基于准三阶磁通量门（PMF-Solc-Sagnac）干涉仪的高灵敏度矢量扭转传感器

《Optics and Lasers in Engineering》：High-sensitivity vector twist sensor based on quasi-third-order PMF-Solc-Sagnac interferometer

提出基于准第三阶索尔-萨格拉克干涉仪的高灵敏度光纤扭传感器，通过90°正交轴拼接两段相似长度的PMF光纤实现灵敏度放大和方向性识别，实验验证长度差异和传感段长度对灵敏度的影响，最高灵敏度达2.156 nm/°，较传统单环提升15倍，并实现twist与温度双参数检测。

　　近年来，光纤传感器因其独特的性能优势被广泛应用于多个领域，如生物健康监测、化学传感、工业检测和结构健康监测等。相比传统传感器，光纤传感器具有结构紧凑、使用灵活、信号频率范围广、抗电磁干扰能力强以及成本低廉等特点。在这些应用中，扭转变形作为一种重要的机械参数，尤其在安全监测方面显得尤为关键。因此，许多研究者致力于开发能够有效测量扭转变形的光纤传感器。

传统光纤传感技术中，Sagnac干涉仪被广泛用于检测扭转变形。然而，在某些特殊应用场景下，比如需要高灵敏度和方向性测量时，传统的单环Sagnac干涉仪往往难以满足需求。为此，本研究提出并验证了一种基于准三阶Solc-Sagnac interferometer的扭转载体传感器。该传感器结构由两段长度相近的保偏光纤（PMF）在90°的快轴融合角下连接而成。这种结构不仅实现了对灵敏度的放大，还能够进行向量测量，即同时测量扭转变形的方向和幅度。

在该传感器中，扭转变形被施加在两段PMF中较短的一段上。当传感段发生扭转变形时，该段的双折射特性会发生变化，进而导致输出光谱中的波谷位置发生偏移。通过实验验证，本研究分析了两段PMF长度差异以及传感段长度对传感器灵敏度的影响。实验结果表明，该传感器的最大灵敏度达到了2.156 nm/°（3.706 nm/(rad/m)），相较于传统单环Sagnac干涉仪的最高灵敏度0.1406 nm/°（0.2417 nm/(rad/m)），提升了15.33倍。这一显著提升使得该传感器在高精度测量领域具备了更强的竞争力。

此外，该传感器还实现了扭转变形与温度的双参数测量。通过利用系数矩阵的方法，可以同时提取扭转变形和温度变化的信息。这种能力在需要多参数同步监测的场景下尤为重要，例如在结构健康监测中，温度变化可能会影响材料的物理特性，从而影响扭转变形的测量结果。因此，能够同时测量扭转变形和温度变化的传感器具有更高的实用价值。

为了进一步提高检测精度，近年来许多研究者采用“vernier效应”来优化传感器性能。通过这一方法，可以提取传输光谱的包络线，并实现对灵敏度的放大。例如，Xue等人提出了一种采用非对称三芯光纤的传感器，利用该光纤结构形成的Mach-Zehnder干涉仪，实现了宽范围的扭转变形测量，灵敏度达到了7.45 nm/(rad/m)。而Li等人则设计了一种基于并行双Sagnac干涉环的传感器，结合vernier效应，进一步提升了灵敏度，达到了3874.84 pm/(rad/m)。然而，这种方法在实际应用中也存在一定的局限性，例如由于每个包络线中包含多个细小的条纹，使得信号解调过程变得复杂。

相比之下，本研究提出的准三阶Solc-Sagnac干涉仪在结构设计上更加优化，能够在不牺牲解调简便性的前提下，实现更高的灵敏度。通过实验分析，发现该传感器的灵敏度与两段PMF的长度差异呈反比关系，而传感段长度对灵敏度也有显著影响。因此，通过合理设计两段PMF的长度，可以进一步优化传感器的性能。

此外，该传感器还能够实现方向性测量。这是因为其结构设计采用了不对称的光路，使得在扭转变形发生时，输出光谱中的波谷位置会发生方向性的偏移。通过这一特性，可以判断扭转变形的方向，从而提高传感器的适用范围。例如，在桥梁、建筑等结构监测中，能够准确判断扭转变形的方向对于评估结构安全至关重要。

在实验验证过程中，研究人员通过三组不同的Solc-Sagnac干涉仪实验，分析了不同参数对传感器性能的影响。实验结果表明，该传感器能够在-300°至-230°（-174.5 rad/m至-133.8 rad/m）的范围内实现高灵敏度的扭转变形测量，同时还能进行温度变化的监测。这种能力使得该传感器在多种复杂环境中具备了更强的适应性。

