基于Sagnac环级联微光纤干涉仪的强度调制光纤应变传感器，并具有温度补偿功能

《Optics and Lasers in Engineering》：Intensity-modulated fiber-optic strain sensor based on Sagnac loop cascaded microfiber interferometer with temperature compensation

光纤应变传感器通过Sagnac环级联微光纤干涉仪（MFI）与光纤布拉格光栅（FBG）实现，实验表明470-588微应变范围内灵敏度达0.016 dBm/με，647-823微应变范围内灵敏度降至0.00092 dBm/με，并采用2×2矩阵算法有效补偿30-80°C温度变化引起的交叉灵敏度，适用于高温或动态 thermal环境下的结构健康监测。

　　这项研究提出了一种基于萨格纳克环与微光纤干涉仪（MFI）相结合的新型光纤应变传感器，并结合了光纤布拉格光栅（FBG）技术。该设计利用了参考路径和传感路径之间的相位差，通过光耦合器进行重新组合，从而在光谱分析仪（OSA）上捕捉到强度和波长的变化。实验结果显示，该传感器在470-588微应变范围内表现出较高的应变灵敏度，约为0.016 dBm/με；而在647-823微应变范围内，灵敏度显著降低，仅为0.00092 dBm/με。此外，该传感器在30-80°C的宽温度范围内保持了稳定的性能。研究团队还实施了一个2×2矩阵算法，以有效补偿残余的温度交叉灵敏度。由于其紧凑的结构、高应变分辨率以及对热干扰的极强抗性，该传感器在实际应用中具有广阔前景，尤其是在结构健康监测和高温或显著温度变化的工业环境中。

光纤光子传感器在近年来因其独特的性能优势，如高灵敏度、对电磁干扰的免疫性、体积小以及耐腐蚀等特性，被广泛应用于结构健康监测、航空航天系统、民用基础设施以及其他恶劣环境中的测量任务。应变、扭矩和旋转是光纤光子传感器研究中的主要目标之一。根据调制原理，光纤光子应变传感器可以分为波长调制型和强度调制型两大类。波长调制型传感器包括光纤布拉格光栅（FBG）、长周期光栅（LPG）、法布里-珀罗干涉仪（FPI）、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）以及萨格纳克干涉仪等，它们通过追踪反射或透射信号中的光谱变化来实现高精度测量。虽然这些方法具有较高的测量精度，但通常需要复杂的光学路径设计，并依赖于高分辨率的波长跟踪技术，这导致了设备成本较高且难以实现大规模应用。

相比之下，强度调制型光纤光子传感器因其结构简单、成本低廉以及与紧凑和低功耗系统的兼容性，逐渐受到研究者的关注。例如，一种基于散斑解码的多模光纤应变传感器实现了优于0.05微应变的分辨率；一种采用锥形少模光纤的传感器在2微应变范围内表现出0.34 dB/微应变的强度响应；还有一种微光纤与多模光纤结合的微腔传感器，能够在亚毫米尺度上实现高灵敏度的应变测量，同时几乎没有波长漂移。然而，强度调制型传感器的一个显著问题是，其输出强度容易受到温度引起的折射率变化、模式耦合或光纤几何尺寸变化的影响，从而导致应变和温度之间的交叉灵敏度，严重干扰应变测量的准确性。

为了解决这一问题，许多研究者在波长域系统中提出了多种补偿策略。例如，Gu等人开发了一种基于双折射混合光子晶体光纤的级联萨格纳克干涉系统，能够同时区分应变和温度。Ding等人随后引入了一种通过谐波维纳效应增强的双PMF级联萨格纳克设计，进一步提高了应变和温度的同时识别能力。Wan等人和Sun等人提出了一种基于FPI的双参数光纤传感器，通过光谱分析技术实现了温度和应变效应的分离。Wang等人则展示了一种使用双光纤FPI的非接触式爆破监测系统。Hu等人设计了一种机械补偿的光纤传感器，通过将两种具有不同热膨胀系数的金属夹在中间，实现了温度响应的调节，同时保持完全被动的布局。然而，这种毫米级的双金属框架使得设备难以嵌入到紧凑或密集仪器化的系统中。

为了减小设备体积并提升性能，Yang等人用锥形薄芯光纤MZI替代了双金属梁，其差分路径设计同时增强了应变响应并抑制了温度漂移。Xu等人进一步采用了一种在色散转折点工作的锥形四芯光纤MZI，实现了本质上温度补偿的微型轴向应变探头。Xiao等人则展示了一种封装在PDMS中的微光纤MZI，能够在亚毫米尺度上实现稳健且高灵敏度的应变传感。此外，Chiang等人利用双FBG对之间的差分波长偏移来抵消共模温度漂移；Cheng等人则使用了两个π相位移的FBG，并通过其双超窄峰间距实现了2×2矩阵对应变和温度的解耦；Hopf等人则通过安排FBG阵列并应用迭代逆矩阵算法，实现了亚微应变和亚度级别的精度，同时不牺牲光谱跟踪带宽。这些研究在波长补偿方面取得了显著进展，FBG技术因其成熟的制造工艺和可靠的应变-温度解耦能力，成为最广泛采用和实用的解决方案之一。

