一种具有横向力抗性的双光子3D打印光纤超声传感器，适用于高压环境下的检测

《Optics & Laser Technology》：A Two-Photon 3D printed fiber optic ultrasonic sensor with Lateral-Force resistance for detection in High-Voltage environments

光纤超声传感器通过波纹弹簧结构优化实现轴向高灵敏度与侧向干扰抑制，在高压电磁噪声环境中可精准检测部分放电信号。

　　这项研究提出并制造了一种新型的光纤法布里-珀罗（Fabry-Pérot, FPI）超声传感器，其核心创新在于采用了多层褶皱弹簧结构作为支撑。这种设计不仅显著提升了轴向力的灵敏度，还有效抑制了横向力对传感器性能的影响。在确定了最佳参数后，传感器通过两光子3D打印技术被精确地打印在光纤的端面上。实验结果显示，该传感器不仅成功制造，还表现出优异的性能，包括机械灵敏度达到2376 nm/kPa@100 kHz，以及噪声等效信号水平为28.97 μPa/Hz1/2。该传感器在轴向方向上具有高度的方向选择性，其横向响应明显低于轴向响应，表明其在检测弱声信号方面具有较强的抗干扰能力。这一成果为高压设备的监测、早期绝缘缺陷的诊断以及在恶劣工业环境中实现实时声学传感提供了新的解决方案。

高压电气系统常常伴随着瞬态现象，如局部放电和电弧，这些现象不仅会发出微弱的声信号，还会伴随强烈的电磁干扰和高压放电，形成了典型的极端工作环境。这种环境对传感器的灵敏度、方向稳定性和抗干扰能力提出了严峻的挑战。传统的电气传感器容易受到环境扰动的影响，难以实现精确和可靠的测量。相比之下，光纤超声传感器因其出色的抗电磁干扰能力和高分辨率，在工业检测、医疗诊断等多个领域得到了广泛应用。法布里-珀罗干涉共振器（FPI）因其结构简单、微型化和高灵敏度等优点，在超声检测领域具有显著的优势。近年来，关于FPI传感器的研究主要集中在通过优化膜片材料、几何形状和结构来提升其灵敏度。例如，使用低杨氏模量材料、更薄的膜片厚度和更大的直径可以增强膜片的柔韧性和对微弱信号的响应能力。然而，这种灵敏度的提升往往伴随着检测频率的降低，限制了其在高频检测中的应用。

此外，通过设计膜片的结构，也可以在一定程度上提高传感器的灵敏度，同时保持其检测频率范围。例如，褶皱结构膜片、悬臂梁结构膜片和沟槽结构膜片等新型设计被提出和应用，这些结构在传统圆形膜片的基础上进行了改进，通过释放膜片内部的残余应力来增强其对声信号的响应能力。然而，这些改进往往伴随着一定的局限性，例如灵敏度相对较低、结构设计复杂，以及对制造工艺提出了更高的要求。因此，如何在不牺牲频率范围的前提下，进一步提高传感器的灵敏度，同时降低横向力的干扰，成为当前研究的重点。

为了解决上述问题，研究团队提出了一种新的共振腔结构，用于光纤外差法布里-珀罗干涉（EFPI）超声传感器。这种设计在提升轴向力灵敏度的同时，能够显著减少横向力对传感器的干扰，并将其应用于空气中局部放电（PD）信号的检测。该传感器的支撑结构采用了一种褶皱弹簧设计，通过对弹簧结构的参数进行优化，实现了更稳定的支撑效果和更小的横向位移。随后，研究团队利用两光子3D打印技术将该设计加工到光纤的端面，实现了与光纤端面的集成结构。为了确保传感器在光纤端面的稳定性，首先使用光纤切割器对光纤端面进行切割，然后通过端面检查显微镜对其表面的平整度和光滑度进行检测，确保其满足精密加工的要求。

实验结果表明，该传感器的自然频率为104.4 kHz，信号噪声比（SNR）可达51.73 dB，最低可检测的声压为28.97 μPa/Hz1/2，机械灵敏度为2376 nm/kPa。这些性能指标表明，该传感器在检测弱声信号方面具有较高的灵敏度和抗干扰能力。此外，该传感器对横向干扰力的响应非常微弱，相较于大多数现有的传感器，其抗横向干扰能力得到了显著提升。这使得该传感器能够更准确地捕捉瞬态声信号，如局部放电产生的声信号，从而为高压设备的监测和早期绝缘缺陷的诊断提供了新的可能性。

