基于光纖布拉格光柵的電鍍鎳應力實時在線監測

劉 程

（江西師范大學物理與通信電子學院 江西省光電子與通信重點實驗室，江西 南昌330022）

電鍍過程中產生的電鍍應力對鍍層質量帶來不利的影響［1］。因此，實時監測電鍍應力對電鍍行業具有很大的實際意義。目前測量電鍍應力的方法主要有3種：薄片陰極彎曲法、螺旋收縮儀法、X射線衍射法［2］。但薄片陰極彎曲法會污染電鍍液，影響陰極電流分布；螺旋收縮儀法測試過程較復雜；而X射線衍射法測量精度高，不適合鍍層很薄時的電鍍應力測量。

光纖布拉格光柵具有結構簡單、穩定性好、可靠性高、抗電磁干擾等特點［3］，作為傳感器件被廣泛地應用于道路橋梁、礦井等領域［4-5］。本文基于FBG優良的傳感特性，將其作為應力傳感器，利用單一變量法，測試不同溫度和不同主鹽濃度條件下的電鍍應力。

1 FBG傳感原理

FBG是一種無源波長調制型傳感器，與寬帶光源相連后，特定波長的光將產生諧振，從而形成諧振峰。FBG反射中心波長λB與光柵周期∧和纖芯有效折射率neff的關系為：λB=2∧·neff

當FBG受到應力擾動時，其中心反射波長將隨應力的變化Δσ做線性變化，即：

2 測試方法

測試前需要先對FBG表面進行金屬化，使其具有導電性［6］。然后將金屬化的FBG作為陰極進行電鍍，電鍍過程中產生的應力將會使FBG中心波長λB發生漂移，利用光譜分析儀以一定的頻率記錄λB的飄移量，通過這些漂移量即可反映出電鍍時的應力。實驗中采用瓦特鍍液，測試方法為單一變量法，在不同溫度和主鹽濃度的條件下分別進行了對照實驗。

3 測試結果

3.1 溫度對應力的影響測試

通過恒溫水箱改變電鍍液的溫度并使其穩定不變，溫度分別為32℃、40℃、48℃，其他條件不變，實驗結果如圖1所示。

圖1 電鍍溫度不同時FBG中心波長的響應曲線

3.2 不同主鹽濃度對應力的影響測試

其他實驗工藝參數不變，主鹽質量濃度分別為20g/L、50g/L、80g/L、120g/L，實驗結果如圖2所示。

圖2 主鹽溶度不同時FBG中心波長響應曲線

4 分析

由圖1和圖2可知，中心波長偏移量的變化能反映應力的變化：由圖1可知，溫度變高，波長偏移量變小，電鍍應力小；由圖2可知質量濃度變大，電鍍應力先變小后變大；超過一定濃度時，質量濃度變大，電鍍應力先變大后變小。這與以往文獻結果一致［7-10］。由于鍍層與FBG初期所鍍金屬層不匹配的原因，電鍍初期的中心波長速率遠大于后期［11］；在電鍍后期，隨著鍍層厚度的增加會導致應力的釋放，實驗結果與電鍍應力理論相符合［11］。

5 結語

在電鍍FBG過程中，FBG中心波長對電鍍應力響應靈敏，利用這一敏感響應可以實時監測電鍍應力。本研究使用單一變量法，分別測試了不同條件下的FBG中心波長響應。研究結果表明，FBG傳感器能正確反映電鍍應力的變化。這一測試方法具有簡便性、實時性、精確性的特點。該方法拓寬了FBG在傳感領域的應用。

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