基于同质弱光纤光栅阵列的大面积柔性压力传感器研究：高灵敏度与温度-压力解耦新策略

为解决大面积触觉传感中高灵敏度、高精度与抗温度干扰的难题，河北科研团队提出基于同质弱光纤光栅阵列（IWFBGs）的空心四棱柱柔性压力传感器。通过有限元优化结构与光学频域反射（OFDR）技术，实现88.15 pm/N的灵敏度与±0.91 pm/N的低误差，并构建动态双参数解耦矩阵消除99.17%的温度串扰。该研究为可穿戴仿生皮肤与智能表面提供了全光纤传感新方案。

　　

在机器人、医疗设备和可穿戴技术的快速发展中，高精度、大面积的柔性压力传感成为关键挑战。传统电学传感器易受电磁干扰，而基于光纤布拉格光栅（FBG）的光学传感器虽具抗干扰优势，却受限于复用能力与分辨率。尤其在大面积触觉传感场景中，现有技术难以兼顾高灵敏度与温度稳定性，成为制约仿生皮肤发展的瓶颈。

河北某研究团队在《Optics》发表的研究中，创新性地将同质弱光纤光栅阵列（Identical Weak Fiber Bragg Gratings, IWFBGs）与空心四棱柱柔性结构结合。通过有限元模拟优化封装设计，利用光学频域反射（Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR）技术解析光谱偏移，实现了微牛顿级压力检测。关键技术包括：1）基于时间分复用的IWFBGs阵列构建，支持2000个传感节点；2）空心四棱柱结构的局部应变放大效应设计；3）动态双参数矩阵解耦温度与压力信号。

IWFBG传感原理
研究阐明了IWFBGs通过低反射率（<1%）实现多节点无串扰监测的机制。当压力作用于封装结构时，硅橡胶形变导致光栅周期变化，引发反射波长漂移，OFDR系统可精确捕捉88.15 pm/N的灵敏度响应。

传感器设计
有限元分析表明，空心四棱柱结构使灵敏度提升3.2倍。选用杨氏模量0.001 GPa的硅橡胶（Kafuter 705）封装，在40×40×10 mm³体积内实现0.1 N分辨率。

实验结果
压力测试显示线性响应（R²>0.99），温度实验验证解耦矩阵将压力解耦误差降至0.83%。15天稳定性测试中波长漂移<±1.5 pm。

该研究突破了大面积传感中灵敏度与复用能力的矛盾，动态解耦方法为复杂环境监测提供新范式。其全光纤架构兼容现有通信网络，有望推动智能机器人触觉与远程医疗监测技术的发展。作者Tiexin Zhang等强调，该方法可扩展至2000个传感节点，为"电子皮肤"的实用化奠定基础。