本发明涉及光纤光栅传感器
技术领域：
，特别涉及一种金属化光纤光栅及其制备方法和传感器。
背景技术：
：光纤光栅传感器与传统的电传感器相比有着许多不可替代的优点，如：不受电磁干扰，重量轻，体积小，不受腐蚀等。并且由于光纤光栅传感器采用波长编码，使得光纤光栅传感器与传统的光纤传感器相比，还具有许多优点，如：精度不受光源强度影响，受环境影响小，更加易于复用和分布式传感等。利用光纤布拉格光栅传感系统复用能力强，重量轻，体积小等优点，埋入监测材料中可以方便地实现准分布式测量，因而光纤光栅传感器是智能传感网络技术中的重要组成部分。现有的光纤光栅采用封装于环氧树脂等涂覆层中的方式，使得光纤光栅能够弯曲而不断裂。在制作传感器的过程中，光纤光栅与传感器基片的连接方式一般采用胶粘的方式，由于胶粘的方式的牢固定位程度有限使得这种方式在很大程度上降低了传感精度和准确度。如果让光纤光栅和被测物体直接接触，虽然能测量出被测物体的真实物理参数，但是光纤的硬度等参数远不能满足真实需求，因此要实现监测桥梁，大坝，隧道等大型土木工程结构内部真实应力、温度等物理参数，并能解决传感器在埋入大型土木工程中存活率的问题成为一项重要任务。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供一种金属化光纤光栅及其制备方法和传感器，以提高光纤光栅的强度和耐腐蚀性。本发明的技术方案是这样实现的：一种金属化光纤光栅，包括：金属化区；尾纤，所述尾纤由所述金属化区引出；以及，光栅区，所述光栅区位于所述金属化区中，并且，所述金属化区的长度大于所述光栅区的长度。进一步，所述光栅区的数量为至少一个，所有所述光栅区均位于所述金属化区中。进一步，所述金属化区的直径为0.4mm至1.2mm。进一步，所述金属化区的长度至少为3cm。进一步，所述金属化区包括：光纤部，所述光栅区位于光纤部中；金属层，所述金属层镀覆于所述光纤部的表面。进一步，所述金属层包括：第一金属子层，所述第一金属子层通过化学镀方法镀覆于所述光纤部表面；第二金属子层，所述第二金属子层通过电镀方法镀覆于所述第一金属子层表面。进一步，所述金属层的材料为镍。一种金属化光纤光栅的制备方法，包括：提供光纤；在所述光纤中制备出光栅区；在所述光纤表面镀覆金属层以形成金属化区，其中，所述光栅区位于所述金属化区中，并且，所述金属化区的长度大于所述光栅区的长度，尾纤由所述金属化区引出。进一步，在所述光纤表面镀覆金属层包括：在所述光纤表面通过化学镀方法镀覆第一金属子层；在所述第一金属子层表面通过电镀方法镀覆第二金属子层。一种传感器，采用如上任一项所述的金属化光纤光栅。从上述方案可以看出，本发明的金属化光纤光栅耐腐蚀、耐高温、可焊接、可埋入、抗拉力大、抗剪力大、对温度灵敏性高并能够实现多点监测。附图说明图1为本发明实施例的金属化光纤光栅结构示意图；图2为本发明实施例的金属化光纤光栅中的金属化区的横截面结构示意图；图3为本发明实施例的金属化光纤光栅的制备方法流程图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。图1示出了本发明实施例的金属化光纤光栅的结构，如图1所示，本发明实施例的金属化光纤光栅包括金属化区1、光栅区2和尾纤3。其中，光栅区2位于金属化区1中，并且，金属化区1的长度大于光栅区2的长度，尾纤3由金属化区1引出。在可选实施例中，光栅区2的制备例如通过紫外线照射等方法在光纤中的某个位置或者某些位置产生，金属化区1覆盖了所有的光栅区2。