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金属化保护对光纤布拉格光栅传感特性的多维度影响探究

一、引言

1.1研究背景与意义

光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating，FBG）作为一种新型的光纤传感器，自问世以来，凭借其独特的优势在众多领域展现出巨大的应用价值。FBG的工作原理基于布拉格衍射，当外界环境参数如温度、应力、应变等发生变化时，其布拉格波长会相应改变，通过检测这一波长变化就能实现对这些物理量的精确测量。与传统电子传感器相比，FBG具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、体积小、重量轻、可实现分布式测量等显著优点，因此在航空航天、土木工程、石油化工、生物医学等领域得到了广泛应用。

在航空航天领域，飞机、卫星等飞行器在复杂的飞行环境中，需要实时监测结构的应力、应变以及温度等参数，以确保飞行器的安全可靠运行。光纤布拉格光栅传感器能够满足飞行器对传感器体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强的要求，可被嵌入飞行器的机翼、机身等关键部位，实现对结构健康状况的实时监测。在土木工程领域，大型桥梁、高层建筑等基础设施在长期使用过程中，会受到各种自然因素和人为因素的影响，导致结构性能下降。FBG传感器可以被埋入混凝土结构中，对结构的应力、应变和温度进行长期监测，及时发现结构的潜在安全隐患。在石油化工领域，高温、高压、强腐蚀的工作环境对传感器的性能提出了极高的要求。光纤布拉格光栅传感器凭借其抗干扰、耐腐蚀等特性，可用于监测石油管道的压力、温度以及泄漏情况，保障石油化工生产的安全稳定运行。

尽管光纤布拉格光栅具有诸多优势，但在实际应用中，其脆弱的光纤结构容易受到外界环境的影响，如机械损伤、化学腐蚀、高温等，从而导致传感器性能下降甚至失效。尤其是在一些恶劣的工作环境中，如高温的工业炉窑、强腐蚀的化工管道、高湿度的海洋环境等，裸光纤布拉格光栅难以长时间稳定工作。为了提高光纤布拉格光栅在复杂环境下的可靠性和稳定性，对其进行有效的保护至关重要。金属化保护作为一种常用的保护方法，通过在光纤表面镀覆一层金属，能够为光纤提供物理屏障，增强其机械强度和抗腐蚀能力。然而，金属化保护在提高光纤布拉格光栅环境适应性的同时，也会对其传感特性产生影响，如改变其温度、应力灵敏度等。因此，深入研究金属化保护对光纤布拉格光栅传感特性的影响，对于优化传感器性能、拓展其应用领域具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

国内外学者对光纤布拉格光栅金属化保护及传感特性开展了大量研究。在金属化保护方法方面，常见的有化学镀、电镀、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等。化学镀和电镀工艺相对成熟，成本较低，能够在光纤表面形成均匀的金属镀层。有研究通过先对光纤进行预处理，然后采用化学镀镍结合电镀镍的方法，在光纤表面获得了致密、光亮、均匀的镀镍保护层，有效提高了光纤布拉格光栅在恶劣环境下的稳定性。物理气相沉积和化学气相沉积可以精确控制镀层的厚度和成分，制备出高质量的金属薄膜，但设备昂贵，工艺复杂。

在金属化保护对传感特性的影响研究上，学者们主要关注温度和应力传感特性的变化。温度方面，由于金属与光纤的热膨胀系数存在差异，在温度变化时会产生热应力，进而影响光纤布拉格光栅的温度传感特性。一些研究通过实验和理论分析建立了金属化保护光纤布拉格光栅的温度传感模型，分析了镀层厚度、热膨胀系数等因素对温度灵敏度的影响。应力传感特性方面，金属化保护层会改变光纤的受力状态，从而影响应力传感的准确性。部分研究通过有限元模拟等方法，探讨了金属化保护对光纤布拉格光栅应力传递效率的影响。

尽管已有研究取得了一定成果，但仍存在一些不足。目前对金属化保护后光纤布拉格光栅的多参数传感特性研究不够全面，缺乏对湿度、压力等其他环境参数传感特性影响的深入分析。在不同金属化工艺对传感特性的影响对比研究方面还不够系统，尚未形成统一的理论体系和优化方法。此外，对于金属化保护后光纤布拉格光栅在复杂多场耦合环境下的长期稳定性和可靠性研究也相对较少。本文将针对这些不足，深入研究金属化保护对光纤布拉格光栅传感特性的影响，为其在更广泛领域的应用提供理论支持和技术指导。

1.3研究方法与创新点

本文采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，系统研究金属化保护对光纤布拉格光栅传感特性的影响。通过设计并开展一系列实验，对不同金属化工艺制备的光纤布拉格光栅进行温度、应力等传感特性测试，获取实际的传感数据。运用弹性力学、材料力学等理论知识，建立金属化保护光纤布拉格光栅的传感模型，从理论上分析金属化保护对传感特性的影响机制。利用有限元分析软件，对金属化保护后的光纤布拉格光栅进行数值模拟，研究不同参数下的应力分布和应变传递情况，与实验结果和理论分析相互验证。

本研究的创新点主要体现在以下几个方面：一是从多参数传感特性角度出发，全面分析