尽管如此，主流的FBG方案仍然依赖于高分辨率的光谱分析仪、精细的封装工艺以及周期性的校准，这使得整体成本较高，限制了进一步的微型化。与此同时，近年来在双参数和维纳增强干涉方案方面取得的进展表明，光纤光子传感器也能够在高温或温度波动较大的环境中实现稳定的应变测量，前提是温度效应能够被有效抑制。因此，本研究提出了一种新的强度调制型应变传感器，结合了萨格纳克环与微光纤干涉仪的结构，并引入了FBG技术。这种设计通过参考路径（由PMF构成的萨格纳克环）和传感路径（由MFI和FBG段组成）之间的相位差来实现应变测量。两束光在光耦合器处重新组合，从而生成强度与波长调制的信号。

实验结果显示，该传感器在470-588微应变范围内表现出较高的灵敏度，约为0.016 dBm/με，而在647-823微应变范围内，灵敏度显著下降，仅为0.00092 dBm/με。这种灵敏度的变化可能与光纤结构在不同应变范围内的响应特性有关，例如在低应变范围内，微光纤干涉仪和FBG之间的相位差变化更为显著，而在高应变范围内，相位差的变化趋于平缓，导致灵敏度降低。此外，该传感器在宽温度范围内表现出良好的温度稳定性，能够有效应对高温或温度波动的环境挑战。研究团队采用了一个2×2矩阵算法来补偿温度引起的交叉灵敏度，从而确保应变测量的准确性。

该传感器的设计充分利用了萨格纳克环与微光纤干涉仪的结合优势，其紧凑的结构使得它能够适用于多种实际应用场景。例如，在结构健康监测中，这种传感器可以用于检测桥梁、建筑或飞机结构的微小形变；在工业环境中，它能够应对高温或温度波动较大的条件，提供可靠的数据支持。由于其高分辨率和良好的温度稳定性，这种传感器在需要高精度和长期稳定性的监测任务中具有明显优势。此外，该传感器的结构设计也使其具备一定的可扩展性，可以与其他传感器集成，形成更复杂的监测网络。

在实验测试中，研究团队将该传感器放置在一个柱形恒温箱中，进行受控的热循环测试。测试过程中，环境温度从30°C逐渐升高到80°C，然后再降低回30°C。通过连续监测MFI在加热和冷却阶段的光谱响应，研究团队评估了该传感器的温度传感性能。实验结果表明，该传感器在温度变化过程中表现出良好的稳定性，其光谱响应几乎没有漂移，从而确保了在不同温度条件下的测量一致性。这一特性使得该传感器在需要长期监测的环境中具有重要价值，例如在高温环境下运行的工业设备或需要频繁温度变化的结构监测任务中。

除了温度稳定性，该传感器还展现出优异的应变测量能力。在470-588微应变范围内，传感器的响应曲线呈现出较高的灵敏度，表明其在该应变范围内能够准确捕捉微小的形变变化。而在更高的应变范围内，响应曲线趋于平缓，灵敏度下降，这可能意味着在该范围内传感器的性能受到了一定的限制。因此，研究团队建议在实际应用中根据具体需求选择合适的应变范围，以充分发挥该传感器的优势。

此外，该传感器的结构设计使其在物理实现上更加简单和实用。通过使用3 dB耦合器将宽带光分成两束，分别进入参考路径和传感路径，整个系统避免了复杂的光学元件，从而降低了制造成本。这种简单的结构也使得该传感器更容易进行批量生产，有助于其在实际应用中的推广。同时，由于其对温度变化的免疫性，该传感器在高温或温度波动较大的环境中仍能保持稳定的性能，这在许多工业应用中尤为重要。

在数据处理方面，研究团队采用了一个2×2矩阵算法，用于补偿温度引起的交叉灵敏度。这一算法能够有效分离温度和应变的影响，从而提高应变测量的准确性。实验结果显示，该算法在不同温度条件下均能实现良好的补偿效果，确保了传感器在各种环境下的可靠性。这一数据处理方法的引入，不仅提高了传感器的性能，还为其在复杂环境中的应用提供了技术支持。

综上所述，这项研究提出了一种新型的光纤应变传感器，结合了萨格纳克环与微光纤干涉仪的结构，并引入了FBG技术。该传感器在应变测量方面表现出较高的灵敏度和分辨率，同时在温度变化较大的环境中保持了良好的稳定性。通过采用2×2矩阵算法，研究团队有效解决了温度交叉灵敏度的问题，使得该传感器在实际应用中具备更高的可靠性。该传感器的紧凑结构、高灵敏度以及对温度的免疫性，使其成为结构健康监测和工业环境监测的理想选择。未来，随着相关技术的进一步发展，这种传感器有望在更多领域得到应用，为高精度、高稳定性的应变测量提供新的解决方案。