“智”取茶菁

一、背景

河源紫金县与龙川县茶叶产业作为岭南特色产业，既承载地域文化，又推动经济发展与产业升级。紫金县以 " 紫金蝉茶 " 为代表，通过小绿叶蝉叮咬茶青精制，形成蜜香馥郁、品质上乘的产品，体现农业精致化；龙川县凭借悠久种茶历史与自然条件，以瑞香、梅占、皋卢茶为主，形成独特发展模式。两县呈现 " 紫金创新、龙川传承 " 差异化路径，共同构成产业双引擎，为乡村振兴注入强劲动力。

基于光纤布拉格光栅 （FBG） 与聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 复合结构的茶叶背面温度传感器，代表了一种创新的农业监测技术。该传感器通过 PDMS 薄膜的热膨胀系数差异和热光效应协同作用，显著提升了FBG 对温度变化的灵敏度，同时利用 PDMS 的柔性特性实现了与茶叶背面的紧密贴合，解决了传统传感器在茶叶表面监测时的接触不良问题。这一技术不仅能够实现茶叶生长过程的精准温度监测，还具备抗电磁干扰、耐恶劣环境、可分布式部署等优势，为茶叶状态的智能监测提供了有力工具。

紫金县与龙川县茶叶产业的双驱动格局，与 FBG-PDMS 复合传感器技术的创新应用结合，能够共同构筑河源茶叶产业高质量发展的新范式。这种 " 产业引领技术，技术赋能产业 " 的良性互动，不仅为岭南特色农业的智能化转型提供了可复制的实践样本，更在乡村振兴战略实施中彰显了科技赋能农业现代化的核心价值。

二、新型传感器的技术基础

光纤布拉格光栅 （FBG） 是一种基于周期性折射率变化的光纤传感元件，其核心原理是布拉格衍射效应。当宽带光源入射到 FBG 时，特定波长的光会被反射，这一波长称为布拉格波长，由公式

决定，其中 Λ 为光栅周期，为光纤的有效折射率。温度变化会同时影响光栅周期和有效折射率，导致布拉格波长发生偏移，从而实现温度测量。具体而言，温度变化引起的波长偏移可表示为：

其中为 FBG 的温度灵敏系数，为光纤的热光系数，为光纤的热膨胀系数。对于掺锗石英光纤，典型 K_T 值约为 7.5×10^-6/^∘ C（约0.0075nm/^∘ C）。

PDMS 薄膜的引入显著增强了这一温度传感机制。PDMS 具有高热膨胀系数（ 1.2×10^-4～1.8×10^-4m/^∘ C，远高于光纤的 0.5×10^{- 6}m/Ω C） 和负热光系数 -4.5×10^-4 RIU/° C） ，当温度变化时，PDMS 的热膨胀差异会产生机械应变，通过封装结构传递给光纤，从而放大布拉格波长偏移。

此外，PDMS 还具有良好的生物相容性、柔韧性和化学稳定性，使其成为茶叶背面温度监测的理想材料。PDMS 薄膜厚度可通过涂覆与干燥过程精确控制，实现与茶叶表面的高度贴合。在实验操作中，采用超声波脱泡工艺去除气泡，使用模具包裹光纤，然后通过 80^∘ C干燥箱固化 1 小时，最后再冷却到室温以确保 PDMS 薄膜的稳定性和均匀性 。

FBG-PDMS 复合传感器采用创新的结构设计，将 FBG 光栅区域涂覆 PDMS 薄膜，形成一个微型的温度敏感单元。传感器的尺寸大约长 3cm ，厚度仅 0.2mm ，加上 PDMS 涂层后仍保持极小的体积，使其能够轻松附着于茶叶背面而不影响其正常生长。PDMS 薄膜的柔性特性使其能够完美贴合茶叶背面的复杂曲面 ，解决了传统传感器因接触不良导致的测量误差问题。在实际应用中，可通过小尺寸纸基胶带将传感器固定在茶叶背面，确保长期稳定的接触。

