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这两种方法可有效延长光纤光栅的使用寿命 [帖子3238234]

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发表于 2021-7-13 14:39:29 | 显示全部楼层 |阅读模式

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文/朱晓军,南通大学副教授
光纤光栅具有体积小、结构简单、抗电磁干扰、易复用等优点,在光通信领域和传感领域得到了广泛应用。为了保证光栅在实际使用过程中的长期稳定性,光纤光栅的实际使用寿命已成为用户关心的指标之一。为此,我们有必要了解一下影响光纤光栅使用寿命的相关因素以及延长光栅使用寿命的一般方法。


影响光纤光栅寿命的因素


光纤光栅在工程应用中,不可能仅仅受一种因素的影响,它长期暴露于自然环境气候中,会受到如温度、湿度、应力、雨水、尘埃及污染腐蚀性物质等多种因素的共同作用而产生老化,最终致使光纤光栅失效。


光纤光栅传感器大多数情况下会受到水的影响,随着季节的交替、气候的改变,光纤光栅必定会受到湿热、冻融、干湿循环周期变化的影响。其中最为严酷的要数湿热环境。水会随着时间的推移扩散到传感器可吸湿非金属材料中破坏其分子结构,或直接腐蚀易锈蚀的金属材料中,破坏光纤光栅。


化学介质光纤光栅在使用过程中或是暴露于地表,或是埋入土壤或混凝土等结构,或是应用于海边环境或沿海气候中,都会或多或少的受到如大气污染物、酸雨、酸碱性土壤、碱性混凝土海水等周围环境中酸碱盐等介质的腐蚀。因为这些环境中含有丰富的H+、OH-、CL-等离子,对传感器材料产生或加速腐蚀,腐蚀降低金属结构的强度。在某些更为严苛的环境工况中,如石油工业,还会涉及到更为复杂的介质环境,如有机混合物。当这些介质渗入光纤光栅封装胶黏剂粘结部分时,或能引起高分子材料的膨胀变形,产生应力进而影响粘结强度,或是直接致使胶黏剂分解,大大降低光纤光栅使用寿命。


应力光纤光栅在使用过程中长期处于负载的应力、位移传感器,应力的影响是不可忽视的,因为这种状态下的传感器在使用过程中长期处于受力状态,所受的力可能是变化着的疲劳应力,也可能是力不改变的持久应力。无论哪种应力,都会加速金属基体达到疲劳极限,加快非金属材料发生应力松弛和蠕变,甚至使传感器中关键部分提前失效,从而破坏传感器结构。


辐射在能量充足的情况下,高能量的粒子和电磁辐射包括核子、电子及射线,会导致胶黏剂或其他聚合物的分子断裂,导致粘结度下降或脆化。例如,长期暴露于大气中的光纤光栅传感器就会受到光线的辐射作用,不同波长的光能量不同,对材料的影响也不同。其中以紫外线的影响最为明显,它会导致高聚物吸收光能发生自由基链锁反应,从而加速胶黏剂的反应或分解。


氧不单单是指空气中的氧气,还包括臭氧等其他强氧化气体。这些氧化物质会破坏相关材料的分子结构,使其提前失效。氧通过与某些聚合物中的游离基发生反应,致使其分子链断裂;而臭氧由于较氧具有更高的氧化性以及化学活性,往往破坏性更大,所以考察传感器耐氧性能非常必要。


生物光纤光栅传感器应用场合往往会富含各种微生物,如细菌等。在传感器的组成部分中,含有油脂类的高分子材料很容易被霉菌、放线菌等分解,尤其是含脂肪酸结构的高分子材料,在温度、湿度适宜的情况下,极易被分解,甚至由于为菌类提供了生存条件而形成生物降解。除此之外,昆虫等生物也会因咬食而影响传感器功能。


温度对于所有传感器来说,温度的影响都是不可避免的。温度过高、温度过低、高低温循环变化等等,都有加快传感器老化的因素。过高的温度不仅会导致光纤光栅胶黏剂发生软化甚至熔融,也会使其发生化学分解或较大变形,使传感系统中的其他非金属结构过早失效。


延长光纤光栅使用寿命的方法



在实际操作中,如何延长光纤光栅的使用寿命,可以从两个方面考虑,一是对其接触外部环境进行改善;二是对光纤光栅进行高温退火处理


目前光纤光栅传感器使用最广的封装形式是采用金属材料为基体,胶粘剂为连接部分,封装结构如图1所示。



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图1 光纤光栅基础封装结构图



基体一般作为受载支撑部分,环境耐久性肯定优于胶粘剂,光纤光栅自身寿命长、耐久性好。换言之,传感器失效往往发生在封装材料即胶粘剂失效老化时。


光纤光栅传感器的封装方式按封装过程中使用材料的数量主要分为单材料封装和多材料封装。而封装材料根据其自身的性质与功能,又可以分为非金属材料和金属材料两种。其中非金属材料主要指的是连接部分的胶黏剂、聚合物基体材料、橡胶、塑料等。而此处提及的金属不仅仅指的是封装所用基体材料,如45钢、合金钢等,还包括光纤表面金属化过程中需要的金属材料,如镍、铜、银等。


保护型封装是最常见的一种封装形式,也是其他各种封装形式的基础,除图1所示的金属管保护型封装外,还可以片式保护型封装(如图2),保护性封装被广泛应用于土木工程、石油工业等实际工程结构监测中。这种封装形式主要是借助一种或多种封装材料保护裸光纤光栅以达到提升光纤光栅传感器耐久性及寿命的目的。其封装需要考虑以下几种因素:



  • 封装材料的选择要考虑实际使用环境;
  • 传感器结构设计尽量密闭;
  • 光纤光栅传感器的封装工艺要考虑其可替换性。

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图2 光纤光栅片式保护型封装结构图



另一方面,可以利用高温退火来延长光纤光栅本身材料的使用寿命。参照电子元器件寿命预测的加速老化试验方法,对光纤光栅采用高温加速老化的方法来研究其使用寿命。


结果表明:温度作用将导致光纤光栅的光谱性能以先快后慢的速度衰退,且温度越高,衰退速度越快(图3(a));对于经高温加热退火处理后的光纤光栅,在小于退火温度的常规应用温度下,仅考虑温度因素,其使用寿命基本不受影响,可满足长期正常工作的需求(图3(b))。在实际应用中,通过对光纤光栅高温加热退火、用特殊掺杂光纤制作耐高温光纤光栅等方法提高纤光栅的使用寿命。其中,高温加热退火是常用的提高商用光纤光栅使用寿命的方法。

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图3 光纤光栅峰值反射率在不同温度下随时间的衰减图

(a)退火前 (b)退火后



(两个结论数据图参考[1]许亨艺,雷小华,张伟,陈伟民,齐翊,李竞飞,刘显明.环境温度对光纤光栅使用寿命的影响[J].光子学报,2015,44(10):105-109.)


作者简介

朱晓军,南通大学副教授,加拿大滑铁卢大学访问学者,江苏省“六大人才高峰”高层次人才。长期从事光纤通信器件、传感器件以及光纤激光等理论和实验研究。包括光纤光栅、微纳光纤、硅光器件等波导器件的设计、检测和制备。先后主持江苏省省级项目3项,南通市等厅级项目3项。作为主要负责人参与完成国家自然科学重点培育项目、国家自然科学基金面上项目、国家青年项等多项。已在Optics ExpressScientific reportsIEEE Photonics Technology LettersIEEE Photonics Journal、光学学报等国内外刊物发表相关论文30余篇,申请授权国家发明专利10余项。



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END




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内容来源:光电汇




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