基于蛋形打蛋器状单模光纤的三维微位移传感器及其触觉传感应用研究

本文创新性地提出一种蛋形打蛋器状单模光纤(EBSMF)结构，通过垂直堆叠两个椭圆单模光纤(SMF)构建马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，实现了高灵敏度三维微位移测量。该传感器在X/Y/Z轴分别表现出20 pm/μm、27 pm/μm和337 pm/μm的灵敏度，具有结构简单、灵敏度高、线性度好等优势，经柔性材料封装后还可实现50 μm分辨率的物体表面形貌检测，在触觉传感领域展现出重要应用价值。

　　

Highlight亮点

本研究提出的蛋形打蛋器状单模光纤(EBSMF)结构，通过两个垂直分布的椭圆单模光纤(SMF)构建了创新的三维微位移传感平台。该结构巧妙地利用光纤弯曲改变纤芯和包层折射率(RI)分布，增强倏逝场效应，实现了高灵敏度位移检测。

Sensing structure and measurement principle 传感结构与测量原理

如图1(a)所示，传感系统包含超宽带光源(UWS)、光学频谱分析仪(OSA)和EBSMF。蛋形打蛋器结构由两个垂直的椭圆干涉仪级联构成（图1b）。当光线通过EBSMF时，每个椭圆SMF可视为马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。微位移会导致椭圆SMF曲率半径变化，进而引起共振波谷位移。特别值得注意的是，对称轴方向和垂直对称轴方向的位移会产生相反的共振波谷位移，这种独特现象为三维位移识别提供了关键依据。

Experiment results and discussion 实验结果与讨论

通过四个不同曲率半径样品的测试，研究发现：X方向位移使椭圆SMF1半径减小导致共振波谷红移，而Y方向位移则引起蓝移，垂直堆叠的两个椭圆SMF产生截然不同的波谷位移方向。这种特征使得传感器在0-180 μm(X,Y)和0-60 μm(Z)范围内，分别实现20 pm/μm、27 pm/μm和337 pm/μm的灵敏度。有趣的是，Z轴灵敏度显著高于X/Y轴，这归因于轴向位移对光纤结构的直接影响。

Application in tactile sensor 触觉传感器应用

为验证实用性，研究团队采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装EBSMF制作了柔性触觉传感器。这个"人工手指"能准确识别不同纹理表面（如砂纸、织物），最小分辨率达50 μm，响应时间0.9秒，与人类触觉相当。更令人振奋的是，通过分析三维位移数据，该传感器能重建物体表面形貌，为机器人触觉和医疗诊断开辟了新途径。

Conclusion 结论

这项研究开发的蛋形打蛋器状SMF三维微位移传感器，通过创新性地利用垂直堆叠椭圆光纤结构，成功实现了高灵敏度、多轴向位移检测。其优异的性能（特别是Z轴337 pm/μm的灵敏度）和柔性封装后的触觉感知能力，使其在机器人操作、微创手术导航和智能假肢等领域具有广阔应用前景。