新型高度灵敏的光纤传感器,可测量体内微小的压力变化

该传感器由称为Zeonex的聚合物制成,其操作基础是光纤布拉格光栅(FBG),这是一种可以刻在光纤上的周期性微结构。

  香港理工大学的研究人员开发了一种小型,高度灵敏的光纤传感器,该传感器可用于测量体内的微小压力变化-最小变化为2千帕斯卡(kPa)。该传感器由称为Zeonex的聚合物制成,其操作基础是光纤布拉格光栅(FBG),这是一种可以刻在光纤上的周期性微结构。

  FBG传感器具有生物相容性和化学惰性,并对水分不敏感。这些品质使该传感器可用于各种医疗应用。研究团队表示他们的最终目标是使用这些类型的传感器来监视动物和人体内的各种参数-包括压力,温度和应变。

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  当压力升高时,基于FBG的传感器会拉伸,从而延长光栅周期并改变其折射率。这种变化将光输出移向光谱的红色端。压力降低会引起蓝移。

  二氧化硅是用于光纤的传统材料,由于其易碎和坚硬的趋势,因此不适用于医疗应用。嵌入在石英纤维中的FBG往往对较小的压力变化也具有有限的敏感性,因为该材料不容易拉伸或收缩。现有和以前版本的聚合物光纤通常会吸收水,这会改变测量结果。那些光纤不容易刻有FBG。

  与二氧化硅纤维相比,Zeonex在压力变化方面表现出更高的位移。研究人员没有使用通常用于制造光纤内芯和外包层具有不同折射率的材料的掺杂剂,而是使用了不同等级的Zeonex制造单材料纤维。

  研究人员塔姆说:“消除掺杂剂的使用可以使光纤具有良好的再现性。”“我们能够使用准分子激光器轻松刻写FBG,并添加一个平行于纤芯的侧孔。侧孔增强了压力测量的灵敏度,并显着减少了滞后,因此提供了更好的测量精度。”

  研究人员将他们的设计与具有类似物理设计的传统聚合物基传感器进行了比较。他们将传感器放置在一个室内,在该室内通过手动操作来逐步增加和降低大气压。实时监视两个传感器的相应光偏移。

  测试确定,采用侧孔设计的基于Zeonex的传感器可产生可重复的线性响应,并且误差或滞后可忽略不计。经过确定的测试,该传感器可用于在高于或低于大气压50 kPa的低压下进行测量,分辨率为2 kPa。最终证明该传感器的灵敏度比传统的基于聚合物的传感器高80%。

  塔姆说:“在压力变化高于或低于大气压几千帕斯卡的情况下,压力传感器最有用。”“它可用于医疗和高海拔环境中的低压传感以及检测气体容器中的压力变化。”

  为了改进他们的设计,研究人员旨在进一步减少传感器的响应时间,目前只有几十秒。他们还希望扩展传感器以测量其他物理和化学参数(例如pH值)并使探针功能化,以便它可以检测特定气体的压力。

  该研究发表在《光学快报》上。

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