一種智能金屬懸臂梁的制作方法
【專利摘要】一種智能金屬懸臂梁的制作方法，所述懸臂梁由梁臂、立柱、底座組成，光纖光柵經(jīng)化學(xué)鍍結(jié)合電鍍進(jìn)行金屬化保護后嵌入到梁臂表面。所述的梁臂表面開一半圓形凹槽，光纖光柵的嵌入采用化學(xué)鍍結(jié)合電鍍的方法，在化學(xué)鍍電鍍前均分別將金屬板無需鍍層的表面粘上絕緣膠布，通過控制電鍍時間和電流大小，使光纖光柵完全嵌入金屬基體；對嵌入光纖光柵部分多余凸起的電鍍層進(jìn)行打磨，使其形成完整平面，金屬板恢復(fù)加工半圓形凹槽之前的形貌。本發(fā)明操作過程簡單；與膠粘傳感器的懸臂梁相比，服役溫度范圍得到提升，而且由于光柵直接嵌入金屬，不存在有機膠接，因而長期預(yù)期可靠性大幅提高。
【專利說明】一種智能金屬懸臂梁的制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖光柵的應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種智能金屬懸臂梁制作方法。 技術(shù)背景
[0002] 智能結(jié)構(gòu)是具有感知基體結(jié)構(gòu)內(nèi)部或外部變化，是將傳感、驅(qū)動元件和控制系統(tǒng) 集成在基體中的一類結(jié)構(gòu)。懸臂梁結(jié)構(gòu)是一種典型的力學(xué)模型結(jié)構(gòu)，目前其柔性化主要是 通過在懸臂梁表面粘貼各類傳感器，如溫度、應(yīng)力應(yīng)變等。封裝方式大部分都采用有機膠粘 貼，然而有機膠本身存在易老化、熱傳導(dǎo)慢、應(yīng)變傳遞誤差大等問題，這樣封裝的傳感器對 懸臂梁內(nèi)部溫度、應(yīng)力等的測量存在一定誤差，且由于嵌入懸臂梁傳感器的自身屬性，使柔 性懸臂梁使用范圍受到限制。光纖光柵作為一種新型無源傳感器，可以用作溫度、壓力、應(yīng) 變等物理量的測量。因其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、靈敏度高、抗電磁干擾、不受光強 波動影響等諸多優(yōu)點，因此將光纖光柵作為傳感器埋入金屬基體是一種具有實用價值的制 造智能結(jié)構(gòu)的方法。目前，將光纖傳感器嵌入懸臂梁表面或內(nèi)部存在一些問題。大部分采 用有機膠粘的方法將傳感器粘在被監(jiān)測結(jié)構(gòu)表面，由于粘貼所用的有機膠存在易老化、高 溫失效等問題，導(dǎo)致其封裝結(jié)構(gòu)的工程可靠性差。因此，不損壞光纖光柵、長期應(yīng)用可靠性 好的嵌入方法具有重要意義。本發(fā)明提出的采用化學(xué)鍍結(jié)合電鍍的方法將光纖光柵埋入基 體過程對光纖光柵的損傷小，且目前尚未出現(xiàn)采用化學(xué)鍍結(jié)合電鍍的方法將光纖光柵植入 懸臂梁基體的有關(guān)研究報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種智能金屬懸臂梁制作方法。
[0004] 本發(fā)明所述的智能金屬懸臂梁結(jié)構(gòu)包括梁臂、立柱、底座和光纖光柵；梁臂表面開 半圓形凹槽，光纖光柵經(jīng)過表面金屬化鍍層增敏保護，鍍層厚度為20-50 μ m，梁臂、立柱、底 座用TIG焊搭建成懸臂梁；采用化學(xué)鍍鎳結(jié)和電鍍鎳的方法直接將光纖光柵嵌在懸臂梁表 面。
[0005] 本發(fā)明所述制作方法包括以下步驟：
[0006] (1)取一根光纖光柵，光柵成柵部分為裸光柵，表面無任何保護層；在25?35°C 溫度下對其在敏化液中敏化后再在活化液中活化，時間分別為10?20min ;然后進(jìn)行化學(xué) 鍍鎳后進(jìn)行電鍍鎳，使其鎳鍍層厚度為20-50 μ m (根據(jù)金屬材料的結(jié)構(gòu)尺寸確定合理的鍍 層厚度）；
[0007] (2)制備梁臂，在需要埋入光纖光柵的表面銑削一條直徑為0. 5-2. 0mm半圓形凹 槽（根據(jù)金屬材料的結(jié)構(gòu)尺寸確定合理的半圓形凹槽直徑）；
[0008] (3)對加工有半圓形凹槽的梁臂進(jìn)行鍍前預(yù)處理，將金屬化光纖光柵的光柵部位 放入半圓形凹槽，并用膠布把光纖光柵的尾纖一側(cè)靠近半圓形凹槽部分與梁臂緊密結(jié)合 固定，再將梁臂水平置于化學(xué)鍍鎳液中，在85?90°C溫度時進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，時間為3?6h， 形成厚度為5?8 μ m的化學(xué)鍍層，使光纖光柵與梁臂固定、連通導(dǎo)電；
