【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】5月7日，華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院先進(jìn)電子制造研究中心黃永安教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊National Science Review上以“Flexible, multimodal, electrical-sensing-optical-transmission μfiber-sensors via an on-fiber printed electronics strategy(基于光纖表面印刷電子的柔性多模態(tài)“電感-光傳”微光纖傳感器)”為題，發(fā)表超細(xì)纖維共形噴印及光纖傳感領(lǐng)域研究成果。機(jī)械學(xué)院2020級(jí)博士生王洪揚(yáng)為論文第一作者，黃永安教授、葉冬副教授為共同通訊作者。機(jī)械學(xué)院盧文龍教授、光電信息學(xué)院孫琪真教授、中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所李巍研究員等團(tuán)隊(duì)參與本項(xiàng)研究。
光纖傳感具有長(zhǎng)距離、抗干擾優(yōu)勢(shì)，但其多模態(tài)感知與信號(hào)自解耦面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)光纖傳感器難以同步感測(cè)與解耦多參數(shù)，且依賴復(fù)雜解調(diào)系統(tǒng)與昂貴激光源。近期“光纖內(nèi)”或“光纖近端”改性策略，仍受限于感知模態(tài)單一、分布式能力不足或電信號(hào)易受干擾等問題。因此，亟需發(fā)展一種集成多模態(tài)感知、自解耦與長(zhǎng)距離光傳輸于一體的新型電-光轉(zhuǎn)換傳感架構(gòu)。該項(xiàng)工作主要提出一種柔性分布式多模態(tài)“電傳感-光傳輸”光纖傳感器，通過光纖上電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單根光纖對(duì)多物理量的同步分布式監(jiān)測(cè)。新型光纖傳感器的研制主要突破了以下關(guān)鍵技術(shù)：1)如何在高曲率的超細(xì)光纖表面實(shí)現(xiàn)高精度電路集成制造；2)如何優(yōu)化光耦合結(jié)構(gòu)，將電致光信號(hào)低損耗高效地注入光纖；3)如何在長(zhǎng)距離傳輸中實(shí)現(xiàn)多模態(tài)信號(hào)的高保真、抗干擾傳輸與波長(zhǎng)復(fù)用解調(diào)。
研究構(gòu)建了“外部刺激–電學(xué)感知–電光轉(zhuǎn)換–光纖傳輸–光譜解調(diào)”一體化智能感知架構(gòu)，將外部振動(dòng)、壓力、溫度、應(yīng)變四類物理量通過電學(xué)單元捕獲后，直接在光纖上完成電光信號(hào)轉(zhuǎn)換，并以光信號(hào)形式側(cè)向耦合進(jìn)入光纖通路，實(shí)現(xiàn)無電磁干擾、低衰減的長(zhǎng)距離穩(wěn)定傳輸。系統(tǒng)呈現(xiàn)了傳感工作流程、纖維共形電–光器件、超細(xì)纖維表面微納打印結(jié)構(gòu)，以及長(zhǎng)距離傳輸與抗電磁干擾對(duì)比測(cè)試結(jié)果，直觀印證了該設(shè)計(jì)在單根光纖內(nèi)完成多參量采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換與遠(yuǎn)程傳輸?shù)暮诵哪芰Α?br />
基于螢火蟲仿生傳感架構(gòu)設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)揭示ESOT FiSensor的電學(xué)傳感與電光轉(zhuǎn)換核心機(jī)制，分別建立電壓型與電阻型兩種適配不同傳感單元的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)物理刺激到電信號(hào)、再到光信號(hào)的高效、穩(wěn)定轉(zhuǎn)換。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)雙段式復(fù)合光纖結(jié)構(gòu)，將前端功能化光纖與后端低損耗石英光纖相結(jié)合，通過納米粒子薄膜光學(xué)性能表征、光場(chǎng)傳輸仿真、電場(chǎng)模分布以及限制損耗規(guī)律研究，完成面向長(zhǎng)距離傳輸?shù)牡蛽p耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為器件高性能感知與遠(yuǎn)距離傳輸提供了理論與實(shí)驗(yàn)支撐。
依托傳感原理與制造方法，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、壓力、溫度、應(yīng)變四物理量的同步解耦感知，并采用波分復(fù)用機(jī)制對(duì)多通道信號(hào)進(jìn)行編碼與區(qū)分，將不同物理量對(duì)應(yīng)至獨(dú)立特征波長(zhǎng)，在單根光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)多信號(hào)傳輸與解調(diào)。測(cè)試結(jié)果表明，傳感器具備良好線性響應(yīng)、高靈敏度與優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，在多次彎曲、壓縮等機(jī)械疲勞測(cè)試后仍保持性能穩(wěn)定，器件間一致性高，充分驗(yàn)證了其多模態(tài)、自解耦、高可靠性的感知能力。
為全面驗(yàn)證該技術(shù)的工程應(yīng)用潛力，團(tuán)隊(duì)將ESOT FiSensor應(yīng)用于三大典型場(chǎng)景，成功實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景下長(zhǎng)距離、多模態(tài)、分布式智能感知：在模型車動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，完成振動(dòng)與溫度信號(hào)的同步解耦與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；在飛行器蒙皮結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)分布式溫度場(chǎng)感知，檢測(cè)誤差控制在4.3%以內(nèi)；在柔性人機(jī)交互場(chǎng)景中，基于應(yīng)變傳感陣列實(shí)現(xiàn)10種手勢(shì)高精度識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)98.15%，并實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂完成對(duì)應(yīng)動(dòng)作。上述結(jié)果充分證明，該傳感器可滿足復(fù)雜電磁環(huán)境、飛行器蒙皮結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程人機(jī)交互等高端場(chǎng)景的核心需求，具備廣闊的工程應(yīng)用前景。
綜上，本研究提出了一種基于電-光轉(zhuǎn)換的新型光纖傳感器。它實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)、壓力、溫度、應(yīng)變四種物理量的同步、自解耦與分布式感知。其核心優(yōu)勢(shì)在于將電傳感的靈敏性與光傳輸?shù)拈L(zhǎng)距離、抗干擾特性相結(jié)合，并通過高精度打印技術(shù)在超細(xì)光纖上實(shí)現(xiàn)共形集成。該技術(shù)在航空航天結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、無人系統(tǒng)、海洋監(jiān)測(cè)及柔性人機(jī)交互等領(lǐng)域具有顯著應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目及湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
所有評(píng)論僅代表網(wǎng)友意見，與本站立場(chǎng)無關(guān)。