为了进一步验证该传感器的性能，研究人员还对传统的Sagnac干涉仪进行了对比实验。通过测量传统单环Sagnac干涉仪在10°至80°范围内的扭转变形特性，发现其传输光谱的变化范围约为15 nm。由于这一限制，传统传感器的测量范围通常被限制在90°左右。而在本研究中，通过优化结构设计，传感器的测量范围被扩展到了更宽的区间，同时灵敏度也得到了显著提升。

在实验过程中，研究人员还使用了先进的设备，如超连续谱光源（SCLS）、光谱分析仪（OSA）和3 dB光耦合器等，以确保测量的准确性和可靠性。通过这些设备，可以精确控制光源的波长范围和光谱分辨率，从而提高对扭转变形和温度变化的检测能力。此外，光纤旋转器的使用也使得传感器能够在不同方向上进行测量，进一步增强了其适用性。

综上所述，本研究提出了一种基于准三阶Solc-Sagnac干涉仪的扭转载体传感器，该传感器在结构设计和性能优化方面都取得了显著进展。通过合理设计两段PMF的长度差异和融合角度，可以实现对扭转变形的高灵敏度测量，同时还能进行方向性识别和双参数测量。这种传感器在高精度、宽范围和多参数同步监测方面具有重要的应用价值，特别是在结构健康监测和工业检测等领域。

此外，该传感器的实验结果表明，其在实际应用中具备较强的稳定性。通过对比实验，发现该传感器在不同环境条件下均能保持较高的灵敏度，这对于实际工程应用来说是非常重要的。同时，该传感器的结构设计也具有一定的可扩展性，可以在不同的应用场景中进行优化和调整，以满足不同需求。

在本研究中，研究人员还对传感器的理论模型进行了深入分析。通过理论推导和仿真计算，发现该传感器的灵敏度与两段PMF的长度差异密切相关。这一发现为后续的传感器优化提供了理论依据。同时，研究人员还对实验数据进行了详细的分析，以验证传感器的性能是否符合预期。实验结果表明，该传感器在多个实验条件下均能实现稳定的高灵敏度测量，这为其在实际应用中的可靠性提供了保障。

在实验过程中，研究人员还对传感器的测量范围进行了详细研究。通过实验数据的分析，发现该传感器能够在较宽的范围内实现扭转变形的测量，同时还能进行温度变化的监测。这一能力使得该传感器在多种复杂环境中具备了更强的适应性。例如，在桥梁和建筑等结构监测中，温度变化可能会影响材料的物理特性，从而影响扭转变形的测量结果。因此，能够同时测量扭转变形和温度变化的传感器具有更高的实用价值。

本研究的成果不仅为光纤传感器的发展提供了新的思路，也为相关领域的工程应用提供了重要的技术支持。通过优化传感器的结构设计和性能参数，可以实现对扭转变形的高精度测量，同时还能进行方向性识别和多参数同步监测。这种能力在实际工程应用中具有重要的意义，特别是在需要高精度和多参数监测的场景下。

此外，该传感器的实验结果还表明，其在不同温度条件下的测量稳定性较高。通过实验数据的分析，发现该传感器在温度变化时，输出光谱中的波谷位置会发生相应的偏移，但这种偏移幅度相对较小，不会对扭转变形的测量造成显著干扰。因此，该传感器能够在复杂的环境中保持较高的测量精度，这对于实际工程应用来说是非常重要的。

在本研究中，研究人员还对传感器的制造工艺进行了优化。通过合理设计两段PMF的长度和融合角度，可以提高传感器的性能，同时降低制造成本。这一优化不仅提高了传感器的实用性，也为未来的研究提供了新的方向。例如，可以进一步研究如何通过调整传感器的结构参数，实现对其他机械参数的测量，如弯曲、拉伸等。

此外，该传感器的实验结果还表明，其在不同应用环境下的适应性较强。通过实验数据的分析，发现该传感器在不同的温度和扭转变形条件下均能保持较高的测量精度。这一特性使得该传感器能够在多种复杂环境中进行应用，例如在高温环境下进行结构健康监测，或者在低温环境下进行精密测量。这种适应性为传感器的广泛应用提供了保障。

在实验过程中，研究人员还对传感器的信号处理方法进行了研究。通过分析输出光谱中的波谷位置变化，可以实现对扭转变形的高精度测量。同时，结合系数矩阵的方法，可以实现对温度变化的监测。这种信号处理方法不仅提高了传感器的测量精度，也增强了其在实际应用中的可靠性。

综上所述，本研究提出的准三阶Solc-Sagnac干涉仪在扭转变形测量方面取得了重要进展。通过优化结构设计和性能参数，实现了对扭转变形的高灵敏度测量，同时还能进行方向性识别和多参数同步监测。这种传感器在实际工程应用中具有重要的意义，特别是在需要高精度和多参数监测的场景下。其研究成果为光纤传感器的发展提供了新的思路，也为相关领域的工程应用提供了重要的技术支持。