一种智能金属悬臂梁的制作方法
【专利摘要】一种智能金属悬臂梁的制作方法，所述悬臂梁由梁臂、立柱、底座组成，光纤光栅经化学镀结合电镀进行金属化保护后嵌入到梁臂表面。所述的梁臂表面开一半圆形凹槽，光纤光栅的嵌入采用化学镀结合电镀的方法，在化学镀电镀前均分别将金属板无需镀层的表面粘上绝缘胶布，通过控制电镀时间和电流大小，使光纤光栅完全嵌入金属基体；对嵌入光纤光栅部分多余凸起的电镀层进行打磨，使其形成完整平面，金属板恢复加工半圆形凹槽之前的形貌。本发明操作过程简单；与胶粘传感器的悬臂梁相比，服役温度范围得到提升，而且由于光栅直接嵌入金属，不存在有机胶接，因而长期预期可靠性大幅提高。
【专利说明】一种智能金属悬臂梁的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤光栅的应用【技术领域】，具体涉及一种智能金属悬臂梁制作方法。 技术背景
[0002] 智能结构是具有感知基体结构内部或外部变化，是将传感、驱动元件和控制系统 集成在基体中的一类结构。悬臂梁结构是一种典型的力学模型结构，目前其柔性化主要是 通过在悬臂梁表面粘贴各类传感器，如温度、应力应变等。封装方式大部分都采用有机胶粘 贴，然而有机胶本身存在易老化、热传导慢、应变传递误差大等问题，这样封装的传感器对 悬臂梁内部温度、应力等的测量存在一定误差，且由于嵌入悬臂梁传感器的自身属性，使柔 性悬臂梁使用范围受到限制。光纤光栅作为一种新型无源传感器，可以用作温度、压力、应 变等物理量的测量。因其具有结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、不受光强 波动影响等诸多优点，因此将光纤光栅作为传感器埋入金属基体是一种具有实用价值的制 造智能结构的方法。目前，将光纤传感器嵌入悬臂梁表面或内部存在一些问题。大部分采 用有机胶粘的方法将传感器粘在被监测结构表面，由于粘贴所用的有机胶存在易老化、高 温失效等问题，导致其封装结构的工程可靠性差。因此，不损坏光纤光栅、长期应用可靠性 好的嵌入方法具有重要意义。本发明提出的采用化学镀结合电镀的方法将光纤光栅埋入基 体过程对光纤光栅的损伤小，且目前尚未出现采用化学镀结合电镀的方法将光纤光栅植入 悬臂梁基体的有关研究报道。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种智能金属悬臂梁制作方法。
[0004] 本发明所述的智能金属悬臂梁结构包括梁臂、立柱、底座和光纤光栅；梁臂表面开 半圆形凹槽，光纤光栅经过表面金属化镀层增敏保护，镀层厚度为20-50 μ m，梁臂、立柱、底 座用TIG焊搭建成悬臂梁；采用化学镀镍结和电镀镍的方法直接将光纤光栅嵌在悬臂梁表 面。
[0005] 本发明所述制作方法包括以下步骤：
[0006] (1)取一根光纤光栅，光栅成栅部分为裸光栅，表面无任何保护层；在25?35°C 温度下对其在敏化液中敏化后再在活化液中活化，时间分别为10?20min ;然后进行化学 镀镍后进行电镀镍，使其镍镀层厚度为20-50 μ m (根据金属材料的结构尺寸确定合理的镀 层厚度）；
[0007] (2)制备梁臂，在需要埋入光纤光栅的表面铣削一条直径为0. 5-2. 0mm半圆形凹 槽（根据金属材料的结构尺寸确定合理的半圆形凹槽直径）；
[0008] (3)对加工有半圆形凹槽的梁臂进行镀前预处理，将金属化光纤光栅的光栅部位 放入半圆形凹槽，并用胶布把光纤光栅的尾纤一侧靠近半圆形凹槽部分与梁臂紧密结合 固定，再将梁臂水平置于化学镀镍液中，在85?90°C温度时进行化学镀镍，时间为3?6h， 形成厚度为5?8 μ m的化学镀层，使光纤光栅与梁臂固定、连通导电；
