基于游标效应与空气微泡结构的高灵敏度光纤应变传感器及其温度抗干扰特性研究

为解决传统光纤应变传感器温度交叉敏感及制备复杂的问题，研究人员设计了一种基于游标效应（VE）的平行法布里-珀罗干涉仪（FPI）结构，通过空气微泡（FPIS）与空心毛细管（HCT）参考腔（FPIR）的协同作用，实现了-42.04 pm/με的高应变灵敏度与0.022 με/°C的超低温漂，为精密工程监测提供了低成本、高稳定性的解决方案。

　　

在医疗监测、航空航天等领域，高精度应变测量技术是保障材料与结构安全的核心。传统电学传感器易受电磁干扰，而光纤传感器凭借体积小、抗干扰等优势成为研究热点。然而，现有法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Pérot Interferometer, FPI）应变传感器面临两大瓶颈：一是灵敏度提升受限于腔长与壁厚的物理极限，二是温度变化导致的测量误差难以消除。例如，飞秒激光加工虽能实现高灵敏度，但设备昂贵；化学蚀刻工艺复杂且重复性差。如何通过简易工艺同时实现高灵敏度与温度稳定性，成为亟待突破的难题。

针对这一挑战，国内某高校团队在《Optical Fiber Technology》发表研究，提出了一种基于游标效应（Vernier Effect, VE）的平行FPI结构传感器。该设计通过熔接放电形成空气微泡传感腔（FPI_S）与空心毛细管（HCT）参考腔（FPI_R）的协同作用，仅需普通熔接机即可制备，成本不足传统方法的十分之一。研究采用光谱叠加与快速傅里叶变换（FFT）分析技术，结合三维移动平台精确加载应变，系统验证了传感器的性能。

传感器制备与工作原理
传感腔（FPI_S）通过单模光纤（SMF）熔接放电形成空气微泡，参考腔（FPI_R）由SMF插入HCT构成。游标效应通过两腔自由光谱范围（FSR）的微小差异（FPI_S为20.82 nm，FPI_R为17.20 nm）放大应变响应，理论计算与实测包络FSR（99.13 nm）高度吻合。

实验结果
应变测试显示，传感器灵敏度达-42.04 pm/με，较单一FPI_S提升4.76倍；30-150°C范围内温度灵敏度仅0.936 pm/°C，交叉敏感度低至0.022 με/°C。稳定性实验中干涉条纹漂移小于20 pm，重复性误差低于1.5%。

结论与意义
该研究通过游标效应与简易工艺的巧妙结合，突破了高灵敏度与温度稳定性难以兼得的困境。其核心创新在于：（1）空气微泡结构实现应变敏感性与制备便捷性的统一；（2）HCT参考腔有效抑制温度干扰；（3）平行FPI结构将游标效应增益最大化。这一成果为桥梁健康监测、微创手术器械等场景提供了高性价比的解决方案，尤其适用于需长期稳定工作的严苛环境。作者团队特别指出，未来可通过优化微泡几何参数进一步提升灵敏度，而现有设计已具备工业化量产潜力。