引言
邻二甲苯是一种具有代表性的芳香族挥发性有机化合物，广泛应用于石油化工、溶剂生产、印刷、涂料及室内工业环境中[1], [2], [3], [4], [5]。可靠的监测对于职业安全、环境监测和工艺控制至关重要，因为在含有相关芳香族化合物、醇类、酮类、氨气、湿度变化及温度波动的环境中可能发生泄漏[6], [7], [8], [9], [10], [11]。气相色谱及相关实验室方法可提供高化学精度[12], [13]，但依赖于笨重的仪器、样品预处理且通常需要异地分析。紧凑型金属氧化物、声学、纳米材料和光学传感器提供了更具可部署性的替代方案[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]，但在室温运行、灵敏度、响应速度、化学干扰和稳定性之间仍存在权衡。
光纤气体传感器因可微型化、抗电磁干扰且兼容远程探测而成为VOC检测的理想选择[24], [25], [26], [27], [28], [29]。法布里–珀罗干涉仪将吸附、薄膜形变或折射率变化转化为波长漂移，且具有紧凑的反射几何结构[30], [31], [32]。然而在痕量浓度下，气体引起的漂移可能很小，而温度漂移可能与化学响应重叠，导致浓度读数偏差。对于芳香族VOC传感，由于具有不同吸附亲和力的化学相关干扰物，这些效应更为复杂。
光学光镊效应通过叠加两个自由光谱范围接近但不相等的干涉响应来放大微小的光谱位移[33], [34], [35], [36], [37], [38]。然而，当光镊包络遍历相邻FSR时，周期性相位歧义使常规峰跟踪变得复杂，尤其是在温度与气体响应重叠的情况下[39], [40], [41]。机器学习可辅助光谱解析[42], [43]，但纯数据驱动模型需要大量标注数据且物理可解释性有限。双FPI光镊结构已在压力、温度和应变等物理测量领域得到确立；基于吸附的芳香族VOC实现则远不够成熟。据我们所知，现有的芳香族VOC光纤传感文献尚未将PIM-1信号转换、独立温度参考FPI、光镊放大和跨FSR浓度反演相结合。因此，本文的创新之处在于这一集成的化学信号转换与物理先验硬件–算法协同设计框架，而非双FPI结构本身。
本文报道了一种物理先验驱动的光纤光镊传感器，用于痕量邻二甲苯检测。一个并联双FPI通过2×2 3 dB耦合器连接：一个封装的填充UV胶FPI提供温度参考，而另一个飞秒激光加工的开放式FPI功能化PIM-1材料以提供气体响应。吸附引起的PIM-1形变改变了传感腔的光程，而匹配两个腔体的光程生成光镊包络，同时保留独立的温度通道。在光学结构之外，物理先验约束的Transformer解决了跨FSR光谱混叠问题，其中"跨FSR"指光镊包络遍历相邻FSR时产生的周期性歧义。该框架结合了物理引导的光谱生成、基线锚定的因果相位支路追踪和特征令牌自注意力；物理先验分支提供粗略浓度估计，并通过Transformer残差回归进行细化。在物理先验生成的分组测试集中，在校准的物理分布范围内，模型实现了R2 = 0.999987和RMSE = 0.0921 ppm；这些数值表征的是分布内模型评估，而非独立实验预测精度。主要的系统级进展包括PIM-1吸附信号转换的协同集成、物理分离的温度/气体通道、实验验证的光镊气体灵敏度增强以及物理先验跨FSR浓度反演。