在可选实施例中，光栅区2的数量为至少一个，所有光栅区2均位于金属化区1中，多个光栅区2之间的光栅常数互不相同，并且多个光栅区2之间并不重合，这样可以通过一根金属化光纤光栅同时监测多个位置的应力应变分布。在可选实施例中，尾纤3由光纤从金属化区1中的光栅区2中引出，并可连接光纤接头，以接收和发送光信号。在可选实施例中，金属化区1的直径为0.4mm至1.2mm，金属化区1的直径可以达到现有普通光纤的两倍以上，从而增加了光纤的抗拉性和抗剪切性，使得本发明实施例的金属化光纤光栅能够应用于高拉力和高剪切力的恶劣环境中。在可选实施例中，金属化区1的长度至少为3cm，优选地，金属化区1的长度至少为5cm，金属化区1的长度至少为10cm，金属化区1的长度至少为20cm，金属化区1的长度至少为30cm，金属化区1的长度至少为40cm，金属化区1的长度至少为50cm，金属化区1的长度至少为1m。较长的金属化区1更加便于本发明实施例的金属化光纤光栅的直接焊接和埋入。其中，本发明实施例的金属化光纤光栅通过金属化区1直接焊接于被测物体上，可以解决胶粘封装导致的传输迟滞性以及测量线性和重复性误差问题。本发明实施例的金属化光纤光栅中的金属化区1可直接埋入桥梁、大坝等混凝土结构中，亦可埋入复合材料中，相比于现有的埋入式传感器来说，成活率大大提升。图2示出了本发明实施例的金属化光纤光栅中的金属化区1的横截面结构。同时参见图1、图2所示，金属化区1包括光纤部11和金属层12。其中，光栅区2位于光纤部11中，金属层12镀覆于光纤部11的表面。其中，光纤部11即为金属层12所覆盖的光纤，其中含有光栅区2。如图2所示，在可选实施例中，金属层12包括第一金属子层121和第二金属子层122。其中，第一金属子层121通过化学镀方法镀覆于光纤部11的表面。第二金属子层122通过电镀方法镀覆于第一金属子层121的表面。在可选实施例中，金属层12的材料为镍。由于金属层12采用镍，使得含有光栅区2的整个光纤部11表面均被镍所覆盖，而镍的熔点高，可达到1453摄氏度，进而使得本发明实施例的金属化光纤光栅能够在500摄氏度高温状态下正常工作而不损坏(光线的材料为二氧化硅，熔点达到1000摄氏度以上，所以不会在500摄氏度高温状态下融化)，并且镍的导热性好，具有抗腐蚀性、延展性和一定的硬度，采用镍作为金属层12的材料可扩大金属化光纤光栅的应用环境和应用领域。本发明实施例还提供了一种金属化光纤光栅的制备方法，如图3所示，包括：步骤1、提供光纤；步骤2、在光纤中制备出光栅区；步骤3、在光纤表面镀覆金属层以形成金属化区，其中，光栅区位于金属化区中，并且，金属化区的长度大于光栅区的长度，尾纤由金属化区引出。其中，步骤3中的在光纤表面镀覆金属层包括：步骤31、在光纤表面通过化学镀方法镀覆第一金属子层；步骤32、在第一金属子层表面通过电镀方法镀覆第二金属子层。本发明实施例还提供了一种传感器，该传感器采用如上所述实施例的金属化光纤光栅。如表1所示，本发明实施例提供了3种金属化光纤光栅的技术参数。表1实施例1至3的金属化光纤光栅技术参数金属化区域长度(mm)金属化后直径(mm)实施例14000.56实施例24200.65实施例34150.59选取3根普通光纤光栅、3根现有技术中的金属化光纤光栅和表1中实施例1、实施例2、实施例3的金属化光纤光栅进行最大抗拉力测定，获得表2所示的最大抗拉力值对照。