设计并实现了一种螺旋结构的光纤法布里-珀罗加速度计，以实现高灵敏度和低横向轴干扰

《Optical Fiber Technology》：Design and implementation of a spiral-structured fiber-optic Fabry–Perot accelerometer for high sensitivity and low cross-axis interference

基于渐开线梁结构的高灵敏度光纤法布里-珀罗加速度计设计及验证。采用不锈钢弹性膜片对称负载质量块，优化渐开线梁布局以提升轴向灵敏度并抑制横向干扰。仿真与实验表明，传感器自然频率120Hz，轴向灵敏度13.39μm/g，横向交叉灵敏度<5%，适用于低频振动监测场景。

　　这项研究介绍了一种基于渐开线梁结构的高灵敏度光纤法布里-珀罗（F–P）加速度计。该传感器的核心设计包括一个不锈钢弹性膜片，以及对称地附着在膜片两侧的质量块。光纤端面与质量块表面平行，入射光通过质量块表面反射，形成法布里-珀罗干涉仪。为了提升轴向灵敏度并降低横向干扰，研究者提出了一种基于渐开线曲线数学模型的广义渐开线结构，该结构在膜片有限区域内最大化弹性梁的长度，并通过优化弹性梁的数量来减少横向干扰。该传感器的性能通过仿真和实验进行了验证，结果显示其固有频率为120 Hz，轴向灵敏度为13.39 μm/g，横向串扰小于轴向灵敏度的5%。这种加速度计在结构健康监测或地震检测等低频振动场景中展现出良好的应用前景。

近年来，随着光纤技术和信号处理技术的不断发展，光纤传感器技术取得了显著进展。光纤传感器因其独特的优点，如强大的抗电磁干扰能力、体积小、重量轻、高灵敏度以及能够实现远距离传感和分布式测量，已在多个领域展现出广阔的应用潜力。其应用范围从传统的温度和应变测量逐步扩展到更广泛的领域，如气体泄漏检测、建筑健康检测、人体健康监测、弯曲检测、航空航天、地震信号检测、电池温度测量等。其中，光纤加速度计是光纤传感器技术的重要应用之一。

技术的进步推动了多种类型的光纤加速度计的开发，这些加速度计可以根据其工作原理分为光纤布拉格光栅（FBG）加速度计和光纤干涉型加速度计。与FBG加速度计相比，光纤干涉型加速度计具有更高的灵敏度、更高的分辨率以及更宽的可测动态范围，特别适用于高精度、宽动态范围的加速度测量应用。光纤干涉型加速度计根据其干涉结构，可以分为基于马赫-曾德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪以及法布里-珀罗干涉仪（FPI）等类型。其中，法布里-珀罗干涉仪的结构相对简单，通常只需要一个光学腔和一根光纤，因此其设计和实现比马赫-曾德尔和迈克尔逊干涉仪更为简便。

目前，各种结构的法布里-珀罗加速度计已经被提出。其中，基于膜片结构的法布里-珀罗加速度计一直是研究热点。例如，王等人提出了一种基于法布里-珀罗干涉仪的高灵敏度光纤加速度计，该干涉仪由铝合金弹性膜片结构形成。该传感器具有2100 Hz的固有频率，1300 Hz时的灵敏度为4.91 nm/g，分辨率可达0.204 mg，并且在0–1300 Hz的工作带宽内，横向干扰小于5%。赵等人则开发并演示了一种基于网格膜片质量加载紧凑结构的光纤法布里-珀罗加速度计。该膜片采用恒弹性合金3J53制造，其表面设计为对称的圆形空腔。实验结果表明，该传感器的共振频率为270 Hz，在10–120 Hz的频率带宽内，轴向灵敏度为3.86 μm/g。在实验测试中，该加速度计在±30 g的最大测量范围内实现了8.5 μg的加速度分辨率。

王和张等人提出了一种基于膜片-质量-准直器集成结构的光纤法布里-珀罗加速度计，以实现高一致性。实验结果表明，在10–125 Hz的频率带宽内，该传感器的最大灵敏度差异小于0.38 dB（参考0 dB = 1 V/g），最大灵敏度波动小于±0.36 dB。李等人则提出了一种基于铝-聚酰亚胺膜片集成质量块的微型、高灵敏度法布里-珀罗干涉仪（FPI）。该膜片通过微机电系统（MEMS）技术制造，实验结果显示其在100 Hz至3.2 kHz的频率带宽内，平均灵敏度为2.6 V/g，加速度分辨率为4.12 μg/(Hz^(1/2)))。王和贾等人设计了一种外置光纤法布里-珀罗加速度计，该加速度计的质量块通过传感器外壳和基座夹紧边缘形成质量-弹簧-阻尼系统。实验结果表明，该传感器的共振频率为393 Hz，轴向灵敏度为13.11 rad/g。童等人则设计了一种基于新型渐开线结构的高灵敏度光纤法布里-珀罗加速度计，该结构由串联弯曲梁构成。实验结果表明，该传感器的固有频率为164 Hz，灵敏度为9.07 μm/g，横向串扰为0.65%。曹等人提出了一种基于法布里-珀罗干涉仪的振动传感器，其敏感结构采用蓝宝石材料，外部封装采用高可靠性和刚性的不锈钢材料，以提供保护。实验结果表明，该传感器能够在高达600 °C的温度下工作，灵敏度为38.66 nm/g，特征频率为2446 Hz。

