《Measurement》：A high-sensitivity fiber-optic accelerometer with dual-diaphragm structure
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•提出了一种采用双膜结构的光纤加速度计（FOA），具有较高的灵敏度。•通过有限元分析，研究了灵敏度和应变变化模式。•在相同的光纤长度下，其灵敏度是单膜结构的168.72%。•这种结构在保持与单膜参考结构接近的共振频率的同时，提高了灵敏度。引言光纤加速度计（FOA）相比传统的机电加
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提出了一种采用双膜结构的光纤加速度计（FOA），具有较高的灵敏度。
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通过有限元分析，研究了灵敏度和应变变化模式。
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在相同的光纤长度下，其灵敏度是单膜结构的168.72%。
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这种结构在保持与单膜参考结构接近的共振频率的同时，提高了灵敏度。
引言
光纤加速度计（FOA）相比传统的机电加速度计具有明显的优势，包括抗电磁干扰能力强、远距离信号传输性能优越、分布式传感能力以及出色的适应恶劣环境的能力[[1], [2], [3]]。这些优点使FOA在石油和天然气勘探、地震监测、导航系统和水声定位等领域得到了广泛应用[[4], [5], [6], [7]]。现有的FOA主要分为波长调制型和干涉型两种配置[[8], [9], [10]]。与波长调制型FOA相比，干涉型FOA具有更高的灵敏度和更宽的检测范围[11,12]。干涉型FOA通常由三个核心组件组成：传感探头、干涉光学路径和解调电路。在传感探头中，自引入以来，芯轴和膜结构经历了广泛的开发，目前代表了两种主流的设计。与传统柱状结构[13]相比，膜结构[14]具有更好的方向性、抗声噪声能力和微型化潜力，从而进一步扩展了应用前景。然而，从灵敏度的角度来看，膜结构存在不足，因为灵敏度是FOA的一个关键性能指标，它决定了传感探头能够检测到的最小信号强度。因此，提高膜结构探头的灵敏度已成为研究的重点。膜结构传感探头的设计通常是通过将传感光纤线圈粘贴在弹性膜上来实现的。在外部加速度激励下，弹性膜会发生变形并产生相应的应变，这会引起输出干涉信号相位的变化[15]。因此，传感探头的灵敏度与光纤线圈的应变密切相关，这也激发了人们对这类线圈应变特性的广泛研究。
对于单圈传感光纤线圈，其轴向应变可以近似为弹性膜上的表面应变。然而，对于多层多圈光纤线圈（MTFC），它们对膜结构的机械影响就不能忽视了。Wang等人[16]计算了弹性膜在不同振动位置下的位移变化，从而确定了膜表面的应变分布。除了理论计算外，有限元分析（FEA）也被广泛用于分析复杂探头结构上的膜表面应变分布[[17], [18], [19]]。Tian等人[20]建立了FEA仿真模型，并通过比较分析FOA的灵敏度来评估膜表面应变分布，结果表明优化传感光纤线圈的内外半径可以进一步提高膜结构传感探头的灵敏度。Mo等人[21]将FEA与高精度光频域反射测量（OFDR）结合起来，研究了光纤线圈的应变分布特性。通过优化现有结构，他们提出了一种由超细直径光纤制成的MTFC，从而将传感探头的灵敏度提高了约150%。
然而，现有的膜结构传感探头通常使用单个MTFC粘贴在弹性膜上。MTFC的相位偏移与光纤长度的变化成正比。随着MTFC中传感光纤总长度的增加（无论是通过增加圈数还是层数），MTFC的结构刚性也会增加，从而降低了单位长度上的光纤应变。当圈数超过一定临界值后，传感探头的灵敏度会随着圈数的增加而降低，这就限制了通过这种方法提高灵敏度的效果。增加MTFC的层数对提高灵敏度的效果越来越不明显，而且层数还受到传感探头外壳尺寸的限制。此外，现有的推拉式结构传感探头将两个MTFC分别粘贴在单个弹性膜的上表面和下表面。虽然这种设计避免了增加MTFC层数或圈数的限制，但在同一弹性膜上添加第二个MTFC会增加整个系统的刚性，从而降低每个MTFC在振动时的应变[21]。
本研究利用FEA分析了MTFC层数和圈数增加时内部应变和灵敏度的变化趋势。进一步比较了总光纤长度相同的单MTFC和双MTFC配置的灵敏度，并对比了双膜结构和推拉式结构的灵敏度性能。具体来说，5米和10米长度的单膜结构灵敏度分别为29.78 rad/g和37.28 rad/g，双膜结构为59.07 rad/g，推拉式结构为46.59 rad/g。为了实验验证FEA仿真结果，还制造了基于超弱光纤布拉格光栅（UWFBG）的双膜结构传感探头，以及具有相同光纤长度的推拉式和单膜传感探头。实验结果与FEA预测高度一致。
章节片段
传感探头结构
图1(a)展示了提出的双膜结构传感探头与环形质量块的集成方案。铝合金外壳包裹着对振动敏感的组件。该组件包含两个惯性增强元件，每个元件由一个质量块、一个MTFC和一个铍青铜膜组成。质量块居中固定在膜上，MTFC通过UV粘合剂粘贴在其表面。这两个元件通过铝合金连接器连接在一起。
MTFC参数的FEA分析
由于弹性膜型传感探头的轴对称结构，在COMSOL Multiphysics仿真软件中建立了二维（2D）轴对称模型。图2展示了膜传感探头的惯性增强元件。为了展示增加单个MTFC光纤长度对灵敏度提升的局限性，本研究首先对单个惯性增强元件进行了仿真分析。z轴代表中心
实验设置
传感探头的参数是根据上述仿真结果确定的。通过构建如图8[27]所示的基于IQ检测的φ-OTDR解调系统，评估了四种不同结构的探头性能。
在本研究中，环境温度和湿度符合标准光电实验室的条件，温度保持恒定在25°C，湿度控制在40%到60%之间。传感探头被固定
结论
本研究提出了一种通过将UWFBG阵列与双膜结构集成来提高FOA灵敏度的方案。所提出的设计在没有增加总光纤长度的情况下显著提高了灵敏度。FEA结果证实，与传统的单膜设计相比，双膜结构在扩展光纤长度的情况下提供了更好的灵敏度提升。后续的实验测量验证了该方案的有效性
CRediT作者贡献声明
陈玉晓：写作——审稿和编辑、撰写初稿、方法论研究、数据分析。汤建国：写作——审稿和编辑、资源获取、项目管理。谭正正：方法论研究、概念构思。杨明宏：资源获取、项目管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本工作得到了国家海洋技术与安全重点实验室（SKL202404）、武汉理工大学以及中央高校基本科研业务费（104972026YJS0011）的支持。
陈玉晓|汤建国|谭正正|杨明宏
