基于多铰链双光纤布拉格光栅的高灵敏度应变传感器设计与温度补偿研究

为解决现有光纤布拉格光栅（FBG）应变传感器灵敏度低、温度交叉敏感等问题，研究人员提出一种基于集成柔性铰链的双FBG应变传感器。通过理论建模与参数优化，该传感器灵敏度达5.09 pm/με，线性度超99%，温度补偿后灵敏度为0.38 pm/℃，兼具高灵敏度和稳定性，为工程应变监测提供了新思路。

　　

应变监测在土木工程、机械制造、油气勘探等领域至关重要，但传统技术如应变片、振弦传感器等存在长期稳定性差、抗干扰能力弱等缺陷。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）虽具备体积小、抗电磁干扰等优势，但其应变灵敏度不足（普遍低于3.2 pm/με）和温度交叉敏感性长期制约实际应用。例如，Zhang R等设计的柔性铰链传感器灵敏度仅1.89 pm/με，而Liang L的温度补偿方案仍无法完全消除环境影响。

为突破这一瓶颈，中国地震局地球物理研究所等机构的研究团队在《Optical Fiber Technology》发表论文，提出一种基于集成柔性铰链的双FBG应变传感器。该设计通过机械结构创新与双光栅协同测温，实现了灵敏度与温度稳定性的双重提升。研究采用SolidWorks建模与ANSYS仿真优化铰链参数，通过控制变量法确定半径r、厚度w等关键尺寸，最终研制出原型机并构建测试系统验证性能。

结构设计
传感器由双FBG（FBG1用于应变测量，FBG2用于温度补偿）和集成柔性铰链组成。铰链结构通过力臂放大应变，预紧光纤提升响应效率。理论分析表明，铰链半径r与厚度w直接影响灵敏度k，而双光栅布局可解耦应变与温度信号。

参数优化
仿真显示，当r=3 mm、w=1 mm时，铰链最大应力为172 MPa，低于光纤断裂阈值（约500 MPa），同时灵敏度提升至理论峰值。实验采用两点粘接法避免FBG啁啾效应，UV胶固化时间优化为60秒。

性能测试
实测数据表明，传感器应变灵敏度达5.09 pm/με，较现有技术提高62%（对比Yang J的3.2 pm/με）。温度补偿后灵敏度降至0.38 pm/℃，线性度>99%，重复性标准偏差<1.5%。在0-2000 με范围内，迟滞误差仅为0.8%，优于航空领域常用传感器（如Wang D设计的2.5%误差机型）。

该研究通过结构创新与多学科交叉（机械设计与光纤传感），解决了FBG传感器的核心痛点。其高灵敏度特性可应用于桥梁健康监测（如微应变级裂缝检测），而温度自补偿能力适用于油气井下等恶劣环境。论文通讯作者Zhongchao Qiu指出，该设计为同类传感器提供了可扩展的优化范式，后续可通过材料改性（如碳纤维铰链）进一步突破性能极限。研究获国家重点研发计划（2019YFC1509500）等资助，相关技术已申请专利。