光纖加速度傳感器的研究進展

摘 要：闡述了光纖加速度傳感器的基本原理，分析了近年來國內外基于光纖光學和光纖光柵所設計研究的新型加速度傳感器，研究表明，波長調制型光纖加速度傳感器具有更加廣闊的應用前景。

關鍵詞：光纖傳感器 加速度計 光纖光柵 波長調制

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（b）-0090-02

振動檢測領域對高性能振動傳感器的需求促進了加速度傳感器的不斷發展，從20世紀60年代末開始研究的微硅技術到80年代初新興的光纖傳感技術，人們提出了種類繁多的加速度傳感器結構，而光纖加速度傳感器相比于硅微電子式加速度傳感器來說，高精度、不受電磁干擾、能在惡劣環境下工作和易于集成等優點受到了人們的特別關注。光纖加速度傳感器可從基本原理上分為光纖光學式和光纖光柵式加速度傳感器，光纖光學加速度傳感器的調制方式可分為光彈效應型、光強型[1]、干涉型[2]等，光纖光柵加速度傳感器可分為帶寬調制型[3]和波長調制型[4～5]兩種。

1 光纖光學加速度傳感器

1.1 強度調制型

強度調制型加速度傳感器是指通過調制光纖中傳輸光的強度從而達到測量加速度的目的，主要包含有透射式、反射式、偏振式等，其優點是結構較為簡單、信號易于解調、成本相對低廉，缺點是精度不高。

（1）透射式光纖加速度傳感器。

此類傳感器的結構特點是利用光纖本身作為移動單元，加速度引起輸出光纖振動導致耦合進入輸出光纖的光量改變，從接收端檢測到的光強即可反應出加速度值的大小。

（2）反射式光纖加速度傳感器。

此類傳感器在結構上與透射式的不同的地方在于多了一個反射鏡，光纖與反射鏡均可能作為運動元件。光纖軸線垂直于反射面安置的稱為正鏡式，光纖軸線不垂直于反射面安置的稱為斜鏡式。

（3）偏振式光纖加速度傳感器。

這類傳感器是利用光纖本身直接感知質量塊的慣性而產生偏振態變化，從而導致輸出光強的變化，藉此測量加速度。

Tihon Pierre等人于2012年提出的基于光纖雙折射的四種機械換能結構，分別是對光纖產生彎曲、擠壓、拉伸和扭轉作用的U型鋁梁。當偏振光從該結構的單模光纖一端輸入時，加速度引起光纖的變形從而導致激光偏振態的改變。從另外一端輸出的偏振光經過檢偏器后通過光電二極管來檢測，不同的加速度大小對應不同的偏振態，即不同的接收光強[1]。

1.2 相位調制型

相位調制型加速度傳感器是指通過調制光纖中傳輸光的相位從而達到測量加速度的目的，主要包含有Michelson干涉式、Mach-Zehnder干涉式、F-P干涉式等，其優點是幾何結構靈活多樣，分辨率、靈敏度等性能指標都非常高，研究較為廣泛。

（1）Michelson干涉式光纖加速度傳感器。

F Peng等人于2012年設計了一種緊湊型的Michelson干涉型加速度計，利用了光纖本身的固有優勢，使得傳感器尺寸和重量都可以做的很小，重量塊m用環氧樹脂粘在了兩根已經粘在一起的單模光纖的中間，光纖上下端和周圍用金屬管和固體框架固定住。加速度的變化將會引起作為干涉儀兩臂的光纖光程差的變化，通過解調相位變化即可獲得相應的加速度大小 ，這種加速度傳感器的靈敏度和頻率響應可以分別做到0.42 rad/g和600 Hz。

（2）M-Z干涉式光纖加速度傳感器。

陳柳華等人于2010年提出了一種基于光柵±1級干涉和相位載波（PGC）調制解調的光學加速度傳感方案，與傳統的M-Z干涉儀不同，這種結構并不是靠M-Z其中的一個臂作為傳感臂，而是以激光垂直入射的正弦振幅光柵作為傳感元件。當在光柵平面內有垂直柵線方向的加速度作用在光柵上時，光柵產生相應位移，繼而引起PD 端干涉相位差的改變。M-Z的其中一臂通過PZT生成載波以提高相位解調精度，實驗得到的系統誤差為[2]。

（3）F-P干涉式光纖加速度傳感器。

QLin等人于2011年提出的一種高分辨率加速度傳感器結構，單模光纖端面鍍半反膜，既做發射光纖又做接收光纖，固定在V形槽上。光纖端面與固定在0.1 mm厚的不銹鋼環狀彈簧網中心0.8 mm厚的質量塊上的硅微反射鏡形成一個F-P諧振腔。在V形槽與光纖固定支架之間裝有一個PZT，通過施加音頻信號對腔長生成相位載波（PGC）調制，腔長的變化與光纖軸向方向的加速度大小成線性關系。該結構的靈敏度為36dB每1 rad/g，諧振頻率為160 Hz，橫向靈敏度-1.8dB每1 rad/g[3]。

