振动是自然环境和工程系统中普遍存在的现象。在地震检测[1,2]、结构健康评估[3,4]以及水下声学[5,6]等众多科学和工程应用中,监测振动至关重要。传统的振动传感技术主要依赖于电容式或压电式加速度计,但这些设备容易受到电磁干扰,且传输距离有限。因此,在恶劣环境条件下,它们的性能可能会下降甚至失效。近年来,由于光纤传感器具有抗电磁干扰的能力和长距离信号传输的特性,引起了广泛关注[7,8]。基于光纤布拉格光栅(FBG)的光纤加速度计因结构灵活且与成熟的高速FBG解调系统兼容而受到广泛研究。但由于FBG本身的灵敏度较低,基于FBG的加速度计通常需要结合外部惯性元件才能达到足够的灵敏度[9,10]。因此,许多研究致力于优化这些惯性元件的结构设计,以提高传感性能,特别是增强矢量响应和整体灵敏度[[11], [12], [13]]。例如,邱等人[14]开发了一种基于轴承的FBG加速度计,在0.3–57赫兹的频率范围内灵敏度达到1226.6皮米/重力加速度,几乎是传统设计的20倍。为了实现矢量加速度检测,黄等人[15]引入了带有两个相同FBG的对称铰链结构,能够在两个正交方向上检测加速度,且串扰水平低于5%。尽管这种封装策略显著提高了灵敏度,但基于FBG的加速度计对笨重惯性结构的依赖性仍然限制了其小型化,使其难以应用于空间受限的环境。
与FBG相比,法布里-珀罗干涉仪(FPI)通过将物理量转换为相位变化来提供更高的灵敏度。基于FPI的加速度计无需大型惯性元件即可实现强烈的振动响应。利用这一优势,人们提出了多种微结构FPI配置以实现高灵敏度加速度检测。张等人[16]利用飞秒激光微加工技术在光纤端面制造了微悬臂梁,灵敏度达到2.9纳米/重力加速度;王等人[17]采用双光子聚合技术在光纤尖端直接制造了亚毫米级惯性元件,成功将整个设备尺寸缩小到毫米级别。然而,这些方法涉及复杂的制造步骤,如精确的激光聚焦和定制粘合剂制备,这大大增加了制造成本和工艺复杂性。同时,在温度波动可能干扰机械响应的环境中,温度传感也非常重要。目前很少有设计能够同时实现对振动和温度的灵敏度检测。因此,需要开发制造工艺简化的紧凑型加速度计,以实现多参数检测。
在本研究中,通过不同直径光纤的错位拼接制备了类似摆锤结构的FPI(PFPI),并使用光诱导技术将聚合物弦嵌入FPI腔内。当受到外部振动源驱动时,摆锤会拉伸或压缩聚合物微弦,从而在PFPI的反射光谱中产生动态变化。PFPI的输出信号包含由振动引起的腔长变化和温度引起的折射率变化所产生的强度变化。通过在频域分析信号,可以分离这两种效应:振动信息体现在光强度的交流分量中,而温度变化则表现为直流分量。通过标准的基于强度的探测方案即可实现振动解调。实验结果显示,在1.42–14.63重力加速度范围内,振动灵敏度为61毫伏/重力加速度,温度灵敏度为0.27纳米/摄氏度。