利用光纖馬赫曾德干涉儀對金屬腐蝕速率進行測量

劉曉頎，高 藝 ，劉海鋒，張 勃，劉 波

(1.南開大學 電光學院，天津 300071；2.南開大學 科學技術研究部，天津 300071)

金屬腐蝕速率是金屬材料的一種重要參數，是金屬材料保存和應用的一項性能指標，具有重要的實際意義[1]. 目前對金屬腐蝕的測量主要分為直接法和間接法：直接法是將被測金屬材料涂覆在光纖傳感結構表面進行測量[2,3]，由于需要對器件進行涂覆，在操作上較為復雜，很難在課堂上完成；間接法是測量金屬周圍濕度的變化或材料角度變化等外部因素來感測金屬材料腐蝕程度[4,5]，容易受周圍環境變化影響，且測量時間較長，不適合課堂教學.

本文提出利用自主設計的光纖MZ干涉儀對金屬腐蝕溶液中成分的變化進行感知，并利用電化學方法加速化學反應，一方面可以自行設計光纖傳感器結構測量溶液組分變化，提升實驗的自創性與準確性；另一方面，采用電化學的方法加速腐蝕過程，可以在有限的課堂時間內對多種金屬進行測量. 本實驗可以作為金屬線脹系數實驗的延伸實驗或創新設計實驗[6].

1 實驗原理

1.1 MZ干涉儀工作原理

本文所采用的MZ傳感器結構如圖1所示，整體結構采用商用光纖錯位熔接制成，纖芯直徑為8.2 μm，光纖外徑為125 μm. 在三根單模光纖橫截面，進行兩兩錯位熔接，利用所形成的U形腔作為傳感區域，實現高度靈敏度傳感. 由于在結構設計上只在X方向存在錯位，而在Y方向上無錯位，因而在Y方向上，整個結構與一根光纖形狀相同.

圖1 錯位光纖MZ干涉儀結構原理

當一束光波經過MZ干涉儀時，被分光器分成兩束頻率、振動方向均相同的光. 這兩束光分別進入MZ干涉儀的兩臂，在傳輸過程中因外界因素，如距離、折射率變化等因素而產生相位差，當兩束光再匯合時，發生干涉，形成干涉條紋,發生干涉后的光強可以表示為[7]

(1)

其中I1、I2分別為兩束光的光強，δ為兩束光的相位差，可以表示為

δ=2πΔneffL/λ

(2)

Δneff是兩束光之間的等效折射率之差，L是MZ干涉儀的有效傳感長度，第m階次的干涉波長位置可以表示為

λm=2ΔneffL/(2m+1)

(3)

外界環境導致的折射率變化，在光譜上反應為該階次干涉波長位置的變化. 可以看出，在光譜上讀出干涉波長位置的變化就相應得到等效折射率的變化，從而感測周圍環境的變化. 由于L的長度保持不變，將式(3)進行求導可以得到

(4)

其中，dλm是波長的移動量，dΔneff表示Δneff的變化量，因而，第m級條紋位置的變化可以等同于外部折射率的變化[9]. 同時，由公式(4)可知，單位時間內外部等效折射率的變化快慢與波長的變化成正比關系，且根據所得到的公式可知，測量的適用范圍應不超過條紋間的自由光譜范圍，即折射率的變化量不超過兩級條紋間的距離.

2 實驗裝置

2.1 實驗器材

本文采用的實驗儀器和元件有：光源(寬帶光源)、光譜儀(Yokogawa AQ6370C, 波長范圍 600 ～1700 nm)、光纖三維調節架、光纖(SMF-28e, Corning Inc., USA)、光纖熔接機輪及固定架、砝碼、9 V電池、電極、金屬片、反應槽、氯化鈉溶液、去離子水、毛細管以及溫控系統等.

2.2 光纖MZ干涉儀的制備

三段光纖切割并清潔表面后依次錯位熔接，每次錯位量盡量保證是光纖端面寬度的一半，以形成U型槽傳感區域. 在熔接過程中注意光纖不要沿軸向方向上發生扭轉，即在Y方向上無錯位，進而保證熔接后的MZ干涉儀在Y方向上保證整根光纖的完整程度，增加光纖整體結構的堅固性. 制作熔接好的MZ光纖干涉儀如圖2所示，在顯微鏡下測定U型槽尺寸.

圖2 錯位光纖MZ干涉儀結構顯微鏡圖

3 實驗步驟及數據測量

3.1 標定實驗

將MZ干涉儀整體置于毛細管內，毛細管內部充盈去離子水，利用溫控系統對毛細管進行加溫，將MZ干涉儀的兩端分別與光源和光譜儀相連接. MZ干涉儀的一端用三維調節架固定，另一端通過三維調節架溝槽，置于滑輪上并在光纖尾端墜上砝碼，從而確保整個結構處于繃直狀態，減少彎曲對傳感靈敏度的影響. 其裝置如圖3(a)所示.

