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新型聚合物微型光纤传感器

发布:bianxl    |    2021-02-19 16:29    阅读:441
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新型聚合物微型光纤传感器

研究人员开发了一种超级灵敏的微型光纤传感器,可用于测量人体内的微小压力变化。

“这种新型传感器设计的初衷是满足医疗应用需求,克服了石英基光纤的许多应用问题。”研究小组负责人、香港理工大学的Hwa-Yaw Tam说。“这种传感器的灵敏度非常高,可以测量人呼吸时肺部的压力,而这种压力变化通常只有几千帕。”

这一发现发表于美国光学学会期刊Optics Letters上。这种传感器基于一种名为Zeonex的新型聚合物光纤上的布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG),能够检测到低至2千帕斯卡的压力变化。

Tam说:“我们的FBG传感器不仅具有生物相容性,还具有化学惰性,对湿度变化也不敏感,因此可用于各种医疗应用中。此项研究目的是使用这类传感器,来监测动物及人体内压力、温度和应变等各种参数。”

一种聚合物传感器

光纤布拉格光栅是一种嵌入在光纤上的微小周期性结构,许多光纤传感器都是基于光纤布拉格光栅。压力增大时,光纤会被轻微拉伸,光栅周期增加,从而改变其折射率,使输出光红移;同理,压力减小则产生蓝移。

传统的石英光纤制成的光纤布拉格光栅传感器并不适用医疗应用,尤其是那些需要在体内长期使用的光纤。因为这种光纤硬度较高,使用中会变脆。另外,石英光纤不容易拉伸和收缩,因此嵌入石英光纤的光纤光栅对微小压力变化也不够敏感。尽管研究人员们已经开发出了聚合物光纤,但聚合物光纤容易吸水,从而影响测量结果;另外,聚合物光纤中很难嵌入光纤光栅。

图1 图中所示为光纤制作过程

图1 图中所示为光纤制作过程

为了克服这些问题,研究人员转向了新型聚合物Zeonex。与石英光纤相比,这种新材料不仅具有化学惰性,能很好地在人体等水生环境中工作,并且在压力变化时有更大的光位移。通常,人们通过添加掺杂剂来制造纤芯和包层折射率不同的光纤材料。但在此项研究中,研究人员通过使用不同等级的Zeonex制造单材料光纤,简化了制造过程。

“此种光纤不使用掺杂剂,因此可以大批量重复制造。” Tam说。“可使用准分子激光器轻松地刻划FBG,并且打一个平行于纤芯的侧孔。侧孔提高了压力测量灵敏度,显著减少了延迟,因此测量精度更高。”

高分辨率、可复现的读数

为了验证新型传感器的性能,研究人员将其与类似设计的传统聚合物传感器进行了比较。将两种传感器放置在一个密闭室内,手动调节其中的压力,逐步调节至高于/低于大气压力。对两种传感器的光位移同时实时监测。

结果发现,带有侧孔设计的Zeonex传感器产生的响应是线性的、可复现的,其延迟及错误可忽略不计。测试表明,该传感器可用于大气压上下50千帕范围内测量,分辨率为2.0千帕。其压力测量灵敏度相比传统基于聚合物的传感器提高了80%。

“大气压上下几千帕的范围,是压力传感器应用的主要范围。”Tam说。“它可以用于医疗中的低气压范围传感,或高海拔环境中的高压传感,又或者是测量气体容器的压力变化。”

目前传感器的响应时间约为几十秒,研究人员正致力于进一步缩短响应时间。研究人员还计划扩展传感器的应用范围,以测量pH值等其他物理、化学参数;此外,附加探针功能,使其能够检测特定气体的压力。

原文见:J. N. Dash, X. Cheng, H.-Y. Tam, "Low gas pressure sensor based on polymer optical fiber grating," Opt. Lett., 46, 5, 933-936 (2021). https://doi.org/10.1364/OL.418096.

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