使用单根照明聚合物光纤的双点压力传感器的强度调制方法

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

基于POF纤维的双点压力传感器研究，提出通过纤维扭曲构建两个独立传感器，实现单输入双输出的压力监测。实验表明传感器在1-4 MPa范围内具有线性响应（R2=0.993-0.995），灵敏度1.09 μW/MPa，适用于航空航天、汽车及生物医学领域。

　　压力测量是许多工业领域中不可或缺的一部分，尤其在航空航天、汽车制造和过程控制等关键行业中，精确和高效的测量系统对于确保设备运行的安全性和效率至关重要。随着技术的进步，光子传感技术，特别是基于聚合物光导纤维（POF）的压力传感器，因其独特的物理特性而逐渐成为研究热点。POF不仅具有良好的柔韧性和轻量化优势，还具备非导电性，使其在复杂环境中能够提供安全、可靠的测量方式。相比传统的电感式、应变片式、电磁式和共振式压力传感器，POF传感器在精度、稳定性、抗干扰能力和可集成性方面展现出显著优势，为实现多点压力监测提供了新的思路。

传统的压力传感器在实际应用中往往受到环境因素的限制，例如对温度、湿度和振动的敏感性，以及在不同压力范围内表现不稳定的问题。此外，其制造成本较高，且在某些特殊应用场景中难以满足高灵活性的要求。而基于POF的压力传感器则通过光的传播特性实现了对这些挑战的有效应对。其中，利用光导纤维的扭曲结构来实现双点压力测量，是一种创新性的技术手段。这种结构不仅能够实现多点压力监测，还能够在一个系统中同时输出两个独立的信号，从而提升测量的效率和可靠性。

在本研究中，我们提出了一种基于POF的双点压力传感器设计，该设计通过将光导纤维在两个不同的位置进行扭转变形，实现了对压力变化的精准检测。该传感器的核心思想是利用光纤的弯曲效应，使得光从光纤的芯层传播到包层区域，从而产生光功率的衰减。通过这一机制，压力变化被转化为可测量的光信号，进而实现了对压力值的高精度检测。POF的柔韧性使其在不同的应用场景中具备良好的适应性，例如在汽车座椅压力监测、纺织品应用和生物医学设备中，这种传感器能够提供连续、稳定的压力数据。

在传感器设计中，我们选择了具有较大芯层直径和较薄包层的Mitsubishi SK-40 PMMA单模光纤作为材料。这种光纤的物理特性使其在制造过程中能够有效实现光的耦合与传输。我们通过将主光纤与两个次级光纤进行紧密的扭转变形，构建了两个独立的压力传感单元（Sensor-A和Sensor-B）。这一设计不仅简化了制造流程，还提高了传感器的灵敏度和稳定性。通过实验验证，该传感器在压力范围1 MPa至4 MPa之间表现出良好的线性响应，其灵敏度达到1.09 μW/MPa，且响应时间短至0.1秒，显示出其在实时监测方面的潜力。

实验结果显示，该双点压力传感器在单一压力腔和两个独立压力腔中的应用均表现出良好的性能。当传感器被集成到单一压力腔中时，它能够同时监测腔体不同位置的压力变化，例如腔体上部和下部。而在两个独立压力腔的应用中，传感器能够分别检测各自腔体内的压力值，为系统提供更全面的数据支持。这种设计不仅提升了系统的冗余性，还增强了其在复杂环境中的适应能力。

在实验过程中，我们使用了高精度的光功率计（PM100USB和S151C，Thorlabs）来测量光信号的变化，并通过LED光源（LEDD1B和M660F1，Thorlabs）提供稳定的光输入。其中，LEDD1B光源用于调节光的强度，而M660F1光源则用于发射特定波长的光（660 nm），以确保光信号在光纤中的有效传输。实验中，我们还对光纤的弯曲半径进行了测试，发现当弯曲半径较小时，传感器对压力变化的响应更加灵敏，而随着弯曲半径的增加，灵敏度逐渐降低。这一现象表明，光纤的机械结构对其测量性能具有重要影响，合理设计弯曲半径可以优化传感器的响应特性。

此外，我们对传感器的重复性和稳定性进行了评估。实验结果显示，传感器在多次重复测量中表现出一致的响应特性，表明其具备良好的重复性和耐用性。尽管该传感器在长期使用过程中可能会受到温度和湿度变化的影响，导致光纤性能的微小波动，但通过定期更换和采用适当的热绝缘材料，可以有效缓解这一问题。这些措施进一步提升了传感器在实际应用中的可靠性。

从应用角度来看，该双点压力传感器具有广泛的适用性。它不仅可以用于工业领域中的压力监测，还适用于生物医学设备、汽车系统和智能纺织品等新兴应用。在生物医学领域，该传感器可以集成到鞋底中，用于监测人体足部压力分布，为康复训练和运动医学研究提供数据支持。在汽车领域，它可以用于座椅压力监测，以优化人体工程学设计和提高乘客舒适度。而在智能纺织品中，该传感器可以嵌入到织物中，用于监测穿戴者身体部位的压力变化，为健康监测和运动安全提供保障。

与现有的一些压力传感器设计相比，本研究提出的双点压力传感器具有明显的优点。例如，与基于光纤光栅（FBG）和法布里-珀罗干涉仪（FPI）等技术的传感器相比，该设计在制造成本和系统集成方面更具优势。虽然FBG和FPI传感器在灵敏度和精度方面表现优异，但其制造工艺复杂，成本较高，限制了其在某些应用场景中的推广。而基于POF的双点压力传感器则通过简单、有效的结构设计，实现了类似的测量精度，同时降低了系统的整体成本。此外，该传感器的非导电特性使其在高电磁干扰环境中表现出更强的抗干扰能力，适用于对安全性要求较高的场景。

尽管该传感器具备诸多优势，但在实际应用中仍面临一些挑战。例如，初始光功率的连接性可能会对测量结果产生一定影响，尤其是在高压力条件下，光纤的耦合效率可能会发生变化。此外，由于POF的物理特性，其长期稳定性仍需进一步优化，以确保在长时间运行过程中能够保持一致的测量精度。为了应对这些问题，我们提出了一些改进措施，包括使用高质量的光纤材料、优化传感器的封装设计以及定期维护和更换传感器部件。

综上所述，基于POF的双点压力传感器设计在多点压力监测领域展现出广阔的应用前景。其结构简单、成本低廉、安全性高以及良好的可集成性，使其成为传统压力传感器的理想替代方案。通过实验验证，该传感器在不同压力条件下的表现稳定，且具备较高的灵敏度和响应速度，能够满足多种工业和医疗应用的需求。未来，随着材料科学和光学传感技术的进一步发展，该传感器有望在更多领域中得到应用，为压力测量技术的创新提供新的方向。