采用FBG（光纤布拉格光栅）的混合光纤传感器级联环状微纤维干涉仪的双模解调技术，可实现压力和温度的同时监测

《Optics and Lasers in Engineering》：Dual-mode demodulation of hybrid fiber-optic sensor cascaded ring-shape microfiber interferometer with TFBG for simultaneous monitoring of pressure and temperature

　　李秉琳|刘汉林|李新彤|刘淼|张立浩|柯红星|郝克尧|陈鹏|傅永明|赵泽佳|孙丹丹|马杰
中国太原山西大学物理与电子工程学院，邮编030006

**摘要**
压力和温度监测在广泛的工业和生物医学应用中变得越来越重要。本研究提出了一种基于封装环形微纤维干涉仪（MFI）和倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）的双模解调传感器，实现了压力和温度的同时监测。传感区域由三个功能组件构成：环形MFI的干涉凹陷用于波长偏移检测；TFBG的芯模式同时参与波长偏移和强度解调；TFBG的包层模式共振与MFI之间的光谱重叠用于强度检测。在压力作用下，传感器的波长灵敏度分别为-0.0949 nm/kPa（MFI干涉凹陷）和0 nm/kPa（TFBG芯模式），强度灵敏度分别为-0.85074 dB/kPa（重叠峰）和0.06631 dB/kPa（TFBG芯模式）。在温度变化时，传感器的波长灵敏度分别为-1.3509 nm/°C（MFI干涉凹陷）和0.01 nm/°C（TFBG芯模式），强度灵敏度分别为-3.3821 dB/°C（重叠峰）和2.06341 dB/°C（TFBG芯模式）。通过基于矩阵的解耦方法成功获得了压力和温度的变化，从而具备了温度补偿功能。该传感器结构紧凑且易于实现，为具有温度补偿的压力-温度同时检测提供了可行的解决方案。

**引言**
压力和温度是环境感知中最基本的物理参数之一，在工业和智能系统的快速发展中持续发挥着关键作用[[1], [2], [3]]。在包括工业过程控制、结构健康监测、生物医学诊断和微尺度感知平台在内的众多应用中，需要对这些参数进行精确监测[[2], [3], [4], [5]]。在许多实际环境中，压力和温度并非独立变化，而是同时变化[[4,5]]。这种耦合变化常常会在传感设备中引起交叉敏感效应，如果不加以适当处理，会降低测量准确性和长期可靠性[[4], [5], [6]]。因此，迫切需要具有紧凑结构和高灵敏度的光学传感解决方案，并能够可靠地区分由压力和温度引起的响应[[5,6]]。

法布里-珀罗干涉仪（FPI）传感器和基于光纤布拉格光栅（FBG）的传感器也是光纤压力传感领域的两个重要技术途径。Xu等人报告了一种基于纳米厚度银膜的高灵敏度FPI压力传感器，在0–50 kPa范围内实现了70.5 nm/kPa的灵敏度[[7]]。Wei等人在光纤尖端制备了三维打印的FPI用于气压检测，压力灵敏度为4.097 nm/MPa[[8]]。Hu等人进一步展示了用于高压测量的微机电系统（MEMS）FPI，最高压力可达10 MPa[[9]]。与此同时，Ji等人提出了一种用于深海探测的高分辨率光纤光栅压力传感器，具有0–110 MPa的压力测量范围和4.42 pm/MPa的灵敏度[[10]]。Xu等人还介绍了一种用于船舶压力分布监测的FBG压力传感器，灵敏度为58.94 pm/kPa，精度为1.7 Pa[[11]]。上述研究表明，FPI传感器特别适用于超高灵敏度需求，而FBG传感器则以其实用的压力测量范围和在恶劣环境中的易操作性而受到重视。从比较中可以看出，FPI传感器虽然灵敏度高，但易受温度交叉敏感的影响；而FBG传感器结构简单稳定，但需要复杂的机械放大才能实现高灵敏度。

基于微纤维干涉仪（MFI）的传感器因强大的衰减场相互作用和高机械柔顺性而被广泛用于压力和温度传感[[12,13]]。这些特性使得外部扰动可以高效地转化为具有高灵敏度的干涉光谱变化[[12], [13], [14]]。许多研究人员在该领域进行了大量研究。Xia等人系统研究了基于微纤维的马赫-曾德尔干涉仪，并报告了显著提高的温度灵敏度，这归因于微纤维的衰减场与周围介质之间的重叠增加[[14]]。在压力相关传感中，Hou等人开发了一种用聚二甲基硅氧烷（PDMS）密封的微纤维马赫-曾德尔干涉仪（MZI），可在海水中同时测量压力和温度，其压力灵敏度约为13.31 nm/MPa，温度灵敏度为-7.41 nm/°C[[15]]。Lu等人提出了一种结合萨格纳克环的PDMS封装光学微纤维耦合器，可用于海水温度和压力的同时测量，灵敏度分别为-2.133 nm/°C和3.416 nm/MPa[[16]]。这些研究表明，混合干涉配置可以有效扩展基于MFI的传感器的多参数测量能力[[16,17]]。然而，压力和温度引起的扰动在干涉光谱中往往产生相似的波长偏移响应，这使得在实际应用中难以区分[[6,14]]。因此，迫切需要紧凑的光纤传感架构，能够提供独立且互补的测量参数，以实现压力和温度效应的可靠区分。

倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）是一类特别适合多参数传感应用的光纤器件[[18]]。由于折射率调制倾斜，TFBG支持一系列与包层模式相关的光谱特性，这些特性不仅可以通过波长偏移来检测，还可以通过光谱强度和模态分布的变化来检测[[18], [19], [20]]。与传统的光纤布拉格光栅（FBG）不同，后者通常仅提供一个主导共振模式，TFBG在紧凑的光纤结构中提供了多个物理上不同的测量参数[[18], [19], [20]]。从传感角度来看，这一多参数特性使TFBG能够在复杂的环境中作为有效的辅助调制元件[[18], [19], [20]]。不同的外部扰动会体现在包层模式共振的不同光谱特性上，从而为信号解释提供了额外的自由度。因此，TFBG不仅用于提高灵敏度，更重要的是用于促进多参数解调和减轻光纤传感系统中的交叉敏感[[18.19]]。近年来，这种设计理念已在多项基于TFBG的传感研究中得到体现[[21,22]]。例如，Liu等人开发了一种具有分子印迹聚合物的功能化反射光纤传感器，用于孕酮检测，通过引入级联和反射响应来分离目标信号和热干扰[[23]]。类似地，Liu等人提出了一种基于纳米球界面的反射级联微纤维传感配置，用于低水平β-乳球蛋白检测，其中辅助调制和改进的信号区分能力增强了传感性能[[24]]。此外，Sun等人提出了一种采用分子印迹聚合物（MIP）增强的级联反射光纤生物传感器，用于微量香兰素的检测[[25]]。尽管这些研究主要关注生化传感应用，但它们共同说明了一个通用且可迁移的概念：引入辅助调制机制和多个独立测量参数是多参数解调的有效策略。这一概念同样适用于多参数物理传感，特别是同时测量压力和温度，这对于可靠地区分不同扰动至关重要。

**本文提出了一种紧凑的混合光纤传感器，将封装的环形MFI与TFBG集成在一起，实现波长-强度双重解调，从而同时测量压力和温度**。传感区域整合了三个功能组件：环形MFI的干涉凹陷用于波长偏移检测；TFBG的芯模式用于波长偏移和强度解调；TFBG的包层模式共振与MFI之间的光谱重叠用于强度检测。在压力实验中，通过波长偏移解调，灵敏度分别为-0.0949 nm/kPa（MFI干涉凹陷）和0 nm/kPa（TFBG芯模式）；通过强度差解调，灵敏度分别为-0.85074 dB/kPa（重叠峰）和0.06631 dB/kPa（TFBG芯模式）。在温度实验中，波长灵敏度分别为-1.3907 nm/°C（MFI干涉凹陷）和0.010 nm/°C（TFBG芯模式），强度灵敏度分别为-3.3821 dB/°C（重叠峰）和2.06341 dB/°C（TFBG芯模式）。矩阵公式有效解耦了压力和温度响应。该传感器为多参数测量提供了紧凑的解决方案，并可进一步优化以提高稳定性和实际应用性能。

**技术细节**
- **MFI传感原理**：如图1(a,左上)所示，MFI的减小腰径使得部分光功率在光纤芯中传输，其余部分耦合到沿圆锥区域传播的模式中；相应的传输光谱见图1(a,右)所示。随着光纤直径的逐渐减小，基模的能量分布未能以相应的速度适应，导致光在穿过圆锥区域时发生能量泄露。
- **实验设备**：如图2所示，实验装置包括光学探测路径和两个环境控制模块。如图2(a)所示，在光学布局中，从放大自发辐射源（ASE，波长范围1250–1650 nm，输出功率10 dBm）发出的光被注入级联传感器，随后由光谱分析仪（OSA，Anritsu MS9740A，波长范围600–1750 nm，波长分辨率0.03 nm）进行探测。
- **结论**：本研究开发了一种集成封装环形MFI和TFBG的双模解调光纤传感器，用于同时测量压力和温度。传感区域整合了三个功能组件：环形MFI的干涉凹陷用于波长偏移检测；TFBG的芯模式用于波长偏移和强度差解调；TFBG的包层模式共振与MFI之间的光谱重叠用于强度检测。

**作者利益声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

**作者贡献声明**
李秉琳：撰写初稿、资源准备、数据整理；
刘汉林：正式分析；
李新彤：软件开发、正式分析；
刘淼：正式分析、数据整理；
张立浩：正式分析、数据整理；
柯红星：数据整理；
郝克尧：数据整理；
陈鹏：项目监督、资金获取；
赵泽佳：方法论设计、资金获取；
孙丹丹：撰写修订、方法论设计、资金获取。