在设计和模拟阶段，研究团队对所提出的EFPI共振腔结构及其对不同方向力的机械响应进行了详细分析。如图1所示，该传感器的共振腔结构被打印在光纤的端面上，当外部声信号作用于膜片时，膜片的微小形变会改变共振腔内的干涉光信号，从而实现对外部声信号的检测。与传统的全封闭圆柱形支撑结构不同，该设计采用了多层褶皱弹簧结构，使其在多个方向上都能提供有效的支撑，从而降低了横向力对传感器的影响。这种结构不仅提高了传感器的稳定性，还增强了其对声信号的响应能力，使得其在复杂环境中依然能够保持较高的检测精度。

在制造和表征过程中，研究团队采用了两光子3D打印技术，该技术能够实现高精度的微结构加工，特别适合用于光纤端面的复杂结构制造。通过精确控制打印参数，研究团队成功地将褶皱弹簧结构集成到光纤端面，确保了其在实际应用中的可行性。为了进一步验证该传感器的性能，研究团队对其在轴向和横向方向上的响应进行了测试。测试结果表明，该传感器在轴向方向上的响应显著高于横向方向，从而实现了良好的方向选择性。这种特性对于需要精确定位的超声检测应用尤为重要，如液体水平检测和医疗超声成像等。在这些应用场景中，传感器不仅要能够准确检测声信号，还必须能够有效排除其他物理量的干扰，以确保测量结果的可靠性。

该传感器的高灵敏度和抗干扰能力使其在多个领域具有广泛的应用前景。例如，在高压设备监测中，局部放电是绝缘材料劣化的重要指标，而该传感器能够有效地捕捉局部放电产生的微弱声信号，从而实现对设备状态的实时监控。在早期绝缘缺陷诊断方面，通过检测局部放电信号的特征，可以提前发现绝缘材料的潜在问题，为设备维护和故障预防提供重要依据。此外，在工业环境中，由于存在较强的电磁干扰和复杂的物理条件，传统的传感器往往难以满足高精度检测的需求。而该传感器凭借其优异的抗干扰性能，能够在这些极端条件下实现稳定和准确的检测。

从技术实现的角度来看，该研究在多个方面取得了突破。首先，通过采用多层褶皱弹簧结构，研究团队成功地提升了传感器的轴向灵敏度，同时有效抑制了横向力的干扰。这一结构设计不仅提高了传感器的性能，还为未来的传感器开发提供了新的思路。其次，两光子3D打印技术的应用使得传感器的制造过程更加高效和精确，为实现复杂结构的微加工提供了技术支持。此外，该研究还对传感器的自然频率和信号噪声比进行了优化，确保了其在实际应用中的稳定性。通过实验测试，研究团队验证了该传感器在轴向和横向方向上的响应差异，进一步证明了其在检测弱声信号方面的优势。

该研究的创新点在于其独特的结构设计和先进的制造技术。传统的FPI传感器在提升灵敏度的同时，往往面临频率范围受限的问题，而该传感器通过优化褶皱弹簧的结构参数，成功地在保持较高频率范围的前提下，提高了其对弱声信号的检测能力。此外，该传感器的抗横向干扰能力也得到了显著增强，使其能够在复杂的环境中保持较高的检测精度。这些特性使得该传感器不仅适用于工业检测，还可以拓展到医疗、环境监测等多个领域。例如，在医疗超声成像中，该传感器能够提供更清晰的图像，同时减少外界干扰的影响，提高诊断的准确性。在环境监测中，该传感器可以用于检测微弱的声信号，如大气中的低频声波或水下的声信号，为环境科学研究提供新的工具。

除了技术上的创新，该研究还注重实际应用的可行性。通过将传感器集成到光纤端面，研究团队实现了其在实际环境中的便捷部署。光纤作为传感介质，具有良好的柔韧性和抗干扰能力，使其能够适应多种复杂的应用场景。例如，在高压输电线路的监测中，光纤传感器可以被嵌入到电缆或设备中，实时检测局部放电信号，从而预防潜在的故障。在工业环境中，该传感器可以用于监测设备运行状态，及时发现异常情况，提高生产安全性和效率。此外，在医疗领域，该传感器可以用于超声成像设备，提供更高质量的图像，同时减少外界干扰的影响，提高诊断的准确性。

综上所述，这项研究提出了一种新型的光纤EFPI超声传感器，其采用多层褶皱弹簧结构作为支撑，显著提升了轴向力的灵敏度，同时有效抑制了横向力的干扰。通过两光子3D打印技术，研究团队成功地将该结构制造到光纤端面，实现了高精度的声学检测。实验结果表明，该传感器在多个关键性能指标上均表现出色，包括自然频率、信号噪声比和最低可检测声压。其对横向干扰力的响应极低，相较于大多数现有传感器，具有更强的抗干扰能力。该传感器的高灵敏度和方向选择性使其在高压设备监测、早期绝缘缺陷诊断和恶劣工业环境中的实时声学传感方面具有广阔的应用前景。这项研究不仅为超声检测技术的发展提供了新的思路，也为相关领域的实际应用提供了重要的技术支持。