利用聚合物光纤设计并制造了一种非接触式、多功能的光程力传感器

《Optics & Laser Technology》：Design and fabrication of a non-contact versatile range force sensor by utilizing a polymer optical fiber

新型聚合物光纤力传感器设计及其多范围测量性能研究。采用3D打印技术构建精密刀片系统，选择性去除光纤外皮形成40毫米敏感区，通过弹簧加载的滑动反射介质实现非接触式力检测。实验表明传感器在0-10N、0-20N、0-30N和0-40N范围内均呈现高线性响应（R2=0.998），灵敏度峰值达31.7μW/N，且具备模块化弹簧更换机制以调节量程与灵敏度平衡。

　　力是机械系统运行中的关键物理量，它决定了系统如何将能量转化为运动，从而实现各种复杂功能。在工业制造、机器人技术、航空航天以及生物医学等多个领域，力的准确测量对于确保系统的效率、可靠性和安全性至关重要。传统上，人们采用多种方法进行力的测量，如应变计、压电传感器、液压负载传感器、电感传感器、电容式力传感器以及基于机械弹簧的系统等。这些传统方法虽然在一定程度上能够提供准确的测量结果，但它们往往存在一些固有的局限性，例如电磁干扰问题、有限的使用寿命以及较高的制造成本。因此，寻找一种更安全、耐用且成本效益更高的力测量方法成为研究的重点。

近年来，光纤传感器因其独特的优势逐渐成为力测量领域的一个重要研究方向。光纤传感器能够实现非接触式测量，具有良好的电磁兼容性、微型化能力以及高灵敏度。根据光纤的种类不同，可以将其分为光子晶体光纤、石英光纤（SOF）和聚合物光纤（POF）。尽管SOF传感器在灵敏度和制造工艺上表现优异，但它们在柔韧性和集成性方面存在一定的不足，例如材料的脆性限制了其在动态环境中的应用，同时较高的制造成本也使其在大规模应用中受到限制。相比之下，POF传感器凭借其更柔软、更耐久的特性，展现出在复杂应用场景中的巨大潜力。此外，POF的较大核心直径和较薄的包层结构使其在加工过程中更容易实现对光纤核心的暴露，从而提高其对环境变化的响应能力。

本研究提出了一种基于POF的新型力传感器，该传感器通过一种创新的制造方法实现了对多种力范围的测量能力。具体而言，该传感器利用3D打印技术构建了一个精密的加工装置，通过一个锋利的切割刀片对光纤表面进行处理，选择性地暴露40毫米长度的光纤核心区域。这种设计使得传感器能够对周围环境的变化做出敏感反应，从而实现力的检测。传感器的结构中包含一个可移动的传感器承载杆（SHB），当外部力作用于该承载杆时，它会在传感器的感测区域上滑动，作为反射介质将部分光反射回光纤核心。这一过程导致光功率的变化，进而被光功率计捕捉并转换为可读的信号。

实验结果表明，该传感器能够有效测量从0到10牛、0到20牛、0到30牛以及0到40牛的力范围。其中，在0到10牛的低力范围内，传感器的峰值灵敏度达到了31.7微瓦/牛（μW/N），显示出其在低力检测方面的卓越性能。同时，该传感器在不同力范围下表现出高度的线性响应，其相关系数（R2）值高达0.998，表明其在不同力范围下的测量结果具有良好的一致性。这种高灵敏度和线性响应特性使得该传感器在需要适应性力检测的应用中具有显著的优势。

此外，该传感器的模块化设计使得其具有高度的灵活性和可调性。通过更换不同类型的弹簧元件，可以轻松调整力测量范围，从而满足不同应用场景的需求。然而，这种调整也会对传感器的灵敏度产生一定的影响，即力测量范围越大，灵敏度越低。这种性能上的权衡为传感器在实际应用中提供了更多的选择，使其既能满足高精度测量需求，也能适应较大的力范围。

为了进一步验证传感器的性能，本研究设计了详细的实验方案，并通过一系列实验数据对传感器的响应特性进行了深入分析。实验过程中，传感器被安装在一个精确设计的腔体中，以确保机械组件的对齐和稳定性。光信号从LED光源发射，经过POF光纤传输，最终由光功率计检测并记录。实验结果显示，传感器在连续的力应用过程中表现出良好的重复性和稳定性，其信号波动幅度较小，响应曲线趋于平滑。这些特性表明，该传感器不仅能够提供精确的力测量结果，还能在长时间运行和重复使用中保持一致的性能表现。

在对比分析中，该传感器的表现优于许多现有的力传感器。例如，文献中提到的某些基于波长偏移（WS）的传感器，虽然在低力范围内具有较高的灵敏度，但其测量范围较为有限，通常只能达到0到4牛或更小。而基于光强变化（IV）的传感器虽然在更宽的力范围内表现出一定的性能，但其灵敏度往往较低。相比之下，本研究提出的传感器在0到10牛的力范围内实现了31.7 μW/N的高灵敏度，同时在0到40牛的力范围内也保持了良好的线性响应，其相关系数（R2）为0.998，且滞后损失仅为1.89%。这种平衡的性能使得该传感器能够在多种应用场景中发挥重要作用，无论是需要高精度测量的精细操作，还是需要覆盖较大力范围的工业监测。

此外，该传感器的制造成本相对较低，这得益于POF材料的易加工性和弹簧机制的简化设计。相比传统的高成本制造工艺，POF的加工过程更加灵活，且不易受到机械应力的影响，从而提高了传感器的耐用性。同时，弹簧机制的设计有效缓解了外部力对光纤的直接作用，使得传感器能够在动态环境下保持稳定运行。这些特点不仅提升了传感器的性能，也使其在实际应用中具备更高的经济性和实用性。

从整体来看，该力传感器的设计理念和实现方法在力测量领域中具有重要的创新意义。它不仅解决了传统传感器在电磁干扰、使用寿命和制造成本方面的不足，还通过模块化设计和灵活的力测量范围调整，为不同应用场景提供了更广泛的选择。同时，其高灵敏度和线性响应特性使其在需要精确测量的场合中表现出色。随着智能制造和自动化技术的不断发展，这种新型力传感器有望在更多领域得到应用，为未来的机械系统提供更加安全、可靠和高效的力检测方案。