[0009] (4)将化学镀后的梁臂和光纤光栅取出，取下绝缘胶布，换新的绝缘胶布重新粘在 梁臂无需镀层的表面，在18?45°C时进行电镀镍，电流大小为6?8mA，时间为20?30h， 直到光纤光栅完全埋入梁臂半圆形凹槽内；对埋入光纤光栅部分凸起的电镀层进行打磨， 使梁臂表面平整；
[0010] (5)采用TIG焊将梁臂、立柱和底座结合在一起，形成完成的悬臂梁结构，焊缝形 貌为角焊缝。
[0011] 本发明中所涉及的敏化液配方为：SnCl2 · 2H20为10g/L，HC1为40ml/L。
[0012] 本发明中所涉及的活化液配方为：PdCl2为(λ 1?(λ 5g/L，HC1为5ml/L。
[0013] 本发明中所涉及的化学镀镍溶液配方为：NiS04 · 7H20为25g/L，Η3Β03为20g/L， C3H602 为 20ml/L，NaH2P02 · 2H20 为 20g/L。
[0014] 本发明中所涉及的电镀镍溶液配方为：NiS04 ·7Η20为280g/L，NiCl2 ·6Η20为850g/ L，H3B03 为 358g/L，C12H25S04Na 为 0· 05-0. lg/L。
[0015] 本发明的技术效果是：本发明将金属化的光纤光栅通过化学镀结合电镀的方法埋 入悬臂梁，其过程操作简单，可靠性好，对悬臂梁基体削弱作用小，服役温度范围大幅度提 升，特别适用于微型悬臂梁的传感器埋入。本发明所得悬臂梁具有自感知温度、应力应变能 力，是良好的应力应变测试模型。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为智能金属悬臂梁结构示意图；
[0017] 图2为实施例1智能金属悬臂梁温度传感特性曲线；
[0018] 图3为实施例1智能金属悬臂梁的应变传感特性曲线；
[0019] 图4为实施例2智能金属悬臂梁温度传感特性曲线；
[0020] 图5为实施例2智能金属悬臂梁的应变传感特性曲线；
[0021] 图6为实施例3智能金属悬臂梁温度传感特性曲线；
[0022] 图7为实施例3智能金属悬臂梁的应变传感特性曲线；
[0023] 图中：1、梁臂，2、光纤光栅，3、立柱，4底座。
【具体实施方式】
[0024] 下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：
[0025] 实施例1 :(1)取一根光纤光栅（室温中心波长为1540. Ollnm)，光纤光栅成栅部 分为裸光栅，表面无任何保护层；按敏化液配方（SnCl2 · 2H20为10g/L ;HC1为40ml/L)、 活化液配方（PdCl2为0. 5g/L ;HC1为5ml/L)分别配制敏化液、活化液，在25°C温度下对其 进行敏化后活化，时间分别为15min、20min ;然后在90°C温度时进行化学镀镍，再在25°C温 度时进行电镀镍，电流大小为6mA，电镀时间为20h，使其镀镍层厚度为20μπι ; (2)取一不 锈钢制成梁臂，尺寸为l〇〇X20Xlmm3,在需要埋入光纤光栅的表面铣削一条直径为0. 5_ 半圆形凹槽；（3)对加工有半圆形凹槽的梁臂进行镀前预处理，将金属化光纤光栅的光栅 部位放入半圆形凹槽，并用胶布把光纤光栅的尾纤一侧靠近半圆形凹槽部分与梁臂紧密 结合固定，按化学镀镍溶液配方（NiS0 4 · 7H20为25g/L ;H3B03为20g/L ;C3H602为20ml/L ; NaH2P02 ·2Η20为20g/L)配制化学镀镍溶液，再将金属铜板水平放置于化学镀镍溶液中，半 圆形凹槽朝上，在温度为90°C时进行化学镀镍，时间为3h，形成厚度为5 μ m的化学镀层，使 光纤光栅与梁臂固定、连通导电；(4)将化学镀后的梁臂和光纤光栅取出，取下绝缘胶布， 换新的绝缘胶布重新粘在梁臂无需镀层的表面，按电镀镍溶液配方（NiS0 4 ·7Η20为280g/L ; NiCl2 · 6H20 为 850g/L ;H3B03 为 358g/L ;C12H25S04Na 为 0· lg/L)配制电镀镍溶液，在温度为 25°C时进行电镀镍，电流为8mA，电镀时间20h，直到光纤光栅完全埋入梁臂半圆形凹槽内； (5)将梁臂、立柱和底座通过TIG焊结合在一起，形成完成的智能悬臂梁结构。对制成的悬 臂梁进行温度、应变传感试验，附图2为悬臂梁温度传感特性曲线，附图3为悬臂梁的应变 传感特性曲线。
[0026] 实施例2 :(1)取一根光纤光栅（室温中心波长为1540. 018nm)，光纤光栅成栅部 分为裸光栅，表面无任何保护层；按敏化液配方（SnCl2 · 2H20为10g/L ; HC1为40ml/L)、 活化液配方（PdCl2为0. 5g/L ;HC1为5ml/L)分别配制敏化液、活化液，在25°C温度下对其 进行敏化后活化，时间分别为15min、20min ;然后在90°C温度时进行化学镀镍，再在25°C 温度时进行电镀镍，电流大小为6mA，电镀时间为25h，使其镀层厚度为30μπι; (2)取一不 锈钢制成梁臂，尺寸为500X30X2mm3,在需要埋入光纤光栅的表面铣削一条直径为1.0mm 半圆形凹槽；（3)对加工有半圆形凹槽的梁臂进行镀前预处理，将金属化光纤光栅的光栅 部位放入半圆形凹槽，并用胶布把光纤光栅的尾纤一侧靠近半圆形凹槽部分与梁臂紧密 结合固定，按化学镀镍溶液配方（NiS0 4 · 7H20为25g/L ;H3B03为20g/L ;C3H602为20ml/L ; NaH2P02 ·2Η20为20g/L)配制化学镀镍溶液，再将金属铜板水平放置于化学镀镍溶液中，半 圆形凹槽朝上，在温度为90°C时进行化学镀镍，时间为4h，形成厚度为6 μ m的化学镀层，使 光纤光栅与梁臂固定、连通导电；(4)将化学镀后的梁臂和光纤光栅取出，取下绝缘胶布， 换新的绝缘胶布重新粘在梁臂无需镀层的表面，按电镀镍溶液配方（NiS0 4 ·7Η20为280g/L ; NiCl2 · 6H20 为 850g/L ;H3B03 为 358g/L ;C12H25S04Na 为 0· lg/L)配制电镀镍溶液，在温度为 25°C时进行电镀镍，电流为7mA，电镀时间25h，直到光纤光栅完全埋入梁臂半圆形凹槽内； (5)将梁臂、立柱和底座通过TIG焊结合在一起，形成完成的悬臂梁结构。对制成的悬臂梁 进行温度、应变传感试验，附图4为悬臂梁温度传感特性曲线，附图5为悬臂梁的应变传感 特性曲线。
[0027] 实施例3 :(1)取一根光纤光栅（室温中心波长为1540. 028nm)，光纤光栅成栅部 分为裸光栅，表面无任何保护层，按敏化液配方（SnCl2 · 2H20为10g/L ;HC1为40ml/L)、 活化液配方（PdCl2为0. 5g/L ;HC1为5ml/L)分别配制敏化液、活化液，在25°C温度下对其 进行敏化后活化，时间分别为15min、20min;然后在90°C温度时进行化学镀镍，再在25°C 温度时进行电镀镍，电流大小为8mA，电镀时间为25h，使其镀层厚度为50μπι; (2)取一不 锈钢制成梁臂，尺寸为500X30X5mm3,在需要埋入光纤光栅的表面铣削一条直径为2. 