三、茶叶背面温度的重要作用

茶叶背面温度是反映茶叶生长状态的重要指标，与叶片的光合作用、物质代谢和病害发生密切相关。传统温度监测方法（如热电偶）存在接触不良、响应慢、易受干扰等问题，而 FBG-PDMS 传感器则能够提供更精准、稳定的监测数据。

在实际应用中，该传感器主要具有以下价值：

1. 茶叶品质优化

茶叶品质与生长环境温度密切相关。研究表明，茶树最适宜生长的温度范围为 22-25^∘ C，而茶芽生长速度及茶叶品质与气温、水分等环境因素密切相关， 22-23^∘ C 是最适宜茶芽生长的温度范围。通过监测茶叶背面温度，可以精准调控茶园环境，促进茶多酚、氨基酸等主要成分的积累。例如，在春季茶叶生长期间，可通过传感器监测叶背温度，及时调整遮阳网或灌溉系统，维持最佳生长温度，从而提高茶叶品质。

2. 智能采摘决策

茶叶采摘时机对品质影响重大，而叶背温度变化与茶叶成熟度密切相关。通过监测叶背温度分布和变化趋势，可以准确判断茶叶的成熟状态，辅助制定智能采摘计划。例如，在绿茶生产中，氨基酸含量在 22-23^∘ C 时最高，而茶多酚含量则随温度升高而增加 。通过分析叶背温度数据，可以确定最佳采摘时间，实现 " 精准采摘 "，提高茶叶产量和品质。

四、新型传感器的应用优势

与传统温度传感器相比，FBG-PDMS 传感器在茶叶背面温度监测中具有显著优势：

1. 高灵敏度与精准监测

PDMS 薄膜的高热膨胀系数（ 1.2×10^-4～1.8×10^-4m/^∘ C）与光纤的热膨胀差异（约 0.5×10^-6m/^∘ C）协同作用，显著放大了温度引起的波长偏移。传统热电偶的灵敏度通常在 0.01nm/^∘ C 以下，难以捕捉茶叶背面微小的温度梯度变化，该传感器可展现出超越传统方法的灵敏度。

2. 柔性贴合与生物相容性

PDMS 薄膜的柔性和低模量使其能够紧密贴合茶叶背面的复杂曲面，而不会对茶叶生长造成影响。PDMS 具有优异的生物相容性，不会对茶叶产生毒性作用，适合长期附着监测。相比之下，金属基传感器（如热电偶）体积更大、刚性高，还可能存在重金属污染风险，不适合直接接触茶叶。

3. 分布式测量与多点同步采集

单根光纤上可集成多个（最多 30 个）FBG 传感器点，实现分布式测量。通过在茶叶不同位置或不同茶叶上布置多个传感器点，可以同时监测多个位置的温度变化，构建茶叶温度场分布图。相比之下，传统电子传感器需要独立布线，难以实现大规模分布式部署。

五、未来发展趋势与创新方向

尽管紫金县和龙川县茶叶产业发展已取得显著成效，但产业规模相对较小、品牌影响力不足及市场拓展能力有限等共同挑战仍亟待突破；其中，龙川县可借鉴紫金县 " 创新引领 " 的产业经验，通过FBG-PDMS 茶叶背面温度传感器这一创新技术实现精准赋能，提升茶叶品质与产业链竞争力。该传感器基于光纤布拉格光栅与聚二甲基硅氧烷复合结构，巧妙利用 PDMS 薄膜的热膨胀系数差异与热光效应协同作用，大幅提高温度灵敏度，并凭借柔性特性实现与茶叶背面的紧密贴合，有效解决传统监测中的接触不良问题，为茶叶品质优化、病害早期预警、智能采摘决策及加工工艺参数优化提供关键数据支撑。未来，多参数集成、无线化部署、边缘计算与 AI 分析、自供电设计及可降解封装将成为技术突破的核心方向；在政策层面，随着国家智慧农业战略深入推进，该传感器有望纳入政府农业升级项目，加速产业化应用进程。这一 " 技术赋能产业、产业反哺创新 " 的良性循环，不仅为河源茶叶产业高质量发展注入持久动力，更在乡村振兴战略中树立了科技驱动特色农业现代化的标杆范式。