基于弹性聚合物全息传感器的应变传感响应特性

魏明昭，刘鸿鹏，刘洋钰，王保华，李 立，王 蕊，焦新莹

(中国民航大学理学院，天津 300300)

0 引言

高分子材料在外部作用力下的形变对于研究材料的宏观力学性能与微观拉伸形变、断裂机理等有着极其重要的应用价值。实时、准确表征高分子材料的应变特征将有助于深入分析材料性能。目前材料应变特征主要通过外部力学仪器测量受力与形变量，通过理论分析获取相关材料信息。缺乏有效的实时、非接触式材料应变特征的传感反馈。

近年来，全息传感器在光学传感领域受到国内外研究人员的广泛关注[1-4]。全息传感器是一种依赖于记录在光敏材料内部的全息体光栅进行传感响应的光学装置。当一束准直宽频光源入射光栅后，未发生改变的全息体光栅将衍射原始记录光波长的衍射光，而光栅的微观形变将导致衍射光谱显著偏移、衍射强度也随之波动。通过光谱仪实时追踪衍射谱峰值，能够量化环境特征，实现传感响应[5-8]。相比于其他传感方式，如电导率[9]、光子晶体[10]、光纤Bragg光栅[11]等，全息传感器有着直观、可视化传感优势。

本文研制了基于高弹性聚合物的全息传感器，并对传感器在拉力、压力作用下的应变响应特征进行了实验测试与分析。获得了形变与光栅衍射光谱峰值间的关系，并探讨了光谱峰值波长移动的主要诱因。

1 聚合物弹性材料的制备与全息传感原理

应变全息传感响应的弹性聚合物基底选用丙烯酰胺聚合物系统[12-15]。该聚合物材料主要成分包括：基底聚乙烯醇、光聚合单体丙烯酰胺、光敏剂亚甲基蓝、链转移剂三乙醇胺、交联剂亚甲基双丙烯酰胺。首先将除基底外的其他成分按照一定比例进行称量待用。聚乙烯醇基底按照10%的质量百分比与去离子水共混。待溶液澄清后静置至室温。随后将该混合溶液与其他成分共混，直至混合物变为澄清蓝色溶液为止。用胶头滴管吸取适量均匀涂抹于玻璃基片上，自然干燥后待用。用于传感实验的材料平均厚度为110 μm。

全息体光栅的记录与应变传感响应测试装置如图1(a)与图1(b)所示。实验中测试了2种光栅记录方式所形成的传感器应变传感响应过程[16-17]。应变传感实验操作过程描述如下：首先在弹性材料内部写入全息体光栅。当材料脱离玻璃基底后，薄膜材料具有较高的柔性。实验中通过干板夹使材料的一端保持不动，另外一端通过精密平移台直接沿着直线方向拉伸材料。当采用宽频光源读取该体光栅时，伴随着拉伸的进行，相应的材料形变逐步增加。在压力传感实验中，首先给予材料垂直于材料表面的正压力，然后测试材料在压缩过程中光栅衍射光谱的移动。

(a)透射式

(b)反射式图1 透射式与反射式光栅记录与形变传感装置示意图

全息传感原理如图2所示。首先在光致聚合物材料内部，依据双光束干涉原理记录一个倾斜的全息体光栅。而后应用超连续谱激光光源(波长范围400～2 500 nm)严格按照记录光反方向入射，读取该光栅。通过光纤光谱仪实时探测该光谱，并将其作为初始光谱中心位置。当材料处于压缩状态下，形变将导致材料厚度发生微小形变，并伴随光栅间距减少。其光栅的Bragg衍射峰值波长将产生显著蓝移，并直至材料达到弹性形变极限。而后进入恢复过程，随着施加的压力逐步减少，材料形变恢复，光栅衍射光谱峰值位置将随之发生红移并最终返回至初始值。拉伸传感响应过程与压缩类似，仅仅是材料的受力方向发生改变，仍然能够产生相应的波长偏移。

图2 全息传感器压缩传感原理示意图

2 应变传感响应的实验结果

2.1 透射式光栅实验结果

2.1.1 透射式光栅拉伸形变响应

图3为透射式全息传感器在外力拉伸形变下的光谱响应曲线。图3(a)为传感器在单次拉伸过程的衍射光谱三维曲线。图3(b)为光栅衍射谱峰值波长随位移的变化。插图给出了材料拉伸过程，位移表述方式。随着拉伸形变的增加，衍射谱峰值产生显著红移。当材料的横向形变超过8 mm时，峰值波长红移超过60 nm。在误差范围内，形变位移与峰值波长间符合线性关系。该传感器的线性响应区间约为8 mm，波长移动范围在632～700 nm内。图3(b)中的实线是线性拟合曲线，光纤光谱仪的误差为1 nm。线性的峰值波长移动证实，传感器在形变与位移传感方面具有较好应用能力。