0_ 半圆形凹槽；（3)对加工有半圆形凹槽的梁臂进行镀前预处理，将金属化光纤光栅的光栅 部位放入半圆形凹槽，并用胶布把光纤光栅的尾纤一侧靠近半圆形凹槽部分与梁臂紧密 结合固定，按化学镀镍溶液配方（NiS0 4 · 7H20为25g/L ;H3B03为20g/L ;C3H602为20ml/L ; NaH2P02 ·2Η20为20g/L)配制化学镀镍溶液，再将金属铜板水平放置于化学镀镍溶液中，半 圆形凹槽朝上，在温度为90°C时进行化学镀镍，时间为6h，形成厚度为8 μ m的化学镀层，使 光纤光栅与梁臂固定、连通导电；(4)将化学镀后的梁臂和光纤光栅取出，取下绝缘胶布， 换新的绝缘胶布重新粘在梁臂无需镀层的表面，按电镀镍溶液配方（NiS0 4 ·7Η20为280g/L ; NiCl2 · 6H20 为 850g/L ;H3B03 为 358g/L ;C12H25S04Na 为 0· lg/L)配制电镀镍溶液，在温度为 25°C时进行电镀镍，电流为6mA，电镀时间30h，直到光纤光栅完全埋入梁臂半圆形凹槽内； (5)将梁臂、立柱和底座通过TIG焊结合在一起，形成完成的悬臂梁结构。对制成的悬臂梁 进行温度、应变传感试验，附图6为悬臂梁温度传感特性曲线，附图7为悬臂梁的应变传感 特性曲线。
【权利要求】
1. 一种智能金属悬臂梁的制作方法，其特征在于： (1) 所述金属悬臂梁结构包括梁臂、立柱、底座和光纤光栅； (2) 取一根光纤光栅，光栅成栅部分为裸光栅，表面无任何保护层；在25?35°C温度 下对其在敏化液中敏化后再在活化液中活化，时间分别为10?20min ;然后进行化学镀镍 后进行电镀镍，使其镍镀层厚度为20-50 μ m ; (3) 制备梁臂，在需要埋入光纤光栅的表面铣削一条直径为0. 5-2. 0mm半圆形凹槽； (4) 对加工有半圆形凹槽的梁臂进行镀前预处理，将金属化光纤光栅的光栅部位放入 半圆形凹槽，并用胶布把光纤光栅的尾纤一侧靠近半圆形凹槽部分与梁臂紧密结合固定， 再将梁臂水平置于化学镀镍液中，在85?90°C温度时进行化学镀镍，时间为3?6h，形成 厚度为5?8 μ m的化学镀层，使光纤光栅与梁臂固定、连通导电； (5) 将化学镀后的梁臂和光纤光栅取出，取下绝缘胶布，换新的绝缘胶布重新粘在梁臂 无需镀层的表面，在18?45°C时进行电镀镍，电流大小为6?8mA，时间为20?30h，直到 光纤光栅完全埋入梁臂半圆形凹槽内；对埋入光纤光栅部分凸起的电镀层进行打磨，使梁 臂表面平整； (6) 采用TIG焊将梁臂、立柱和底座结合在一起，形成完成的悬臂梁结构，焊缝形貌为 角焊缝。
2. 根据权利要求1所述的一种智能金属悬臂梁的制作方法，其特征在于：所述敏化液 配方为：SnCl2 · 2H20 为 10g/L，HC1 为 40ml/L。
3. 根据权利要求1所述的一种智能金属悬臂梁的制作方法，其特征在于：所述活化液 配方为：PdCl2 为 0· 1 ?0· 5g/L，HC1 为 5ml/L。
4. 根据权利要求1所述的一种智能金属悬臂梁的制作方法，其特征在于：所述化学镀 镍溶液配方为：NiS04 ·7Η20 为 25g/L，H3B03 为 20g/L，C3H602 为 20ml/L，NaH2P02 ·2Η20 为 20g/ L〇
5. 根据权利要求1所述的一种智能金属悬臂梁的制作方法，其特征在于：所述电镀镍 溶液配方为：NiS04 · 7H20 为 280g/L，NiCl2 · 6H20 为 850g/L，Η3Β03 为 358g/L，C12H25S04Na 为 0.05-0. lg/L〇
【文档编号】C23C18/32GK104152900SQ201410380232
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月5日 优先权日:2014年8月5日
【发明者】李玉龙, 温昌金 申请人:南昌大学