光纤膜片型加速度计的灵敏度与其梁结构密切相关。在有限区域内增加梁的长度是提高灵敏度的关键，而增加梁的数量则有助于提升膜片的横向刚度，并减少横向加速度引起的串扰。基于渐开线曲线的数学模型，本文提出了一种具有螺旋梁结构的高灵敏度光纤法布里-珀罗加速度计。这种新型的广义渐开线模型允许灵活调整螺旋梁的布局，在有限的区域内最大化梁的长度，并通过调节梁的数量来优化横向干扰的抑制能力。该传感器的主要材料为不锈钢和玻璃，具有紧凑的结构和低成本，便于批量生产。

图1展示了该加速度计的结构图。该传感器由一个带有空腔图案的圆形不锈钢膜片、两个质量块和一个玻璃基底组成。膜片通过玻璃基底的边缘支撑。单模光纤（SMF）通过陶瓷套管固定在玻璃基底下方的钻孔中。两个圆柱形的不锈钢惯性质量块对称地附着在圆形膜片的两侧中心。光线通过该结构发生干涉，从而实现对加速度的测量。该设计充分利用了光纤干涉仪的特性，使得加速度的测量更加精确和可靠。

实验与结果部分展示了该光纤法布里-珀罗加速度计的测试系统。图11显示了测试系统的结构，其中使用了超发光二极管（SLED）作为宽带光源，中心波长为1550 nm。光源产生的光线通过环形器进入法布里-珀罗加速度计，其中光线在法布里-珀罗腔内发生干涉，干涉信号被传输到高速光谱仪（BaySpec Inc., FBGA Interrogation Analyzer）进行采集。采集的数据被传输到计算机中，通过数据处理算法提取出加速度信息。实验结果显示，该传感器在特定频率范围内表现出良好的性能，其轴向灵敏度较高，同时横向干扰得到有效抑制。

实验结果表明，该传感器在特定频率范围内表现出良好的性能，其轴向灵敏度较高，同时横向干扰得到有效抑制。通过仿真和实验的结合，研究者验证了该传感器在不同工作条件下的稳定性和可靠性。此外，实验还展示了该传感器在实际应用中的表现，如在结构健康监测或地震检测等场景中的适用性。这些实验结果进一步证明了该传感器在低频振动测量中的优势，为未来在相关领域的应用提供了理论支持和实践依据。

研究还指出，该传感器的设计方法基于渐开线梁的力学特性，并进行了详细的分析。通过有限元仿真，研究者评估了该传感器的机械行为，包括其在不同负载和频率下的响应特性。实验验证则进一步确认了该传感器在实际应用中的性能表现，包括其高轴向灵敏度和对横向干扰的抵抗能力。这些分析和实验结果为该传感器的优化设计提供了重要参考，并为后续研究奠定了基础。

在实验过程中，研究者对传感器的性能进行了全面测试，包括其在不同频率范围内的灵敏度变化、横向干扰的抑制效果以及在实际环境中的稳定性。实验结果表明，该传感器在特定频率范围内表现出良好的一致性，其灵敏度波动较小，横向串扰也得到有效控制。此外，实验还验证了该传感器在高温度环境下的工作能力，表明其具有良好的环境适应性。这些实验结果不仅验证了理论模型的正确性，也为该传感器的实际应用提供了有力支持。

研究团队还对传感器的结构进行了优化，以提升其整体性能。通过调整螺旋梁的布局和数量，研究者能够在有限的区域内最大化梁的长度，同时优化横向干扰的抑制能力。这种结构优化使得传感器在保持高灵敏度的同时，也具有较好的横向稳定性，从而提高了其在复杂环境中的测量精度。此外，传感器的材料选择也对性能产生了重要影响，不锈钢和玻璃的组合不仅提供了良好的机械性能，还确保了传感器的紧凑性和低成本。

该研究的创新点在于提出了一种基于广义渐开线模型的螺旋梁结构，从而提升了光纤法布里-珀罗加速度计的轴向灵敏度并降低了横向干扰。与传统结构相比，这种新型设计在保持高灵敏度的同时，还具备更好的横向稳定性，使得传感器在低频振动场景中的应用更加广泛。此外，该传感器的结构简单，便于制造和维护，这为其在实际工程中的推广提供了便利。

该研究的结论表明，本文提出了一种具有螺旋弹性结构的高灵敏度光纤法布里-珀罗加速度计。该传感器的设计方法基于渐开线梁的力学特性，经过了详细分析。通过有限元仿真，研究者评估了该传感器的机械行为，并通过实验验证了其高轴向灵敏度和对横向干扰的抵抗能力。实验结果表明，该传感器在特定频率范围内表现出良好的性能，其轴向灵敏度较高，同时横向干扰得到有效抑制。这种传感器在结构健康监测或地震检测等低频振动场景中展现出良好的应用前景。

研究团队还对传感器的结构进行了深入探讨，包括其在不同工作条件下的表现。通过调整螺旋梁的数量和布局，研究者能够在有限的区域内最大化梁的长度，从而提升传感器的灵敏度。同时，这种优化设计也有效减少了横向干扰，使得传感器在复杂环境中的测量更加精确。此外，该传感器的结构简单，便于制造和维护，这为其在实际工程中的推广提供了便利。

该研究的成果不仅为光纤法布里-珀罗加速度计的设计提供了新的思路，也为相关领域的技术发展做出了贡献。未来，该传感器有望在更多实际应用场景中得到应用，如航空航天、建筑健康监测、地震检测等。此外，随着材料科学和制造技术的进一步发展，该传感器的性能还有可能进一步提升，从而实现更广泛的应用。