基于类似摆的FPI(Free-Pending Instrument)的高灵敏度加速度计,该FPI采用聚合物微弦结构

时间:2026年3月21日
来源:Optics and Lasers in Engineering

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基于偏置光纤微悬臂的振动-温度解耦光纤传感系统研究,提出采用七芯光纤与薄壁光纤非对准熔接构建的悬链式法布里-珀罗干涉仪(PFPI),通过聚合物微线实现力学与热学耦合感知,实验获得460.97Hz共振频率及61mV/g加速度灵敏度。

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李晓阳|杨新宇|刘立川|谭浩阳|刘永军|耿涛
中国教育部光纤集成光学重点实验室,哈尔滨工程大学物理与光电工程学院,哈尔滨150001,中国

摘要

本文提出了一种基于类似摆锤的法布里-珀罗干涉仪(PFPI)的高灵敏度加速度计,并通过实验进行了验证。该加速度计采用微腔悬臂结构,通过细直径光纤与两根七芯光纤的轴向偏移拼接实现,其中聚合物微弦作为拉伸和温度传感元件。PFPI在1552纳米的单偏置波长下进行探测:加速度引起的振动产生交流调制,而温度变化则导致光电探测器输出出现直流基线漂移,从而可以独立解调这两个参数。实验结果显示,其基本共振频率约为460.97赫兹,在1.42–14.63重力加速度范围内,灵敏度为61毫伏/重力加速度。波形重建实验进一步证明了该传感器在跟随加速度变化方面的优异性能。

引言

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。

原理与制造

图1展示了光学传感原理及封装传感器的照片。如图1(a)所示,传感器头部主要由全光纤摆锤结构和用于温度测量的聚合物弦组成。PFPI的干涉腔由两段七芯光纤(SCF)通过细直径光纤(TDF)偏心连接而成,第二段SCF外包裹着内径较大的石英管。

传感器的静态响应

如图6所示,当使用宽带光源作为输入时,传感器的静态反射光谱的最大消光比为15分贝,自由光谱范围(FSR)为32.82纳米。当向结构中注入固定波长的探测光时,Q点附近的强度探测波长范围约为±8纳米,最线性区域为±4纳米。
根据公式(3),Q点光强度的变化由光谱位移引起

结论

本文提出了一种高灵敏度的微型振动加速度计,并通过实验进行了验证。PFPI采用微摆锤结构实现实时加速度检测,而聚合物微弦则赋予了温度响应能力,从而实现了振动加速度和温度的双参数检测。频率响应测试确定了基本共振频率为460.9赫兹,这与模拟值非常吻合,验证了该传感器的有效性。

作者声明

期刊:《光学与激光工程》
手稿标题:基于类似摆锤的FPI和聚合物微弦的高灵敏度加速度计
我们,上述手稿的作者声明:
  • 1.
    所有作者都对这项工作做出了实质性贡献,已阅读并批准了提交的修订稿,并同意将其提交给期刊。作者的身份和顺序已得到所有作者的确认。
  • 2.
    该手稿是原创的,之前未发表过,也没有
  • 作者贡献声明

    李晓阳:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原稿,方法学研究。杨新宇:撰写 – 原稿,研究。刘立川:软件开发,数据管理。谭浩阳:验证。刘永军:指导,资金获取。

    利益冲突声明

    作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

    致谢

    本工作得到了中国国家自然科学基金(NSFC)与中国科学院(CAS)合作下的天文联合研究基金的资助(项目编号:U1831115),以及哈尔滨工程大学的基本科研业务费的支持。

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