[0009] (4)將化學(xué)鍍后的梁臂和光纖光柵取出，取下絕緣膠布，換新的絕緣膠布重新粘在 梁臂無需鍍層的表面，在18?45°C時進(jìn)行電鍍鎳，電流大小為6?8mA，時間為20?30h， 直到光纖光柵完全埋入梁臂半圓形凹槽內(nèi)；對埋入光纖光柵部分凸起的電鍍層進(jìn)行打磨， 使梁臂表面平整；
[0010] (5)采用TIG焊將梁臂、立柱和底座結(jié)合在一起，形成完成的懸臂梁結(jié)構(gòu)，焊縫形 貌為角焊縫。
[0011] 本發(fā)明中所涉及的敏化液配方為：SnCl2 · 2H20為10g/L，HC1為40ml/L。
[0012] 本發(fā)明中所涉及的活化液配方為：PdCl2為(λ 1?(λ 5g/L，HC1為5ml/L。
[0013] 本發(fā)明中所涉及的化學(xué)鍍鎳溶液配方為：NiS04 · 7H20為25g/L，Η3Β03為20g/L， C3H602 為 20ml/L，NaH2P02 · 2H20 為 20g/L。
[0014] 本發(fā)明中所涉及的電鍍鎳溶液配方為：NiS04 ·7Η20為280g/L，NiCl2 ·6Η20為850g/ L，H3B03 為 358g/L，C12H25S04Na 為 0· 05-0. lg/L。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)效果是：本發(fā)明將金屬化的光纖光柵通過化學(xué)鍍結(jié)合電鍍的方法埋 入懸臂梁，其過程操作簡單，可靠性好，對懸臂梁基體削弱作用小，服役溫度范圍大幅度提 升，特別適用于微型懸臂梁的傳感器埋入。本發(fā)明所得懸臂梁具有自感知溫度、應(yīng)力應(yīng)變能 力，是良好的應(yīng)力應(yīng)變測試模型。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為智能金屬懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2為實施例1智能金屬懸臂梁溫度傳感特性曲線；
[0018] 圖3為實施例1智能金屬懸臂梁的應(yīng)變傳感特性曲線；
[0019] 圖4為實施例2智能金屬懸臂梁溫度傳感特性曲線；
[0020] 圖5為實施例2智能金屬懸臂梁的應(yīng)變傳感特性曲線；
[0021] 圖6為實施例3智能金屬懸臂梁溫度傳感特性曲線；
[0022] 圖7為實施例3智能金屬懸臂梁的應(yīng)變傳感特性曲線；
[0023] 圖中：1、梁臂，2、光纖光柵，3、立柱，4底座。

【具體實施方式】
[0024] 下面將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：
[0025] 實施例1 :(1)取一根光纖光柵（室溫中心波長為1540. Ollnm)，光纖光柵成柵部 分為裸光柵，表面無任何保護層；按敏化液配方（SnCl2 · 2H20為10g/L ;HC1為40ml/L)、 活化液配方（PdCl2為0. 5g/L ;HC1為5ml/L)分別配制敏化液、活化液，在25°C溫度下對其 進(jìn)行敏化后活化，時間分別為15min、20min ;然后在90°C溫度時進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，再在25°C溫 度時進(jìn)行電鍍鎳，電流大小為6mA，電鍍時間為20h，使其鍍鎳層厚度為20μπι ; (2)取一不 銹鋼制成梁臂，尺寸為l〇〇X20Xlmm3,在需要埋入光纖光柵的表面銑削一條直徑為0. 