2 光纖光柵加速度傳感器

2.1 寬帶調制型

寬帶調制型的加速度傳感器實際上也是對光柵波長的調制，不同的是對光柵進行啁啾調諧，通過檢測帶寬的變化以實現溫度不敏感型加速度傳感的目的。W·J Zhou等人于2010年提出了一種基于FBG啁啾應變調諧的光纖加速度傳感器。30 mm長度的FBG斜粘在一個長度為165 mm，底部寬度為3 mm，厚度為5 mm的直角三角形懸臂梁的側面，橫梁端部裝有一個重約100 g的質量塊，此時光柵與懸臂梁的中性層所成的角度為9.6°。加速度的變化會引起光柵啁啾量的變化，實驗發現光柵反射譜的帶寬與加速度大小成線性關系，且靈敏度可以達到0.679 nm/g[4]。

2.2 波長調制型

光纖Bragg光柵技術是近年來發展的最迅速的光纖傳感技術之一，因其制作成本相對低廉、抗電磁干擾能力強、解調方便、易于集成和實現遠距離信號傳輸等優勢成為了研究的熱點。波長調制型的光纖加速度傳感器，從結構上來說還可以分為彈性梁式、兩點固定式、環式等。

（1）彈性梁式光纖加速度傳感器。

基于彈性梁的光纖加速度傳感器是研究的較為廣泛的一種結構，它的基本原理是將FBG粘貼于彈性梁的表面，加速度引起彈性梁的彎曲導致光柵的拉伸與壓縮，從而引起Bragg波長的變化，其具有結構簡單，重復性好等優點，但也存在著無法同時得到較高靈敏度和諧振頻率的不足[5]。

（2）兩點固定式光纖加速度傳感器。

這類傳感器的特點是僅將預拉伸過的光纖光柵的兩端固定，其中一端固定在殼體上，另外一端固定在可沿光纖軸向運動的質量塊上。加速度引起質量塊的運動，拉伸或者壓縮光柵引起波長的變化，以實現加速度傳感。相比于彈性梁結構，這種傳感器的優勢在于一是光柵部分不粘膠水，避免了膠水的蠕變效應帶來的影響，二是光柵是在軸向上的拉伸或壓縮，不會引起光柵的啁啾，減小了反射譜解調帶所來誤差。

（3）環式光纖加速度傳感器。

這類傳感器的特點是利用環形結構作為彈性載體，J Shao等人于2011年提出了一種四梁環式結構，光柵粘貼于圓環的表面，當質量塊受加速度影響在豎直方向產生位移時，圓環被壓縮或者拉伸，光柵的波長也因此變化且與質量塊的位移量成線性關系。這種結構的優點是可以通過改變圓環的尺寸和彈性模量，在響應帶寬不變的情況下提高傳感器靈敏度。

3 光纖加速度傳感器的應用

光纖加速度傳感器經過十幾年的研究，得到了快速的發展，在社會生產各領域尤其是結構健康監測方面具有非常重要的應用，PF da Costa Antunes[6]，A Vallan[7]等人分別提出了光纖加速度傳感器在基礎設施、大型結構等建筑的振動監測領域的應用。本文分類介紹了光纖加速度傳感器的工作原理及近年來國內外的研究進展，發現光纖傳感器的種類越來越豐富，實用性越來越強，尤其是基于波長解調的光纖光柵加速度傳感器由于其較大的優勢和相對低廉的工程成本，在工業和民用領域的應用愈加廣泛。

參考文獻

[1]Pierre Tihon，Nicolas Linze，et al. Design of a mechanical transducer for an optical fiber accelerometer based on polarization variation[J].Optical Sensing and Detection II，2012，84390M：1-9.

[2]陳柳華，林巧，李書，等.基于光柵平移的大量程光學加速度計[J].光學學報，2010，30（5）：1473-1477.

[3]Lin Q， Chen L.H，et al.A high-resolution fiber optic accelerometer based on intracavity phase-generated carrier （PGC） modulation[J].Measurement Science and Technology，2011，22 015303：1-6.

[4]Zhou W.J， Dong X.Y， et al.Temperature-insensitive accelerometer based on a strain-chirped FBG[J].Sensors and Actuators A，2010，157：15-18.

[5]N. Basumallick，I.Chatterjee，et al. Fiber Bragg grating accelerometer with enhanced sensitivity[J]. Sensors and Actuators A，2012，173：108-115.

[6]PF da Costa Antunes，et al.Optical Fiber Accelerometer System for Structural Dynamic Monitoring [J].IEEE Sensors Journal，2009，9（11）：1347-1353.

[7]A Vallan，et al.Displacement and Acceleration Measurements in Vibration Tests Using a Fiber Optic Sensor[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2010，59（5）：1389-1396.