光纖加速度傳感器的研究進(jìn)展

摘 要：闡述了光纖加速度傳感器的基本原理，分析了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外基于光纖光學(xué)和光纖光柵所設(shè)計(jì)研究的新型加速度傳感器，研究表明，波長(zhǎng)調(diào)制型光纖加速度傳感器具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器 加速度計(jì) 光纖光柵 波長(zhǎng)調(diào)制

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）02（b）-0090-02

振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苷駝?dòng)傳感器的需求促進(jìn)了加速度傳感器的不斷發(fā)展，從20世紀(jì)60年代末開始研究的微硅技術(shù)到80年代初新興的光纖傳感技術(shù)，人們提出了種類繁多的加速度傳感器結(jié)構(gòu)，而光纖加速度傳感器相比于硅微電子式加速度傳感器來(lái)說(shuō)，高精度、不受電磁干擾、能在惡劣環(huán)境下工作和易于集成等優(yōu)點(diǎn)受到了人們的特別關(guān)注。光纖加速度傳感器可從基本原理上分為光纖光學(xué)式和光纖光柵式加速度傳感器，光纖光學(xué)加速度傳感器的調(diào)制方式可分為光彈效應(yīng)型、光強(qiáng)型[1]、干涉型[2]等，光纖光柵加速度傳感器可分為帶寬調(diào)制型[3]和波長(zhǎng)調(diào)制型[4～5]兩種。

1 光纖光學(xué)加速度傳感器

1.1 強(qiáng)度調(diào)制型

強(qiáng)度調(diào)制型加速度傳感器是指通過(guò)調(diào)制光纖中傳輸光的強(qiáng)度從而達(dá)到測(cè)量加速度的目的，主要包含有透射式、反射式、偏振式等，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、信號(hào)易于解調(diào)、成本相對(duì)低廉，缺點(diǎn)是精度不高。

（1）透射式光纖加速度傳感器。

此類傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是利用光纖本身作為移動(dòng)單元，加速度引起輸出光纖振動(dòng)導(dǎo)致耦合進(jìn)入輸出光纖的光量改變，從接收端檢測(cè)到的光強(qiáng)即可反應(yīng)出加速度值的大小。

（2）反射式光纖加速度傳感器。

此類傳感器在結(jié)構(gòu)上與透射式的不同的地方在于多了一個(gè)反射鏡，光纖與反射鏡均可能作為運(yùn)動(dòng)元件。光纖軸線垂直于反射面安置的稱為正鏡式，光纖軸線不垂直于反射面安置的稱為斜鏡式。

（3）偏振式光纖加速度傳感器。

這類傳感器是利用光纖本身直接感知質(zhì)量塊的慣性而產(chǎn)生偏振態(tài)變化，從而導(dǎo)致輸出光強(qiáng)的變化，藉此測(cè)量加速度。

Tihon Pierre等人于2012年提出的基于光纖雙折射的四種機(jī)械換能結(jié)構(gòu)，分別是對(duì)光纖產(chǎn)生彎曲、擠壓、拉伸和扭轉(zhuǎn)作用的U型鋁梁。當(dāng)偏振光從該結(jié)構(gòu)的單模光纖一端輸入時(shí)，加速度引起光纖的變形從而導(dǎo)致激光偏振態(tài)的改變。從另外一端輸出的偏振光經(jīng)過(guò)檢偏器后通過(guò)光電二極管來(lái)檢測(cè)，不同的加速度大小對(duì)應(yīng)不同的偏振態(tài)，即不同的接收光強(qiáng)[1]。

1.2 相位調(diào)制型

相位調(diào)制型加速度傳感器是指通過(guò)調(diào)制光纖中傳輸光的相位從而達(dá)到測(cè)量加速度的目的，主要包含有Michelson干涉式、Mach-Zehnder干涉式、F-P干涉式等，其優(yōu)點(diǎn)是幾何結(jié)構(gòu)靈活多樣，分辨率、靈敏度等性能指標(biāo)都非常高，研究較為廣泛。

