原标题：使用 COMSOL Multiphysics 模拟高灵敏度光纤压力传感器
当人们通常听到光纤这个词时，首先出现在他们脑海中的可能是这样一幅画：像头发一样细，扭曲成充满艺术感和美丽形状的发光物体，或从灯座上喷出的光泉。这些能传导光的二氧化硅光纤远不止装饰。光纤于20世纪50年代成功开发，广泛应用于电力传输、通信、成像、传感等领域。
具体来说，光纤具有优良的介电属性和广泛的适用性，因而可以在其他传感技术可能失效的环境中使用，例如真空室和海底等极端环境。
从光纤传感器到压力传感器
标准光纤是专门为电信设备设计的，通常不能用于传感领域。为了使光纤对所需参数足够敏感，人们必须对光纤光栅进行加工，如雕刻或使用特殊的微结构光纤。微结构光纤在高灵敏度压力传感器方面具有良好的应用前景。高灵敏度压力传感器可用于石油勘探等领域，技术人员和工程师可用于检测流体压力。图 1 三种了三种可用作压力传感器的光纤。
图 1. 微结构光纤在压力传感测量装置中。(a)光子晶体光纤1；(b)带三角形格子孔的微结构光纤2；(c)侧孔光子晶体光纤3。
压力传感器中的微结构光纤通常具有特殊的结构，外部载荷会导致光纤中不对称的应力分布，从而改变光纤的双折射特性（光束的折射率为各向异性的材料属性），从而测量双折射特性的变化。
坎皮纳斯大学位于巴西(Unicamp)的研究人员 Jonas Osório 光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰等优点，可适用于恶劣环境。同时，它们体积小，重量轻，比同类传感器适用范围更广。
然而，现有文献中报道的光纤的微观结构相当复杂，需要多次拉制，然后手动组装精密结构。坎皮纳斯大学和空军研究所(IEAv)合作开发一种特殊类型的光纤，称为嵌入式毛细管光纤，可用于制造高灵敏度的压力传感器。研发人员需要简化这种光纤的制造工艺，包括预成型制备和直接拉丝。
仔细分析几何特征
嵌入式毛细管光纤本质上是二氧化硅毛细管，管壁区域(即纤芯)与锗混合(图) 2 显示光纤结构和横截面图)。 1 嵌入型压力传感器的微结构光纤相比，嵌入芯光纤的结构要简单得多。
图 2. (a)嵌入式毛细管光纤的概念图显示了嵌入式毛细管在静水压力下的横截面。(b)嵌入芯光纤横截面。
空军研究所的研究人员 Marcos Franco 和 Valdir Serr?o 坎皮纳斯大学 Jonas Osório 和 Cristiano Cordeiro 合作研究了微结构光纤中压力引起的双折射现象，提出了新的设计理念并验证。其目标是设计能感知静水压力的光纤，静水压力是指传感器周围静水等静水液体产生的压力。在设计过程中，毛细管光纤(极细的空心管)被包含气孔阵列的实心光纤取代，产生不对称的应力分布。
他们的目标是最大限度地提高压力变化引起的双折射率变化，从而提高光纤的传感能力。他们首先使用分析模型来研究压力引起的毛细管壁的位移和机械应力（图） 3)。
图 3. 研究压缩的无嵌芯毛细管光纤。 rin =40 μm，外半径 rout = 80 μm，内压 Pin 为 1 bar，外压 Pout 为 50 bar。
分析模型表明，由于毛细管结构本身的特点，加压在毛细管内壁上产生不对称的应力分布。在光弹性效应的作用下，应力会导致材料折射率沿水平和垂直方向发生变化，从而获得所需的双折射特性。
最大限度地提高压力变化的敏感性
借助 COMSOL Multiphysics? 软件，Franco、Serr?o、Cordeiro 和 Osório 椭圆纤芯添加到数学模型中，即石英毛细管壁中掺有锗的区域。通过运行模拟，他们获得了模式双折射的变化，以及毛细管壁内纤芯的位置之间的关系(图) 4)。模式双折射描述了光学模式的双折射效应，可以穿过纤芯。
图 4. 模式双折射的变化与毛细管壁中芯的位置之间的函数关系。当芯非常接近光纤的内半径（顶部中间图）时，压力变化引起的双折射变化最大。
仿真模型可以计算基本模态在不同压力条件下的有效折射率。这种模式发生在电磁波沿纤芯传播时。研究表明，为了最大限度地提高双折射现象对压力的敏感性，即提高传感器的灵敏度，纤维芯必须完全嵌入毛细管结构，并靠近内壁。他们分析了不同几何结构中应力分布的变化，最终得出结论：光纤管壁越薄，纤芯位置越接近毛细管内半径，压力引起的双折射率变化越大。
新型微结构光纤传感器
双折射对压力的依赖性研究完成后，Franco、Serr?o、Cordeiro 和 Osório 提出了简化微结构光纤制造工艺的新方法。经验证的新型压力传感器设计可正常工作。他们将概念设计的灵敏度与现有复杂的光纤结构进行了比较，确认新的设计方案可以产生相似的效果，但可以减少复杂的组装工作。嵌入式芯光纤为高灵敏度光纤压力传感器提供了新的发展方向。我相信，在不久的将来，石油勘探者可以更方便地实时评估收集的石油。
本文内容来自多物理场仿真:《IEEE Spectrum》特刊 2017年返回搜狐查看更多信息
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