表2光纤光栅最大抗拉力值测定结果对照从表2可以看出，本发明实施例的金属化光纤光栅的最大抗拉力值(拉断力)远远大于现有的金属化光纤光栅和普通光纤光栅。本发明实施例的金属化光纤光栅相比其他光纤光栅的抗拉力值更大，能够监测的拉力范围更大，可适用于更加恶劣的环境，应用领域更广。选取上述3根普通光纤光栅、3根现有技术中的金属化光纤光栅和表1中实施例1、实施例2、实施例3的金属化光纤光栅进行温度灵敏性试验，获得表3所示的温度灵敏性对照。表3光纤光栅温度灵敏性测定结果对照从表3中可以看出，本发明实施例的金属化光纤光栅的温度灵敏性远远大于现有的金属化光纤光栅以及普通光纤光栅，在测量温度变化时，本发明实施例的金属化光纤光栅能够更加灵敏、精确的反应出温度的微小变化；在测量应力应变时，也能够更加准确的去除温度变化的影响，使得温度补偿更加准确。本发明实施例的金属化光纤光栅采用点焊机焊接于被测物体表面，焊接方法为：将点焊机焊接电流调至0.5a，将本发明实施例的金属化光纤光栅放入基体(被测物体)的固定槽中，定位好焊接点，最后将本发明实施例的金属化光纤光栅焊接到基体上。本发明实施例的金属化光纤光栅可埋入被测物体内部，例如埋入混凝土中。埋入方法为：制作所需尺寸的木板外壳，在木板外壳侧面开两个孔以便穿设本发明实施例的金属化光纤；将混凝土按配方混合好后浇入木板外壳中，随后放入钢筋以提高混凝土梁的强度；当混凝土浇至一半时经由所开孔放入本发明实施例的金属化光纤，将光纤两端绷直拉紧后继续将剩下的混凝土浇入木板外壳中，完成本发明实施例的金属化光纤的埋入。本发明实施例的金属化光纤光栅具有以下各项优点：1、耐腐蚀。一般情况下金属与聚合物相比具有持久稳定的特点，镍材料的金属层更是防腐防锈。本发明实施例的金属化光纤光栅由镍材料的金属层替代传统光纤光栅表面的酯类涂覆层，解决了传统光纤光栅使用胶粘物封装不耐腐蚀，不能在潮湿、高压等苛刻环境下使用的问题。2、耐高温。传统的光纤光栅涂覆层多为酯类，普通的光纤光栅处于250℃左右涂覆层就会融化分解，而现有的金属化光纤光栅只在光栅区部位进行金属化，两端尾纤同样难以承受高温。本发明实施例的金属化光纤光栅整体表面被金属层覆盖，使得其整体在500℃的高温下仍然可以正常工作而不损坏。3、可焊接。本发明实施例的金属化光纤光栅能够直接焊接在被测物体表面，解决了胶粘封装导致的传输迟滞性以及测量线性和重复性误差。4、可埋入。本发明实施例的金属化光纤光栅能够直接埋入桥梁、大坝等混凝土结构中，亦可埋入复合材料中，比传统的埋入式传感器成活率大大提升。5、抗拉力大、抗剪力大。传统的光纤光栅易于受损或折断，而现有的金属化光纤光栅镀层薄，且只在光栅区部位进行金属化，使用时稍有不慎就会断裂。本发明实施例的金属化光纤光栅整体受到金属层的保护，金属化区的直径大，抗拉力大大增加，不易于折损，可用于混凝土等的埋入。6、对温度灵敏性提高。由于金属的热膨胀系数远大于光纤的热膨胀系数，使得本发明实施例的金属化光纤光栅对温度的灵敏度大大增加，实验证明，本发明实施例的金属化光纤光栅的温度灵敏性比传统的光纤光栅温度灵敏性提高了2倍。在测量温度变化时，能更加灵敏、精确的反应出温度的微小变化；在测量应力应变时，也能更加准确的去除温度变化的影响，使得温度补偿更加准确。7、能进行多点监测。本发明实施例的金属化光纤光栅可长达数米，内有一个或多个光栅区，进而可对大范围进行多点应力应变或者温度的监测。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。当前第1页12