（1）Michelson干涉式光纖加速度傳感器。

F Peng等人于2012年設(shè)計(jì)了一種緊湊型的Michelson干涉型加速度計(jì)，利用了光纖本身的固有優(yōu)勢(shì)，使得傳感器尺寸和重量都可以做的很小，重量塊m用環(huán)氧樹脂粘在了兩根已經(jīng)粘在一起的單模光纖的中間，光纖上下端和周圍用金屬管和固體框架固定住。加速度的變化將會(huì)引起作為干涉儀兩臂的光纖光程差的變化，通過(guò)解調(diào)相位變化即可獲得相應(yīng)的加速度大小 ，這種加速度傳感器的靈敏度和頻率響應(yīng)可以分別做到0.42 rad/g和600 Hz。

（2）M-Z干涉式光纖加速度傳感器。

陳柳華等人于2010年提出了一種基于光柵±1級(jí)干涉和相位載波（PGC）調(diào)制解調(diào)的光學(xué)加速度傳感方案，與傳統(tǒng)的M-Z干涉儀不同，這種結(jié)構(gòu)并不是靠M-Z其中的一個(gè)臂作為傳感臂，而是以激光垂直入射的正弦振幅光柵作為傳感元件。當(dāng)在光柵平面內(nèi)有垂直柵線方向的加速度作用在光柵上時(shí)，光柵產(chǎn)生相應(yīng)位移，繼而引起PD 端干涉相位差的改變。M-Z的其中一臂通過(guò)PZT生成載波以提高相位解調(diào)精度，實(shí)驗(yàn)得到的系統(tǒng)誤差為[2]。

（3）F-P干涉式光纖加速度傳感器。

QLin等人于2011年提出的一種高分辨率加速度傳感器結(jié)構(gòu)，單模光纖端面鍍半反膜，既做發(fā)射光纖又做接收光纖，固定在V形槽上。光纖端面與固定在0.1 mm厚的不銹鋼環(huán)狀彈簧網(wǎng)中心0.8 mm厚的質(zhì)量塊上的硅微反射鏡形成一個(gè)F-P諧振腔。在V形槽與光纖固定支架之間裝有一個(gè)PZT，通過(guò)施加音頻信號(hào)對(duì)腔長(zhǎng)生成相位載波（PGC）調(diào)制，腔長(zhǎng)的變化與光纖軸向方向的加速度大小成線性關(guān)系。該結(jié)構(gòu)的靈敏度為36dB每1 rad/g，諧振頻率為160 Hz，橫向靈敏度-1.8dB每1 rad/g[3]。

2 光纖光柵加速度傳感器

2.1 寬帶調(diào)制型

寬帶調(diào)制型的加速度傳感器實(shí)際上也是對(duì)光柵波長(zhǎng)的調(diào)制，不同的是對(duì)光柵進(jìn)行啁啾調(diào)諧，通過(guò)檢測(cè)帶寬的變化以實(shí)現(xiàn)溫度不敏感型加速度傳感的目的。W·J Zhou等人于2010年提出了一種基于FBG啁啾應(yīng)變調(diào)諧的光纖加速度傳感器。30 mm長(zhǎng)度的FBG斜粘在一個(gè)長(zhǎng)度為165 mm，底部寬度為3 mm，厚度為5 mm的直角三角形懸臂梁的側(cè)面，橫梁端部裝有一個(gè)重約100 g的質(zhì)量塊，此時(shí)光柵與懸臂梁的中性層所成的角度為9.6°。加速度的變化會(huì)引起光柵啁啾量的變化，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光柵反射譜的帶寬與加速度大小成線性關(guān)系，且靈敏度可以達(dá)到0.679 nm/g[4]。

2.2 波長(zhǎng)調(diào)制型

光纖Bragg光柵技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的最迅速的光纖傳感技術(shù)之一，因其制作成本相對(duì)低廉、抗電磁干擾能力強(qiáng)、解調(diào)方便、易于集成和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)成為了研究的熱點(diǎn)。波長(zhǎng)調(diào)制型的光纖加速度傳感器，從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)還可以分為彈性梁式、兩點(diǎn)固定式、環(huán)式等。

