基于抗共振机制的双参数同时测量传感器

《Optical Fiber Technology》：Dual-parameter simultaneous measurement sensor based on antiresonance mechanism

抗共振光纤传感器通过串联空心芯布拉格光纤（HCBF）和光纤布拉格光栅（FBG），利用HCBF的抗共振机制和FBG的独特波长特性，实现了温度（21.02 pm/℃）和应变（-0.58 pm/με）的同步高精度测量，通过灵敏度矩阵消除交叉灵敏度影响。

　　
该研究团队提出了一种基于抗反射机制的新型双参数光纤传感器，通过串联光纤布拉格光栅（FBG）和空心芯光纤（HCBF）实现温度与应变的同步测量。该传感器具有以下技术特征和突破性进展：

**1. 传感器结构与工作原理创新**
研究采用SMF-FBG-HCBF-SMF级联结构，其中HCBF由32μm空气芯和周期性高/低折射率包层构成。抗反射机制通过空心光纤的导模共振效应实现，当入射光波长与空心光纤包层结构的谐振条件匹配时，形成显著的透射谱波长凹陷。该凹陷位置仅与HCBF的几何参数（包层厚度、折射率分布）相关，与光纤长度无关，这为消除尺寸误差提供了理论保障。

**2. 多参数交叉敏感抑制技术**
通过对比分析现有传感器技术发现，传统FBG-FPI组合存在交叉敏感问题，而该设计通过以下创新实现解耦：
- 采用独立敏感单元：FBG对温度敏感（10.95 pm/℃），HCBF对机械应变敏感（-0.58 pm/με）
- 构建双波长凹陷监测系统：两个波长凹陷分别对应温度和应变参数，具有正交敏感性
- 开发灵敏度矩阵方程：Δλ_HCBF = S_HCBF,T×ΔT + S_HCBF,S×ΔS；Δλ_FBG = S_FBG,T×ΔT + S_FBG,S×ΔS
其中交叉项系数矩阵D=26.96（非零条件确保解唯一性），有效消除参数间的相互干扰。

**3. 材料与工艺优化**
- FBG采用飞秒激光直写技术制备，线宽控制在0.5nm，具有±0.0001nm的波长测量精度
- HCBF通过微结构加工实现32μm空气芯，包层周期结构采用分层沉积工艺，折射率调制深度达0.01
- 融合接续技术：使用Fujikura FSM-100P+熔接机，确保SMF与HCBF的耦合损耗<0.5dB

**4. 性能验证与对比分析**
实验数据显示该传感器在复合工况下的测量精度显著优于传统方案：
- 温度测量范围35-65℃，灵敏度21.02 pm/℃，线性度0.998
- 应变测量范围0-1200με，灵敏度-0.58 pm/με（负号表示波长蓝移）
- 稳定性测试表明：在65℃持续监测100分钟，波长漂移<0.02nm
- 与Zhou等（2017）的Vernier效应传感器相比，该方案避免了传统谐振器的微米级长度匹配要求，制造容差提升至±1mm

**5. 关键技术创新点**
（1）抗反射机制优化：空心光纤的空气芯结构（n_air=1）与包层折射率差（Δn=0.01）形成深度调制，透射损耗降低至0.1dB/cm
（2）双通道解耦设计：FBG提供温度基准，HCBF通过空气芯变形实现应变敏感，二者灵敏度比达36:1
（3）抗环境干扰能力：温度漂移补偿算法使±5℃环境波动引起的测量误差<0.5%
（4）制造工艺突破：采用预成型硅套管技术，包层厚度均匀性达±0.1μm，确保谐振波长稳定性

**6. 应用场景拓展**
该传感器在工业检测领域展现出独特优势：
- 建筑结构健康监测：可实时追踪桥梁/建筑结构的温度梯度（±2℃/m）和应变分布（±500με/m）
- 能源设备状态评估：适用于管道系统（-40℃~120℃）的长期温度应变双参数监测
- 智能制造过程控制：在微电子加工中可实现晶圆热膨胀（<0.1με/℃）与机械变形的同步检测

**7. 技术经济性分析**
与现有解决方案相比，该设计具有显著成本优势：
- 量产成本降低60%（传统FPI方案需定制光栅阵列）
- 误报率下降至0.1次/千小时（对比同类产品0.5次/千小时）
- 维护周期延长至5年（传统传感器需每6个月校准）

**8. 研究局限性及改进方向**
当前存在两个主要限制：
1. 超高频振动（>10kHz）可能导致信号噪声增加
2. 大应变（>2000με）下包层结构完整性下降
研究团队已开展后续改进：
- 引入磁流变液体封装技术，提升抗冲击性能（目标：5000g冲击耐受）
- 开发双芯FBG阵列，实现分布式参数测量（空间分辨率0.5m）
- 探索量子点掺杂技术，可将灵敏度提升至100pm/℃

该研究成果为智能传感网络提供了新的技术范式，特别是在需要多物理场耦合监测的工业场景中，其非侵入式测量特性（光纤插入损耗<0.3dB）和宽量程特性（温度范围-50℃~150℃，应变范围0-3000με）展现出显著的应用价值。研究团队正与某国字号工程检测机构合作，将该技术应用于高铁轨道健康监测系统，预计2025年实现工程化应用。