基于三FBG级联法布里-珀罗结构中游标效应的高灵敏度光纤应变传感器研究

研究人员通过构建三光纤布拉格光栅(FBG)级联的法布里-珀罗干涉仪(FPI)，利用游标效应将应变灵敏度提升至23.3 pm/μ?-1，较传统单FPI结构提高16倍。该研究系统分析了腔长变化对检测限和动态范围的影响，为低成本、高灵敏度光纤传感器在资源受限环境及多路传感网络中的应用提供了创新解决方案。

　　

在工业监测和健康医疗领域，微应变测量精度直接决定结构安全评估和生物力学分析的可靠性。传统光纤布拉格光栅(FBG)传感器受限于1.45 pm/μ?^-1的应变灵敏度，难以满足高精度需求。荷兰特文特大学(University of Twente)的Dhyana C. Bharathan团队在《Optical Fiber Technology》发表研究，通过创新性设计三FBG级联的法布里-珀罗(FPI)结构，将游标效应(Vernier effect)应用于应变传感领域，实现了灵敏度数量级的突破。

研究采用飞秒激光刻写技术构建级联FPI，通过精确控制三个FBG的反射谱叠加产生游标效应。实验选取单模光纤作为基底材料，利用光谱分析仪监测应变响应。关键发现显示：当传感FPI与参考FPI的腔长比为15:16时，系统产生显著游标放大效果，应变灵敏度达23.3 pm/μ?^-1，较传统单FPI提升16倍。动态范围测试表明，2 mm腔长差可实现±500 μ?的线性响应，而3 mm差使检测限优化至0.2 μ?。

研究结果部分：

1. 1.

   灵敏度验证：通过等强度梁施加标准应变，游标包络位移量达单FPI的15.8倍，与理论模拟误差<5%。

2. 2.

   腔长调控机制：系统对比5组不同腔长组合，证实1.5%的腔长失配率可实现最佳灵敏度-动态范围平衡。

3. 3.

   温度交叉验证：在10-80℃范围内，双FPI结构温度灵敏度仅0.32 pm/℃^-1，证实应变测量的温度稳定性。

该研究突破传统FBG灵敏度瓶颈，其创新点在于：首次将三FBG级联结构应用于游标效应放大；建立腔长差与性能参数的定量关系模型；开发无需复杂解调设备的低成本方案。讨论部分指出，该设计特别适用于桥梁健康监测中的微裂缝识别，或医疗导管介入时的实时形变反馈。未来通过优化FBG折射率调制深度，有望进一步提升信噪比，推动光纤传感技术在物联网和智慧医疗中的普及应用。