第36卷，第3期 2016年3月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
基于光谱特征分析的光纤光栅腐蚀传感器研究张俊，曾
捷1*，王博”，王文娟"，梁大开"，刘晓颖
1.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏南京210016 2.中国空间技术研究院北京卫星制造厂，北京100190
3、北京长城计量测试技术研究所计量与校准技术国防科技重点实验室，北京
100095
Vol. 36,No. 3,pp853-856
March,2016
摘要针对航空航天领域铝合金结构服役过程腐蚀监测需求，提出了一种基于铝质细管结构的预载荷型光纤光栅腐蚀传感器，给出了铝合金结构腐蚀在役监测机理，得到光纤光栅反射光谱特征与铝质细管厚度变化之间的理论关系模型，构建了酸碱环境下的光纤光橱离蚀监测试验系统。通过在细管内部配置不受力且仅感受温度变化的光纤光幅传感器，解决了被测目标的温度与应力交叉敏感问题。研究表明，这种铝质细管封装设计不仅可以感受腐蚀对其力学性能的影响，还能够屏蔽外界腐蚀因素对管内光纤感知器件的干扰。随着金属管离蚀程度加深，其管壁逐断变薄，光纤光摄反射光谱逐断向短波长方向偏移，且管壁厚度变化与光栅中心波长偏移量之间呈较好单调关系。这些特性能够为进-一步开展基于光纤感知器件的机械结构在役腐蚀监测研究提供有益助。
光纤光栅；光谱分析；铝质细管；腐蚀监测
关键词
中图分类号：TG17
引言
文献标识码：A
DOI; 10. 3964/j. issn. 1000-0593(2016)03-0853-04
栅反射光谱特征变化，实现对目标结构离蚀状态的辨识，
腐蚀监测原理 1
由于铝合金相比其他金属材料具有密度小、强度高、易
加工等优点，因此航空航天领域大量使用铝合金材料作为主承力构件。但在沿海酸碱盐雾环境下，其易受到侵蚀，进面导攻结构损伤失效。传统腐蚀监测方法如目测法、取样法、机械（力学)实验等方法，存在可靠性低、破坏结构、实时性差等缺点[H-]。
光纤光栅作为一种新型分布式传感元件，具有质量轻、芯径细、抗电磁于扰、易实现组网监测等独特优点。Ruther-ford等[5]提出在光纤纤芯外层镀铝膜，通过检测光信号的光功率变化来监测离蚀程度。但该方法易受外界环境干扰，使得其精度和稳定性存在一-定问题。赵二刚等[则研究了一种利用U型弹簧监测金属材料腐蚀的光纤光栅传感器。
根据以上分析，本文提出一种基于铝质细管结构的预载荷型光纤光栅腐蚀传感器。在研究酸碱环境下光纤光栅传感光谱蜕化特性基础上，通过监测铝质细管腐蚀引起的光纤光
收稿日期：2014-10-31，修订日期：2015-02-11
考虑到铝合金材料在磷酸、氢氧化钠等溶液中其表面氧化膜逐渐解，发生均匀腐蚀，使于标定腐蚀速率。实验中选取2%NaOH作为腐蚀溶液，所涉及化学反应为(79)
2AI+ 6H,O→2AI(OH) + 3Hz AI(OH)s +OH--+ AIO; +2H;O
基于铝质细管结构的预载荷型光纤光橱腐蚀传感器结构，如图1所示。将传感光纤光栅传感器施加一定预拉力后悬空固定于铝合金细管内部。同时在其一侧串接另一根温度补偿用光纤光栅，该温补光栅自由放置于铝合金细管内部。
当光纤光栅所受应力和温度改变时，布拉格光栅中心波长变化量为[10]
M/s = (1 P,)e +[(1 P,)+JT
(1)
其中P.为光纤弹光系数，e/为光纤轴向应变；α为光纤热膨胀系数；为热光系数；△T为温度变化。铝合金管弹性模量
基金项目：国家自然科学基金项目(51275239)，航天CAST创新基金项目，江苏省产学研联合创新资金项目（BY2014003-01)，中国博士后
科学基金项日（20090461116），航空科学基金项目（20152852036），上海航天科技创新基金项目（SAST2015062)和CAST-BISEE 创新基金项目资助
作者简介：张俊，1989年生，南京航空航天大学航空字航学院研究生
*通讯联系人
万方数据
e-mail; zj2007@nuaa. eda, cn
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