Будут ли датчики будущего такими же тонкими, как волоски?
На самом деле, в области технологий волоконно-оптических датчиков, волоконные датчики в голом виде уже достигли физической тонкости уровня «волоса».
I. Сравнение физических размеров: от волоса до волоконно-оптических датчиков
Средний диаметр человеческого волоса обычно составляет от 60\ \mu\text{m} до 100\ \mu\text{m} (то есть от 0,06\ \text{mm} до 0,10\ \text{mm}).
В оптической инженерии стандартный размер одномодового кварцевого волокна по сердцевине и оболочке составляет 125\ \mu\text{m}. Чтобы защитить волокно от царапин, на его поверхность наносится слой полимерного материала:
- Волокно с покрытием из полиакрилата：Внешний диаметр после покрытия составляет около 255\ \mu\text{m} (около 0,255\ \text{mm}).
- Волокно с покрытием из полиимида：Покрытие очень тонкое и термостойкое, внешний диаметр после покрытия составляет всего 155\ \mu\text{m} (0,155\ \text{mm}).
- Тонкое волокно (Thin-diameter Optical Fiber)：Внешний диаметр оболочки может быть снижен до 80\ \mu\text{m} или даже ниже, что соответствует физическому внешнему диаметру толстого человеческого волоса.
Таким образом, датчики волоконно-оптических решеток (FBG), записанные на голом волокне или тонком волокне, имеют толщину элемента зондирования, сопоставимую с толщиной человеческого волоса.
II. Технологические драйверы миниатюризации волоконно-оптических датчиков
Быстрое развитие волоконно-оптических датчиков до миниатюрных размеров уровня «волоса» обусловлено следующими инженерными потребностями:
- Мониторинг структурной целостности и неразрушающая имплантация：Миниатюрные датчики могут быть непосредственно встроены в углеродные композиты, структуры, напечатанные на 3D-принтере из металла, или строительные конструкции, обеспечивая «зондирование внутри материала» без ущерба для точности механических свойств основного материала.
- Биомедицина и минимально инвазивная хирургия：В области медицины миниатюрные волоконно-оптические датчики встраиваются в иглы для пункции, катетеры или трехмерные тактильные головки для точного измерения силы и мониторинга температуры.
- Передовые технологии обработки (поточечная запись фемтосекундным лазером)：Традиционная ультрафиолетовая запись требует удаления покрытия волокна, что делает волокно хрупким; тогда как технология поточечной записи фемтосекундным лазером позволяет записывать решетки непосредственно в сердцевину волокна, проходя через защитное покрытие, сохраняя при этом чрезвычайно малый размер и значительно повышая механическую прочность на разрыв.
III. Типичные продукты миниатюрных волоконно-оптических датчиков OFSCN®
1. Голое/тонкое волокно волоконно-оптической решетки (уровень волоса)
- OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)：Используя технологию поточечной записи фемтосекундным лазером, которая не повреждает покрытие волокна, общий внешний диаметр составляет всего 155\ \mu\text{m}. Он может выдерживать большие деформации \ge 25000\mu\varepsilon, что идеально подходит для встраивания и миниатюрной интеграции.
- OFSCN® Thin-Diameter Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)：Изготовлены на основе тонкого волокна, обладают меньшим радиусом изгиба и занимают меньше физического пространства.
2. Датчики с металлическим/полимерным защитным покрытием субмиллиметрового размера
В суровых промышленных условиях для предотвращения повреждения волокна обычно добавляется металлическое или полимерное защитное покрытие. Даже с защитой современные технологии упаковки достигли субмиллиметрового уровня:
- OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor：Использует бесшовную стальную трубу для инкапсуляции, обеспечивая промышленную механическую защиту и термостойкость до 800^\circ\text{C}. При этом стандартный внешний диаметр не превышает 1,1\ \text{mm}, а минимальный настраиваемый диаметр составляет 0,5\ \text{mm}.
- OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter)：Миниатюрные датчики деформации, инкапсулированные полимерным материалом, со стандартным внешним диаметром продукта всего \le 0,7\ \text{mm} (при добавлении защиты из бесшовной стальной трубы внешний диаметр составляет 1,2\ \text{mm}).
Заключение
Будущие датчики будут не только тонкими, как волосы, но и в области волоконно-оптических датчиков, уже достигнута миниатюризация уровня волоса для датчиков на голом волокне. Что касается промышленных датчиков с защитными корпусами от коррозии и сдавливания, внешний диаметр упаковки постоянно развивается в сторону субмиллиметровых уровней от 0,5\ \text{mm} до 0,7\ \text{mm}.