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光纤光栅加速度传感器的研究进展

作者：王玺

来源：《科技资讯》2015年第2期

王玺

（厦门大学光波技术研究所福建厦门361005）

摘要：基于光纤布拉格光栅（FBG）的加速度传感器近年来受到较大的关注，这种基于波

长检测的传感器在诸多领域都有良好的应用前景。该文重点对各种不同结构设计的光纤光栅加

速度传感器的技术和特点做了分析，对光纤光栅加速度传感器的未来作了展望。

关键词：光纤布拉格光栅加速度传感器振动测量

中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1672-3791（2015）01（b）-0098-01

①作者简介：王玺：（1988，7—），男，福建福州人，硕士研究生，研究方向：光纤光栅

传感技术。

对加速度的精确测量在工业生产、交通运输、安全监控等领域有着重要的意义，近年来光

纤加速度传感器受到了越来越广泛的关注与研究。其中基于光纤布拉格光栅（FiberBragg

Grating，FBG）的加速度传感器因其光路更简单、波长调制不受光源强度波动影响、便于分布

式测量等特性成为光纤加速度传感领域中最具发展前景的研究方向之一。该文综合介绍了近年

来光纤光栅加速度传感器的几种常见分类和必威体育精装版研究成果，对该领域的发展前景做出了展望。

1梁式结构

悬臂梁以其结构简单、性能稳定、适合测量低频振动等特点成为光纤光栅传感器的经典弹

性元件。2009年Antunes等将光纤光栅作为等效弹簧连接在L形悬臂梁与弹簧钢板之间，制成

的传感器谐振频率在45Hz，与电子式传感器相比均方根误差仅为2.53×10-5G，适用于微小振

动的测量。2013年徐刚等设计了一种双FBG对称式的高频光纤光栅加速度传感器，并提出一种

基于比值法的匹配FBG解调方法。实验结果表明该传感器谐振频率为900Hz，工作频段在0～

500Hz左右，灵敏度为88mv/g，加速度测量范围大于8g。2014年ZhangXiaolei等提出了

一种新颖的双半孔梁结构的加速度传感器。光栅只有两端固定，可以有效避免因非均匀应变而

产生的啁啾现象。并且可以消除温度变化的影响，抑制横向加速度的干扰并使灵敏度加倍。该

传感器在0～25Hz的工作频率下可以达到1296pm/g的灵敏度，在低频振动下的结构健康监测

中有着较好的应用前景。

2竖直式结构

由于悬臂梁式结构特性将其测量范围限制在低频区域，其频率响应范围和灵敏度等指标一

直无法高频振动测量要求。而竖直式结构的研究和发展，使光纤光栅加速度传感器逐渐向高频

领域迈进。2009年ZhangWentao等设计了一种单柱体结构加速度传感器，主要特点是采用了

两个弹性隔板来增加变形量，减小横向干扰，该设计可达到30pm/g的灵敏度和5～200Hz的

工作频率。2012年Liu等设计了一种单膜片式的加速度传感器，工作频率在10～200Hz，灵敏

度可达36.6pm/g。2014年他们又提出了改进的方案，通过将膜片增加为两层，把工作频率范

围扩展至50～800Hz，同时灵敏度也提升至45.9pm/g。

3扭转式结构

2013年张毅翔等提出了一种新型的加速度传感器，针对梁式结构测量精确度不高，线性度

不好的缺点，选择了扭转轴作为弹性元件，并用差动式结构解决传感器的温度补偿问题，提高

了光纤光栅传感器的线性度和稳定性，经实验测试在80Hz的频率下可以达到33pm/g的灵敏

度。其独特的结构设计为FBG加速度传感器的发展研究提供了一种新颖的思路。

4多维测量传感器

在航空航天、水下目标监测、地震波监测等诸多应用领域都需要测量多维的振动加速度信

息，因此对于能够实现多维加速度测量的光纤光栅加速度传感器是今后的一大重点研究方向。

2002年Morikawa等设计了一种中心悬挂型三分量加速度传感器，将6根FBG直接作为弹性元

件正交放置，质量块悬挂于元件几何中心，该结构可以测量50～100Hz的三维振动。2012年

郭永兴等提出一种基于“钢管-质量块”弹性结构体的FBG二维加速度传感器。该设计通过处于

钢管表面圆周方向呈90°分布的四根光栅的波长变化来测量加速度，该传感器的灵敏度为8.6

pm/g，加速度测量范围为1.5～7.6g，具有较强的抗干扰能力。

5结语

随着振动测试领域的不断发展，