使用单根照明聚合物光纤的双点压力传感器强度调制方法

《Results in Engineering》：Intensity Modulation Approach for Dual Point Pressure Sensor using a Single Illuminated Polymer Optical Fiber

　　

压力是环境的重要参数。航空航天、汽车和过程控制等行业需要精确高效的测压系统。在这些行业中，压力可能在不同空间位置发生变化，因此需要先进的测量技术。双点压力传感器是一种创新方法，用于连续监测两个不同位置的压力变化。聚合物光纤（POF）的物理特性，如柔韧性、轻质和非导电性，使其成为实现双点压力测量能力的理想材料。基于POF的传感器相比传统电学和机械压力传感器（如压电压力传感器、应变片压力传感器、电磁压力传感器、谐振压力传感器等）具有显著优势。尽管这些传统传感器被广泛认可并用于压力测量和监测系统，但它们存在固有局限性，如对环境条件敏感、易受振动影响、压力范围受限、成本高及柔韧性差等。据研究人员所知，此前尚未有利用POF扭曲结构实现双点压力传感器的报道。这项先进技术通过在一个输入系统内实现两个传感器的制造，且每个传感器均有独立输出，从而最大化传感器设计的优势。本研究提出一种成本效益高且易于系统集成的传感器，以填补双点压力测量的空白。该传感器支持在两个不同位置（单个压力腔内或两个独立压力腔）进行连续压力测量。所提出的传感器适用于先进制造过程、汽车系统和生物医学应用等多个领域。光学信号相比电信号的内在安全性增强了POF传感器在医疗设备（尤其是有创压力监测）中的适用性，其中安全性和精度至关重要。尽管所提出的双点压力传感器具有诸多优势，但也存在初始光功率连接性的小限制。基于POF的传感器有时会出现初始光功率强度变化。本研究开发了一种利用光纤扭曲实现双点压力传感器的方法，在单根照明光纤上制造两个串联传感器（传感器A和传感器B）。光纤扭曲在主照明光纤的两个不同位置进行，以制造两个独立传感器。两个传感器均依赖单一功率输入系统，但具有两个独立输出。此外，为了测量传感器响应，施加到传感器上的压力会在扭曲光纤段的包层区域产生光扰动。所获得的双点压力传感器响应支持传感器设置对压力值变化进行响应。所提出的双点压力传感器能有效检测1 MPa至4 MPa范围内的压力变化，可集成于单个压力腔或分别部署于独立压力腔中。第二部分详细描述了双点压力传感器的制造过程、压力测量所需设备及集成到压力腔的方法。第三部分讨论了实验结果，以说明传感器在测量压力值方面的性能。最后，第四部分总结了当前双点压力设计的结论，并提出了未来工作的可能性。

论文解读文章

研究背景与问题：压力是环境的重要参数，航空航天、汽车和过程控制等行业需要精确高效的测压系统，且压力可能在不同空间位置变化，因此需要先进测量技术。传统电学和机械压力传感器（如压电、应变片、电磁、谐振压力传感器）虽广泛使用，但存在对环境敏感、易受振动、压力范围受限、成本高及柔韧性差等局限。光纤传感器，尤其是聚合物光纤（POF）传感器，因柔韧性、轻质、非导电性等优势，成为理想选择。然而，现有基于POF的压力传感器多为单点测量，无法同时监测两个不同位置的压力变化。为解决这一空白，研究人员开发了一种基于单根照明POF的双点压力传感器，利用光纤扭曲结构实现两个串联传感器（Sensor-A和Sensor-B），共享单一光源输入但具有独立输出，旨在提供低成本、易集成、高可靠性的双点压力测量方案。该研究发表在《Results in Engineering》。

关键技术方法：研究人员采用光纤扭曲机制，在单根主照明光纤（Mitsubishi SK-40 PMMA单模光纤，芯径980 μm，包层厚10 μm）上依次与两根次级光纤扭转，形成两个独立传感器（Sensor-A和Sensor-B）。传感器通过测量光学功率强度变化来检测压力，利用LED光源（峰值波长660 nm）激发光纤，由功率计（PM100USB和S151C光电二极管，检测范围1 nW至20 mW）记录输出。传感器集成于压力腔核心（Teledyne Isco Inc. Model 100DX压力容器，最高释放压力68 MPa）上，可配置为单个腔或两个独立腔。实验通过控制压力阀在1 MPa至4 MPa范围内施加压力，并记录光学功率衰减。

研究结果：

3.1 传感器响应：单压力腔联合集成
图4展示了双点压力传感器在单一压力腔中的基本响应。随着压力从大气压（0.1 MPa）增至4 MPa，Sensor-A和Sensor-B的光学功率强度均线性下降，源于扭曲光纤引发的包层模受抑全内反射（CMFTIR）效应。图5的拟合曲线表明，两传感器灵敏度均为1.09 μW/MPa，R²值分别为0.993和0.995，标准差为1.373至1.377，显示高度线性。图6的重复性测试（三次试验）显示两传感器响应几乎一致，验证了设计的鲁棒性。

3.2 传感器响应：两个独立压力腔
图7和图8显示，当Sensor-A和Sensor-B分别集成于独立压力腔时，仅对应腔加压时该传感器功率强度下降，另一传感器保持恒定，证明独立测量能力。图9的交替压力测试（Sensor-A测1 MPa和3 MPa，Sensor-B测2 MPa和4 MPa）表明，传感器可独立检测不同腔的压力，提供系统冗余和可靠性。图10对比了缠绕与直线配置，缠绕配置因机械稳定性更高而响应更平滑。图11分析不同弯曲半径（10 cm至25 cm）的影响，发现较小弯曲半径（10 cm）下灵敏度更高，因光纤应力应变增大增强光功率衰减。

结论与讨论：研究成功证明了新型双点压力传感器，包含Sensor-A和Sensor-B，采用独特级联技术将主照明光纤与两根次级光纤依次扭转。传感器集成灵活，可配置于单腔或双腔。实验结果表明，传感器在1 MPa至4 MPa范围内响应线性，灵敏度1.09 μW/MPa，R²值0.993和0.995，响应时间0.1秒。该设计具有成本效益高、抗电磁干扰、易集成、低功耗等优点，但存在长期稳定性和交叉敏感性的局限，可通过定期更换传感器和覆盖隔热材料缓解。所提出的双点压力传感器在单腔中可用于安全双检，在双腔中可分别测量不同压力，适用于先进制造、汽车系统和生物医学等应用。