5_ 半圓形凹槽；（3)對加工有半圓形凹槽的梁臂進(jìn)行鍍前預(yù)處理，將金屬化光纖光柵的光柵 部位放入半圓形凹槽，并用膠布把光纖光柵的尾纖一側(cè)靠近半圓形凹槽部分與梁臂緊密 結(jié)合固定，按化學(xué)鍍鎳溶液配方（NiS0 4 · 7H20為25g/L ;H3B03為20g/L ;C3H602為20ml/L ; NaH2P02 ·2Η20為20g/L)配制化學(xué)鍍鎳溶液，再將金屬銅板水平放置于化學(xué)鍍鎳溶液中，半 圓形凹槽朝上，在溫度為90°C時進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，時間為3h，形成厚度為5 μ m的化學(xué)鍍層，使 光纖光柵與梁臂固定、連通導(dǎo)電；(4)將化學(xué)鍍后的梁臂和光纖光柵取出，取下絕緣膠布， 換新的絕緣膠布重新粘在梁臂無需鍍層的表面，按電鍍鎳溶液配方（NiS0 4 ·7Η20為280g/L ; NiCl2 · 6H20 為 850g/L ;H3B03 為 358g/L ;C12H25S04Na 為 0· lg/L)配制電鍍鎳溶液，在溫度為 25°C時進(jìn)行電鍍鎳，電流為8mA，電鍍時間20h，直到光纖光柵完全埋入梁臂半圓形凹槽內(nèi)； (5)將梁臂、立柱和底座通過TIG焊結(jié)合在一起，形成完成的智能懸臂梁結(jié)構(gòu)。對制成的懸 臂梁進(jìn)行溫度、應(yīng)變傳感試驗，附圖2為懸臂梁溫度傳感特性曲線，附圖3為懸臂梁的應(yīng)變 傳感特性曲線。
[0026] 實施例2 :(1)取一根光纖光柵（室溫中心波長為1540. 018nm)，光纖光柵成柵部 分為裸光柵，表面無任何保護層；按敏化液配方（SnCl2 · 2H20為10g/L ; HC1為40ml/L)、 活化液配方（PdCl2為0. 5g/L ;HC1為5ml/L)分別配制敏化液、活化液，在25°C溫度下對其 進(jìn)行敏化后活化，時間分別為15min、20min ;然后在90°C溫度時進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，再在25°C 溫度時進(jìn)行電鍍鎳，電流大小為6mA，電鍍時間為25h，使其鍍層厚度為30μπι; (2)取一不 銹鋼制成梁臂，尺寸為500X30X2mm3,在需要埋入光纖光柵的表面銑削一條直徑為1.0mm 半圓形凹槽；（3)對加工有半圓形凹槽的梁臂進(jìn)行鍍前預(yù)處理，將金屬化光纖光柵的光柵 部位放入半圓形凹槽，并用膠布把光纖光柵的尾纖一側(cè)靠近半圓形凹槽部分與梁臂緊密 結(jié)合固定，按化學(xué)鍍鎳溶液配方（NiS0 4 · 7H20為25g/L ;H3B03為20g/L ;C3H602為20ml/L ; NaH2P02 ·2Η20為20g/L)配制化學(xué)鍍鎳溶液，再將金屬銅板水平放置于化學(xué)鍍鎳溶液中，半 圓形凹槽朝上，在溫度為90°C時進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，時間為4h，形成厚度為6 μ m的化學(xué)鍍層，使 光纖光柵與梁臂固定、連通導(dǎo)電；(4)將化學(xué)鍍后的梁臂和光纖光柵取出，取下絕緣膠布， 換新的絕緣膠布重新粘在梁臂無需鍍層的表面，按電鍍鎳溶液配方（NiS0 4 ·7Η20為280g/L ; NiCl2 · 6H20 為 850g/L ;H3B03 為 358g/L ;C12H25S04Na 為 0· lg/L)配制電鍍鎳溶液，在溫度為 25°C時進(jìn)行電鍍鎳，電流為7mA，電鍍時間25h，直到光纖光柵完全埋入梁臂半圓形凹槽內(nèi)； (5)將梁臂、立柱和底座通過TIG焊結(jié)合在一起，形成完成的懸臂梁結(jié)構(gòu)。對制成的懸臂梁 進(jìn)行溫度、應(yīng)變傳感試驗，附圖4為懸臂梁溫度傳感特性曲線，附圖5為懸臂梁的應(yīng)變傳感 特性曲線。
[0027] 實施例3 :(1)取一根光纖光柵（室溫中心波長為1540. 028nm)，光纖光柵成柵部 分為裸光柵，表面無任何保護層，按敏化液配方（SnCl2 · 2H20為10g/L ;HC1為40ml/L)、 活化液配方（PdCl2為0. 5g/L ;HC1為5ml/L)分別配制敏化液、活化液，在25°C溫度下對其 進(jìn)行敏化后活化，時間分別為15min、20min;然后在90°C溫度時進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，再在25°C 溫度時進(jìn)行電鍍鎳，電流大小為8mA，電鍍時間為25h，使其鍍層厚度為50μπι; (2)取一不 銹鋼制成梁臂，尺寸為500X30X5mm3,在需要埋入光纖光柵的表面銑削一條直徑為2. 