0.37 pm亚皮米级位移检测：锁相放大器助力L-SJEM实现高灵敏度纳米热表征
实验名称：基于非绝热微纳光纤的绝缘油中C2H2模间PTI传感检测实验
研究方向：绝缘油乙炔检测、非绝热微纳光纤、模间光热干涉PTI、光热相位调制、倏逝场传感、HE₁₁/HE₁₂双模干涉、波长调制二次谐波2f解调、变压器溶解气体分析、共模噪声抑制、光纤气体传感
实验目的：传统气相色谱、半导体传感、TDLAS乙炔检测手段存在器件老化、环境噪声干扰、响应慢、抗扰动差等缺陷，乙炔是变压器电弧放电故障核心特征气体，亟需高精度在线检测方案；本文搭建非绝热微纳光纤模间光热干涉传感平台，通过仿真确定最优光纤腰区尺寸，系统测试检测下限、线性量程、响应速度、选择性、温漂、抗振与长期稳定性，验证该共径双模干涉结构依靠强倏逝场与共模噪声抑制能力，实现绝缘油中痕量乙炔高灵敏、稳定、快速检测，为电力变压器故障在线监测提供新型光纤传感方案。
测试设备：信号发生器、激光控制器、DFB激光器、EDFA掺铒光纤放大器、光隔离器、TF可调谐滤波器、NLL窄线宽激光器、光隔离器、PC偏振控制器、PD1光电探测器、PD2光电探测器、LIA锁相放大器、DAQ数据采集卡、计算机等。
图1.光电探测器上显示的悬臂响应原理示意与系统组成图。
(a)扭转示意图。(b)横向偏转。(c)激励引起的额外横向偏转。
(d)弯曲示意图。(e)垂直偏转。(f)激励引起的额外垂直偏转。
(g)L-SJEM系统示意图。
该系统由以下部分组成：压电位移扫描模块、Z传感器反馈环、光电二极管、锁相放大器ATA-5810以及提供交流电源。AFM探针在接触模式下检测膨胀。
实验结果：基于横向偏转优化的L-SJEM性能显著优于传统垂直偏转SJEM：信噪比达168，较传统方法提升近一个数量级；位移检测分辨率达0.37pm，为当前SJEM领域的最高水平，空间分辨率可达10nm；测量灵敏度可通过法向力灵活调控，法向力从22nN提升至65nN时信号增强约13%，且在150nN以内保持线性响应；可精准分离面内、面外热膨胀分量，实验中面外膨胀信号强度通常为面内的2-3倍；应用于石墨烯缺陷检测时，可识别出无拓扑形貌特征的辐照缺陷区域，缺陷区信号较非缺陷区降低约2pm，也可通过PMMA包覆放大表面形变，清晰观测到石墨烯-金属接触处的热点与缺陷位点，各项指标均优于现有SJEM报道水平，完全满足纳米尺度高精度热表征的需求，证实了该策略的有效性。
图3 样品A的热膨胀响应与法向力的关系。
(a)在样品A中测得的热膨胀随法向力增加的变化关系。
红、黑空心圆分别代表在不同法向力下，基于横向和垂直偏转测量同一形变获得的热膨胀信号。
红色实线是对探针与样品表面达到稳定法向力区域的数据进行的线性拟合。
红色区域代表从线性区域内的残差计算得出的±2σ偏差极限（经验95%覆盖率）。
(b)探针扭转角与法向力之间关系的示意图。在法向力分别为(c)22nN、(d)65nN和(e)218nN时获取的L-SJEM图像。
锁相放大器在该实验中发挥的效能：本实验中所用的ATA-5810型锁相放大器承担微弱信号提取的核心效能，可将光电探测器采集到的被噪声淹没的纳伏级悬臂梁偏转信号精准解调，提取与10kHz焦耳加热激励同频的热膨胀诱导偏转信号，是实现亚皮米级位移检测的关键信号处理单元，为位移分辨率量化、热膨胀信号分析提供可靠的原始数据支撑；
选自谷歌：Jiang, Q., Qiao, B., Ding, X., Xu, Y. & Hu, H. Lateral deflection-based optimization achieves sub-picometer detection limit. Microsyst. Nanoeng. 12, 4 (2026).
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