一致性的光纤光栅传感器,并且使整个金属化封装过程简便可行、成本低廉。围绕这些问题,论文主要完成如下研究内容:(1)为了使光纤光栅受到较小的损伤,使金属化封装过程简便可行,依据电镀原理提出光纤光栅金属化封装方案“光纤光栅金属化+超级电镀”,并衍生出光纤光栅金属化工艺和超级电镀工艺。(2)为了使超级电镀成为可能,必须先讨论出优良的光纤光栅金属化工艺,结合传统镜制品工艺,提出表面化学镀银工艺,针对超级电镀的需求,形成完整的镀层评价体系,从均匀性、致密性、结合力三个方面讨论添加剂、镀银次数对镀银结果的影响,最终确定光纤光栅金属化工艺。(3)在光纤光栅金属化基础上继续进行超级电镀封装,以金属封装基片为核心,根据不同的应变环境,设计三种基片结构,并在COMSOL Multiphysics进行仿真,以超级电镀为核心,讨论超级电镀参数影响,设计超级电镀装置,并确定超级镀锌参数。(4)为了检验金属化封装技术的可行性,展开光纤光栅金属化封装实验,通过拉力试验和光谱分析对应变传递性能进行了评价,并与有机胶封装结果进行对比。结果表明:金属化封装技术可以100%成功封装光纤光栅,使传感器具有较高的灵敏度、一致性以及重复性,表现出优良的应变传递性能。
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