基于MEMS四臂弯曲梁膜片的光纤法珀加速度传感器设计与光谱相位解调研究

为解决传统加速度传感器在宽频带、高灵敏度与稳定性难以兼顾的问题，研究人员提出一种基于MEMS四臂弯曲梁膜片结构的光纤法珀(Fabry-Perot, FP)加速度传感器，结合光谱相位解调算法，实现了6624 Hz固有频率、12.397 nm/g灵敏度及±287 g测量范围。该传感器在航空航天、土木工程等领域展现出高动态响应与稳定性优势。

　　

振动信号监测是航空航天、土木工程等领域评估系统状态的关键手段，但传统电学加速度传感器易受电磁干扰，且难以兼顾宽频带与高灵敏度。光纤加速度传感器(FOAs)因其抗干扰、高分辨率等优势成为研究热点，但现有基于光纤光栅或干涉仪的设计存在结构复杂、频带窄等问题。尤其金属加工的传感器体积大、稳定性差，限制了其在微型化场景的应用。此外，信号解调技术中强度解调易受环境扰动，而相位解调虽精度高却面临动态范围限制。

为解决上述问题，研究人员设计了一种基于MEMS工艺的光纤法珀(Fabry-Perot Interferometer, FPI)加速度传感器。该传感器采用四臂弯曲梁膜片结构，通过有限元仿真优化参数，结合陶瓷封装实现小型化。光谱相位解调算法被用于提升解调精度与动态范围。实验表明，该传感器固有频率达6624 Hz，200 Hz下轴向灵敏度为12.397 nm/g，横向串扰仅6.91%，工作频带覆盖0–2000 Hz，分辨率14.358 mg，测量范围±287 g。

关键技术包括：1) MEMS四臂弯曲梁膜片结构设计，通过COMSOL多物理场仿真优化参数；2) 陶瓷支架微型化封装技术；3) 基于现场可编程门阵列(FPGA)的光谱相位解调算法，结合超辐射发光二极管(SLED)光源与光谱模块采集干涉信号。

Principle of sensing by FP
传感器由弹性膜片、质量块和陶瓷支架等构成，膜片变形改变法珀腔长，通过相位信号变化反演加速度。四臂弯曲梁结构通过有限元优化，实现宽频带与高灵敏度平衡。

Experimental setup and demodulation
采用SLED光源激发1525–1570 nm宽带光，FPI信号经光谱模块采集后由FPGA处理。实验系统包含信号发生器、压电陶瓷(PZT)等组件，验证解调性能。

Demodulation performance test
对PZT驱动的FP腔进行1–10 kHz正弦激励测试，光谱相位算法在10 kHz下仍保持0.027 nm分辨率，动态应变解调误差低于0.5%。

Conclusion
该研究通过MEMS膜片结构创新与光谱相位解调技术，实现了高稳定性、宽动态范围的加速度测量，为航空航天、地震监测等场景提供了新解决方案。

研究意义在于：1) 四臂弯曲梁设计突破传统金属膜片频带限制；2) 陶瓷封装提升环境适应性；3) 光谱相位算法兼顾高分辨率与大动态范围。作者Zhuang Changquan等指出，该传感器在复杂环境下的长期稳定性仍需进一步验证，未来可通过材料优化进一步提升性能。