0_ 半圓形凹槽；（3)對加工有半圓形凹槽的梁臂進(jìn)行鍍前預(yù)處理，將金屬化光纖光柵的光柵 部位放入半圓形凹槽，并用膠布把光纖光柵的尾纖一側(cè)靠近半圓形凹槽部分與梁臂緊密 結(jié)合固定，按化學(xué)鍍鎳溶液配方（NiS0 4 · 7H20為25g/L ;H3B03為20g/L ;C3H602為20ml/L ; NaH2P02 ·2Η20為20g/L)配制化學(xué)鍍鎳溶液，再將金屬銅板水平放置于化學(xué)鍍鎳溶液中，半 圓形凹槽朝上，在溫度為90°C時進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，時間為6h，形成厚度為8 μ m的化學(xué)鍍層，使 光纖光柵與梁臂固定、連通導(dǎo)電；(4)將化學(xué)鍍后的梁臂和光纖光柵取出，取下絕緣膠布， 換新的絕緣膠布重新粘在梁臂無需鍍層的表面，按電鍍鎳溶液配方（NiS0 4 ·7Η20為280g/L ; NiCl2 · 6H20 為 850g/L ;H3B03 為 358g/L ;C12H25S04Na 為 0· lg/L)配制電鍍鎳溶液，在溫度為 25°C時進(jìn)行電鍍鎳，電流為6mA，電鍍時間30h，直到光纖光柵完全埋入梁臂半圓形凹槽內(nèi)； (5)將梁臂、立柱和底座通過TIG焊結(jié)合在一起，形成完成的懸臂梁結(jié)構(gòu)。對制成的懸臂梁 進(jìn)行溫度、應(yīng)變傳感試驗，附圖6為懸臂梁溫度傳感特性曲線，附圖7為懸臂梁的應(yīng)變傳感 特性曲線。
【權(quán)利要求】
1. 一種智能金屬懸臂梁的制作方法，其特征在于： (1) 所述金屬懸臂梁結(jié)構(gòu)包括梁臂、立柱、底座和光纖光柵； (2) 取一根光纖光柵，光柵成柵部分為裸光柵，表面無任何保護層；在25?35°C溫度 下對其在敏化液中敏化后再在活化液中活化，時間分別為10?20min ;然后進(jìn)行化學(xué)鍍鎳 后進(jìn)行電鍍鎳，使其鎳鍍層厚度為20-50 μ m ; (3) 制備梁臂，在需要埋入光纖光柵的表面銑削一條直徑為0. 5-2. 0mm半圓形凹槽； (4) 對加工有半圓形凹槽的梁臂進(jìn)行鍍前預(yù)處理，將金屬化光纖光柵的光柵部位放入 半圓形凹槽，并用膠布把光纖光柵的尾纖一側(cè)靠近半圓形凹槽部分與梁臂緊密結(jié)合固定， 再將梁臂水平置于化學(xué)鍍鎳液中，在85?90°C溫度時進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，時間為3?6h，形成 厚度為5?8 μ m的化學(xué)鍍層，使光纖光柵與梁臂固定、連通導(dǎo)電； (5) 將化學(xué)鍍后的梁臂和光纖光柵取出，取下絕緣膠布，換新的絕緣膠布重新粘在梁臂 無需鍍層的表面，在18?45°C時進(jìn)行電鍍鎳，電流大小為6?8mA，時間為20?30h，直到 光纖光柵完全埋入梁臂半圓形凹槽內(nèi)；對埋入光纖光柵部分凸起的電鍍層進(jìn)行打磨，使梁 臂表面平整； (6) 采用TIG焊將梁臂、立柱和底座結(jié)合在一起，形成完成的懸臂梁結(jié)構(gòu)，焊縫形貌為 角焊縫。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能金屬懸臂梁的制作方法，其特征在于：所述敏化液 配方為：SnCl2 · 2H20 為 10g/L，HC1 為 40ml/L。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能金屬懸臂梁的制作方法，其特征在于：所述活化液 配方為：PdCl2 為 0· 1 ?0· 5g/L，HC1 為 5ml/L。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能金屬懸臂梁的制作方法，其特征在于：所述化學(xué)鍍 鎳溶液配方為：NiS04 ·7Η20 為 25g/L，H3B03 為 20g/L，C3H602 為 20ml/L，NaH2P02 ·2Η20 為 20g/ L〇
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能金屬懸臂梁的制作方法，其特征在于：所述電鍍鎳 溶液配方為：NiS04 · 7H20 為 280g/L，NiCl2 · 6H20 為 850g/L，Η3Β03 為 358g/L，C12H25S04Na 為 0.05-0. lg/L〇
【文檔編號】C23C18/32GK104152900SQ201410380232
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月5日
【發(fā)明者】李玉龍, 溫昌金 申請人:南昌大學(xué)