（1）彈性梁式光纖加速度傳感器。

基于彈性梁的光纖加速度傳感器是研究的較為廣泛的一種結(jié)構(gòu)，它的基本原理是將FBG粘貼于彈性梁的表面，加速度引起彈性梁的彎曲導(dǎo)致光柵的拉伸與壓縮，從而引起B(yǎng)ragg波長(zhǎng)的變化，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著無(wú)法同時(shí)得到較高靈敏度和諧振頻率的不足[5]。

（2）兩點(diǎn)固定式光纖加速度傳感器。

這類傳感器的特點(diǎn)是僅將預(yù)拉伸過(guò)的光纖光柵的兩端固定，其中一端固定在殼體上，另外一端固定在可沿光纖軸向運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊上。加速度引起質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)，拉伸或者壓縮光柵引起波長(zhǎng)的變化，以實(shí)現(xiàn)加速度傳感。相比于彈性梁結(jié)構(gòu)，這種傳感器的優(yōu)勢(shì)在于一是光柵部分不粘膠水，避免了膠水的蠕變效應(yīng)帶來(lái)的影響，二是光柵是在軸向上的拉伸或壓縮，不會(huì)引起光柵的啁啾，減小了反射譜解調(diào)帶所來(lái)誤差。

（3）環(huán)式光纖加速度傳感器。

這類傳感器的特點(diǎn)是利用環(huán)形結(jié)構(gòu)作為彈性載體，J Shao等人于2011年提出了一種四梁環(huán)式結(jié)構(gòu)，光柵粘貼于圓環(huán)的表面，當(dāng)質(zhì)量塊受加速度影響在豎直方向產(chǎn)生位移時(shí)，圓環(huán)被壓縮或者拉伸，光柵的波長(zhǎng)也因此變化且與質(zhì)量塊的位移量成線性關(guān)系。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)改變圓環(huán)的尺寸和彈性模量，在響應(yīng)帶寬不變的情況下提高傳感器靈敏度。

3 光纖加速度傳感器的應(yīng)用

光纖加速度傳感器經(jīng)過(guò)十幾年的研究，得到了快速的發(fā)展，在社會(huì)生產(chǎn)各領(lǐng)域尤其是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面具有非常重要的應(yīng)用，PF da Costa Antunes[6]，A Vallan[7]等人分別提出了光纖加速度傳感器在基礎(chǔ)設(shè)施、大型結(jié)構(gòu)等建筑的振動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。本文分類介紹了光纖加速度傳感器的工作原理及近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)光纖傳感器的種類越來(lái)越豐富，實(shí)用性越來(lái)越強(qiáng)，尤其是基于波長(zhǎng)解調(diào)的光纖光柵加速度傳感器由于其較大的優(yōu)勢(shì)和相對(duì)低廉的工程成本，在工業(yè)和民用領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]Pierre Tihon，Nicolas Linze，et al. Design of a mechanical transducer for an optical fiber accelerometer based on polarization variation[J].Optical Sensing and Detection II，2012，84390M：1-9.

[2]陳柳華，林巧，李書，等.基于光柵平移的大量程光學(xué)加速度計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（5）：1473-1477.

[3]Lin Q， Chen L.H，et al.A high-resolution fiber optic accelerometer based on intracavity phase-generated carrier （PGC） modulation[J].Measurement Science and Technology，2011，22 015303：1-6.

[4]Zhou W.J， Dong X.Y， et al.Temperature-insensitive accelerometer based on a strain-chirped FBG[J].Sensors and Actuators A，2010，157：15-18.

[5]N. Basumallick，I.Chatterjee，et al. Fiber Bragg grating accelerometer with enhanced sensitivity[J]. Sensors and Actuators A，2012，173：108-115.

[6]PF da Costa Antunes，et al.Optical Fiber Accelerometer System for Structural Dynamic Monitoring [J].IEEE Sensors Journal，2009，9（11）：1347-1353.

[7]A Vallan，et al.Displacement and Acceleration Measurements in Vibration Tests Using a Fiber Optic Sensor[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2010，59（5）：1389-1396.