圖3 光纖MZ干涉儀定標裝置與實驗結果

通過光纖錯位MZ干涉儀對去離子水溫度變化所引起折射率變化的響應，對干涉儀進行定標，確定其靈敏度. 干涉儀光譜隨溫度變化的光譜如圖3(b)所示，可以看出，輸出光譜在1525～1600 nm波段內出現了多個干涉條紋，每個干涉條紋的位置可以根據公式(3)計算得出. 由公式(3)可知，對于確定的干涉儀，其有效傳感長度L也相應固定，從而其干涉峰位置隨該波長下的Δneff，即兩束光之間的等效折射率之差的變化而變化. 當外界溫度為32 ℃時，水的折射率近似為1.33，峰A峰值位置為1538 nm，傳感距離為1072 μm，根據公式(3)計算可得，峰A近似為第83級條紋. 當對去離子水加溫時，其等效折射率變化為-8.0×10-5K-1[8]，Δneff隨之變化，從而導致光譜的整體移動，且隨著外界等效折射率變小，光譜整體向長波方向移動. 在光譜上，對峰A峰值進行讀取，得到的數據如表1所示.

表1 去離子水中的出射光譜峰位置變化

利用最小二乘法進行線性擬合，得到錯位光纖MZ干涉儀的靈敏度為-14864 nm/RIU (RIU：Refractive index unit,)，如圖3(c)所示.

3.2 金屬腐蝕速率測定實驗

金屬腐蝕速率測定的實驗步驟如下：

1) 佩戴所用光源波段護目鏡，保證儀器安全及有接地措施的情況下，打開光源的電源開關和光譜儀，進行預熱.

2) 將MZ錯位光纖干涉儀的傳感區域，即U型槽部分置于反應槽光纖放置區域內，調節夾持光纖兩端的調節架，使光纖整體結構保持水平；在光纖尾端加墜砝碼使整個光纖結構保持拉直.

3) 清洗腐蝕反應槽.

4) 將被測金屬材料清洗后，置于槽內金屬放置區域.

5) 配置確定濃度的NaCl溶液(如0.5wt%)，利用滴管或是注射器，在反應槽內加入溶液.

6) 將電源正極接金屬，負極接入NaCl溶液，打開光源啟動開關，每隔15 s記錄光譜數據.

7) 讀取光譜數據，利用定標實驗中的靈敏度數值計算腐蝕速率.

測量金屬腐蝕的裝置設備如圖4所示，金屬腐蝕前后，表面結構如圖5(a)所示，腐蝕后的光譜和腐蝕速率如圖5(b)、5(c)所示，數據結果如表2所示.

表2 去離子水中的出射光譜峰位置變化

圖4 測量金屬腐蝕裝置圖

圖5 金屬腐蝕實驗結果

不同于圖3(b)中輸出光譜條紋移動是由于去離子水折射率隨溫度變化，圖5(b)中條紋的移動是由于腐蝕液，即NaCl溶液中，由于腐蝕過程中產生了新的化學組分導致了折射率發生變化，但兩者的移動均是由公式(3)中Δneff變化引起的. 而且由公式(4)可知，單位時間內條紋位置移動的距離與折射率變化量有關，折射率變化越快，單位時間內條紋移動的距離越大，且由條紋是往短波方向移動可知，腐蝕液中由于物質變化其等效折射率是在逐漸變大.

從圖5(b)可以看出峰的位置隨時間變化，即隨著腐蝕時間的延長，峰位置向短波移動，可以讀出峰移動的最大速度的最大值為-9.32×10-2nm/s，再根據錯位MZ干涉儀靈敏度為-14864 nm/RIU，可以計算得到腐蝕過程中，腐蝕液折射率變化量最大為6.27×10-6RIU/s,產生的光譜峰值最大變化量為-3.93×10-2dB/s. 根據圖5(c)可以讀出腐蝕峰位置隨時間的變化關系，利用錯位MZ干涉儀靈敏度，可以計算不同腐蝕進程中的腐蝕速度.

4 結束語

金屬線脹系數的測定是大學物理實驗課程中一個必做實驗，但原理和操作方法相對簡單，實驗結果中誤差較多，很難滿足實驗課的需要和學生能力培養預期. 本文提出利用簡易MZ光纖干涉儀對金屬腐蝕過程進行監測，具有實際應用價值，而且利用干涉儀高靈敏度對實驗進行精確分析，鍛煉同學們對精細實驗的操作與把控能力，加深對干涉儀原理的了解；同時，同學們可以自行設計傳感器，提升實驗自主設計性，培養整體實驗系統的構建能力.