《Optics & Laser Technology》：Voltage sensor with tunable sensitivity and measurement range based on optical tweezers trapping magnetic microparticles
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基于光学 tweezers 的磁微粒子电压传感器研究
Jiahan Li|Xue Cao|Xu Liu|Chunlei Jiang|Taiji Dong|Siying Song
东北石油大学电气与信息工程学院，中国大庆163318
摘要
本研究提出了一种基于光镊子的创新电压传感器，该传感器能够捕获磁性微粒。施加的电压被转换成磁场，从而诱导微粒发生位移，进而导致法布里-珀罗（F-P）干涉腔的长度发生变化。通过建立输入电压与腔长变化之间的线性关系，可以在0.2–2.0 V的范围内实现精确的电压检测，灵敏度为1.1361 μm/V，最小可检测电压为128 μV/√Hz。这项工作为开发高灵敏度电压传感器提供了一种新策略，并强调了其在微尺度电压检测应用中的潜力。此外，该传感器还具备可调的测量范围和灵敏度。通过调整关键系统参数，可以实现0.27–2.70 V、1–10 V和1.4–14.0 V的操作范围，相应的灵敏度分别为0.8110 μm/V、0.2202 μm/V和0.1567 μm/V。这些特性使得所提出的传感器能够很好地适应需要不同测量范围和灵敏度组合的各种应用。
引言
作为电气测量中的关键组件，电压传感器主要负责检测和获取电压信号，然后将其转换为适合信号处理和传输系统的电信号或光信号。它已被广泛应用于电力系统[1]、可再生能源技术[2]、轨道交通系统[3]和微尺度测量[4]等领域。根据工作原理，电压传感器可以分为电气型和光学型。电气电压传感器有多种配置，其中电阻式和电容式电压分压器在电力测量应用中最为广泛使用。电阻式电压分压器通常由精密电阻网络组成，通过明确的电阻比实现高压缩放[5]。这种设计结构简单，非常适合高压测量应用。Tang等人提出了一种基于三电阻配置和使用电子开关进行时间分割采样的自校准电阻式电压分压器，该传感器能够在电阻老化条件下保持长期测量稳定性，并在指定电压范围内实现高精度性能[6]。与电阻式电压分压器相比，电容式电压分压器通过电容分压原理实现高压隔离，通常具有更好的抗噪能力和线性[7]。Kova?evi?等人开发了一种用于测量纳秒级超快电压瞬变的电容式分压器，通过将气体绝缘高压电容器与多个低频介电结构集成，该设计在高压操作下表现出优异的稳定性，并在宽频率范围内保持几乎恒定的传输特性[8]。然而，这类电气传感器通常存在一些局限性，如较大的物理尺寸[9]、易老化的绝缘层、对寄生效应的高敏感性以及易受电磁干扰的影响。为了克服这些局限性，研究人员越来越多地转向光学电压传感器，后者部分弥补了传统电气传感器的缺点。其中，光纤传感器因其抗电磁干扰、轻量化结构、紧凑尺寸和快速响应时间等优点而受到广泛关注[10]、[11]、[12]、[13]。Javernik等人提出了一种微加工光纤F-P电压传感器，利用静电力使集成在光纤尖端的微悬臂结构发生偏转，这种偏转改变了F-P腔的长度，从而实现电压到光信号的转换，实现精确的电压测量[14]。这种方法具有高灵敏度和微型化的优势；然而，其微结构的制造工艺复杂，需要高工艺精度和长期可靠性。Yang等人提出了一种全光纤光学电压传感器，基于直锥形单模光纤和堆叠压电晶体，利用逆压电效应，压电晶体在施加电压下变形，从而在锥形光纤中产生轴向应变，通过检测光纤传输光谱的中心波长变化来实现电压测量。这种方法结构简单、测量精度高且重复性好；然而，它依赖于精确的光纤锥形技术，这限制了灵敏度的进一步提高[15]。总之，上述研究为实现轻量化和紧凑结构提供了前景。此外，利用光纤传感原理，这些方法对电磁干扰具有很强的抗干扰能力。然而，它们要么涉及复杂的制造工艺，要么灵敏度有限，难以在保持结构简单性和制造便捷性的同时实现高灵敏度。
在这种背景下，光镊子技术为开发高灵敏度、结构简单且易于制造的电压传感器提供了一种新方法。其基本原理是利用聚焦激光束产生的梯度力稳定捕获和精确操控微米和纳米级颗粒[16]、[17]。该方法的位置检测灵敏度已达到纳米级别[18]、[19]、[20]，使得高灵敏度电压传感器的开发成为可能。此外，光镊子技术本身轻便紧凑，无需复杂的制造工艺或笨重的仪器。
本文提出了一种基于单光纤光镊子的电压传感器，用于捕获磁性颗粒。该传感器使用光纤探针捕获磁性颗粒，在探针尖端与颗粒之间形成F-P干涉结构。通过将施加的电压转换为磁场并利用光场和磁场之间的耦合效应，磁性颗粒在光纤探针附近发生偏转，从而导致F-P腔长度的变化。这建立了施加电压与腔长变化之间的直接关系。该传感器不仅能够实现高灵敏度的电压测量，还提供了可调的测量范围和灵敏度。凭借简单且易于制造的结构，它结合了轻量化、微型化和高灵敏度的特点，在微尺度检测场景中展现出独特的应用潜力。
传感器设计
本研究开发的传感器由三个功能组件组成：信号感应模块、信号检测模块和信号处理模块。信号感应模块包括骨架线圈（430匝，2.2 Ω电阻）、磁芯、光纤探针、980 nm激光器和磁性颗粒。信号检测模块集成有光电探测器（ThorLabs, PDA10CS-EC），用于捕获并将光信号转换为电信号。信号处理模块
实验装置
本研究中使用的实验装置如图3所示。磁性颗粒溶液放置在右侧的三维平移台上，而光纤探针安装在左侧的三维平移台上。这种配置使得两个组件可以独立进行三维操作，使光纤探针能够精确进入溶液并捕获磁性颗粒。显微镜内的集成CCD相机提供实时
讨论
本研究提出的电压传感器利用光镊子捕获磁性颗粒，在实验评估中表现出优异的性能和可调性。结果表明，在0.2–2.0 V范围内，施加电压与F-P腔长度变化之间存在强烈的线性相关性，拟合灵敏度为1.1361 μm/V。控制实验进一步确认了传感器的可调测量范围和灵敏度特性。结果表明
结论
本文提出了一种基于光镊子的电压传感器，该传感器能够捕获磁性微粒。通过利用光场和磁场之间的耦合效应，磁性颗粒在光纤探针附近发生偏转，导致F-P干涉仪腔长度的变化。建立了电压与腔长之间的关系曲线，以实现电压测量，最小可检测电压为128 μV/√Hz。实验结果展示了
作者贡献声明
Jiahan Li：撰写——原始稿件。Xue Cao：指导。Xu Liu：撰写——审阅与编辑。Chunlei Jiang：资金获取。Taiji Dong：方法论。Siying Song：研究调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
