基于谐波游标效应与纳米银涂层的法珀干涉气体压力传感器灵敏度倍增研究

《Sensors and Actuators A: Physical》：Multiplicative sensitivity amplification in FPI gas pressure sensor via harmonic Vernier effect and nanoscale silver coating

本文报道了一种基于谐波游标效应（HVE）的高灵敏度光纤压力传感器创新设计。该传感器通过双腔法珀干涉仪（FPI）结构，结合聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜与纳米银涂层，实现了最高56.53倍的灵敏度提升（-219.35 nm/MPa）。其全封闭结构兼具抗电磁干扰、机械强度高和温度不敏感等优势，为航空航天、海上设施等极端环境下的压力监测提供了突破性解决方案。

　　

亮点

通过谐波游标效应（HVE）实现乘法式灵敏度放大，打造超高灵敏度光纤压力传感器。纳米银涂层增强反射光谱强度，聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜提供卓越机械性能。传感器在0.05-1.05兆帕范围内展现卓越性能，适用于极端环境。

传感器制备

实验装置如图1所示。3分贝光学耦合器将传感腔（FPI_s）和参考腔（FPI_r）并联连接，一端连接宽带光源（BBS），另一端连接光学频谱分析仪（OSA）。3分贝耦合器通过多模干涉或倏逝场耦合实现光功率均分。

传感原理

级联传感器包含传感腔（FPI_s）和参考腔（FPI_r），基于双光束干涉原理工作。根据干涉理论，反射谱峰值波长由公式λ_Dip = 4nL/(2m+1)决定，其中λ为光波长，n为毛细管内空气有效折射率，L为腔长，m为阶数。

银膜增强传感腔光谱强度的空间频谱分析

实验采用发射波长1250-1650纳米的宽带光源。光谱测量使用波长分辨率0.02纳米的光谱分析仪。图6(a)显示镀银前后反射光谱对比：未镀银腔光谱强度3.3分贝，镀银后提升至3.7分贝。

结论

本研究成功研制出基于谐波游标效应的高灵敏度光纤压力传感器。实验证实纳米银层可提升光反射效率，谐波游标机制实现显著灵敏度放大。该传感器在极端环境监测领域展现巨大应用潜力。