一种具有宽线性范围的高灵敏度外置毛细管光纤 SPR 传感器，用于磁场和温度的同时测量

《IEEE Sensors Journal》：A High-Sensitivity External Capillary Fiber SPR Sensor With a Wide Linear Range for Simultaneous Sensing of Magnetic Field and Temperature

　　**摘要：**在宽线性范围内以高灵敏度同时检测磁场和温度仍然是双参数光纤传感器的重大挑战。在此，我们提出了一种基于外毛细光纤（ECF）与表面等离子共振（SPR）相结合的新型传感器，用于同时检测磁场和温度。该传感器结构简单，由掺锗纤芯与外毛细光纤拼接而成，其中填充磁流体形成独立的磁场传感通道，而在外表面涂覆聚二甲基硅氧烷以构建独立的温度传感通道。对铝（Al）、金（Au）、银（Ag）和铜（Cu）的比较测试证实铝为最优材料。两根铝丝对称地切向嵌入纤芯以激发表面等离子共振。通过有限元法进行系统优化后，该传感器可同时检测35至135 Oe范围内的磁场以及14.3 °C至94.3 °C范围内的温度。其平均磁场灵敏度为16200 pm/mT，平均温度灵敏度为4.94 nm/°C，最大灵敏度分别达到24000 pm/mT和9.3 nm/°C。关键的是，两个参数在整个检测范围内均表现出高线性度。这些结果在平均磁场灵敏度和线性度方面较此前报道的类似传感器有了显著提升。得益于其高灵敏度、优异线性度和独立传感通道，这种基于ECF的SPR传感器在需要可靠双参数测量的精密工业监测、生物医学传感和环境探测领域具有巨大的应用潜力。**图形摘要：** 基于外毛细光纤设计的该双参数传感器三维模型。**I. 引言**随着现代传感技术的快速发展，磁场和温度传感已成为航空航天、海洋工程、地质勘探和电力系统等多个领域不可或缺的技术[1], [2], [3]。特别是在复杂的工业环境和精密测量场景中，磁场和温度往往同时存在并相互影响，因此对这两个参数进行同时且独立的检测对于准确的系统监测和故障诊断至关重要[4], [5]。与传统电磁场传感器相比，光纤磁场传感器凭借其体积小、灵敏度高、响应快和耐腐蚀等固有优势展现出卓越的竞争力[6]。其中，以磁流体（MF）作为敏感介质的传感器引起了广泛关注。这类传感器主要分为干涉型和倏逝场交互型。干涉型传感器通过传感臂与参考臂之间的相位差来检测磁场，但通常存在光路复杂和稳定性要求苛刻的问题[7], [8]。倏逝场交互型传感器依赖于倏逝场与磁流体之间的相互作用，但通常灵敏度有限[9]。