(a)拉伸形变三维响应曲线

(b)峰值波长与拉伸位移关系曲线图3 透射式全息传感器拉伸形变响应曲线

2.1.2 拉伸形变过程中的光谱响应可逆性

图4(a)为材料在拉伸过程中的光谱移动曲线。图4(b)为峰值位置随拉伸形变位移的变化过程。光谱峰值移动与形变位移间始终保持线性。其波长移动范围也始终保持在20 nm以上，并具有很好的线性度。这证实了该全息传感器能够用于聚合物材料的形变与相应的微位移传感响应。图4(c)为衍射光谱在形变恢复过程的变化。图4(d)为峰值波长与形变位移间的线性关系。拉伸与恢复过程中线性曲线的斜率数值相近，这说明该传感器有着高度的可逆性。衍射谱峰值强度在经历反复拉伸变化后，仍然保持较高数值。

(a)拉伸形变三维响应曲线

(b)峰值波长随形变位移的变化曲线

(c)形变恢复过程三维响应曲线

(d)形变恢复过程峰值波长随形变位移的变化曲线

2.1.3 透射式光栅压缩形变传感响应

图5为在透射式全息传感模式下，材料受正向压力压缩形变的传感响应与可逆性。图5(a)表述的是压缩形变过程中，体光栅衍射光谱峰值位置随着压力增加发生的显著移动。在实验仪器误差范围内，峰值波长呈现显著的线性蓝移特征。这说明随着压缩的进行，在弹性限度内，材料内部的光栅间距发生降低，从而导致光栅衍射峰值蓝移。图5(b)描述了随着压力的逐渐降低，材料形变恢复过程中光栅衍射光谱峰值位置恢复过程。可以看出，恢复过程光栅衍射谱仍然能够较好地满足线性关系。压缩与恢复过程的衍射谱蓝移的斜率间误差也很小。这证明了全息传感器用于压缩传感的可逆性，也进一步证明了该传感器表征聚合物材料的压缩形变的能力。

2.2 反射式光栅实验结果

反射式全息传感器拉伸形变响应如图6所示。图6(a)与图6(b)描述了反射式光栅拉伸与恢复实验过程中，衍射光谱响应的三维曲线。图6(c)是提取出的光谱峰值位置与形变位移间的二维曲线。可以看出，在拉伸与恢复过程中，反射式光栅的可逆性明显不如透射式光栅强。光谱并没有始终保持高度的线性度，而随着拉伸的进行，光谱峰值位置变化杂乱。光谱的峰值波长移动接近10 nm，对于传感器响应而言，变化相对较弱。另外，峰值波长与形变位移曲线间的斜率也不相同。因此可以说，反射式光栅对于弹性聚合物的形变位移响应并不具备很好的可逆性，不适合用于重复的形变位移传感实验。但是对于单次的拉伸形变测量实验，反射式光栅能够在mm数量级上保持一定的线性度，用于应变传感响应。

(a)压缩形变峰值波长与压力的关系曲线

(b)压缩恢复过程峰值波长与压力关系曲线图5 透射式全息传感器压缩形变可逆响应曲线

当材料受到外部压力后，将产生垂直于材料表面的微形变，导致材料内部的光栅间距改变，衍射光谱峰值波长的显著偏移。图7为反射式全息光栅光谱在外部压力下的偏移过程。图7(a)为光谱响应的三维曲线。图7(b)为二维曲线。图7(c)为峰值波长随外部压力变化的曲线。随着压力增加，光谱峰值产生显著的蓝移。该蓝移过程呈现很好的线性偏移趋势。

当释放外部压力时，材料由于弹性形变的恢复作用，光栅衍射光谱随之产生红移。最终峰值波长能够逐步恢复至初始值。

3 结论

研制了基于高弹性聚合物的全息传感器，并对传感器在拉、压力作用下的应变与相应的传感响应进行了表征。通过反射式与透射式光栅记录装置获得衍射光谱偏移曲线，并通过峰值位置的提取，获得了微位移与光栅衍射光谱间的定量线性关系。重复测试结果证实了透射式光栅全息传感器的可逆性，而反射式光栅由于重复拉伸过程并不能很好地恢复，因此不具备可逆性。

(a)拉伸形变三维响应曲线

(b)形变恢复过程三维响应曲线

(c)峰值波长与形变位移曲线图6 反射式全息传感器拉伸形变可逆响应曲线

(a)压缩形变三维响应曲线

(b)压缩形变二维响应曲线

(c)峰值波长与压力的关系曲线图7 反射式全息传感器压缩形变的传感响应曲线