摘 要：闡述了光纖加速度傳感器的基本原理，分析了近年來國內(nèi)外基于光纖光學和光纖光柵所設(shè)計研究的新型加速度傳感器，研究表明，波長調(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 光纖光柵 波長調(diào)制

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（b）-0090-02

振動檢測領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苷駝觽鞲衅鞯男枨蟠龠M了加速度傳感器的不斷發(fā)展，從20世紀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說，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式和光纖光柵式加速度傳感器，光纖光學加速度傳感器的調(diào)制方式可分為光彈效應(yīng)型、光強型[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]和波長調(diào)制型[4～5]兩種。

1 光纖光學加速度傳感器

1.1 強度調(diào)制型

強度調(diào)制型加速度傳感器是指通過調(diào)制光纖中傳輸光的強度從而達到測量加速度的目的，主要包含有透射式、反射式、偏振式等，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較為簡單、信號易于解調(diào)、成本相對低廉，缺點是精度不高。

（1）透射式光纖加速度傳感器。

此類傳感器的結(jié)構(gòu)特點是利用光纖本身作為移動單元，加速度引起輸出光纖振動導致耦合進入輸出光纖的光量改變，從接收端檢測到的光強即可反應(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反射鏡，光纖與反射鏡均可能作為運動元件。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，從而導致輸出光強的變化，藉此測量加速度。

Tihon Pierre等人于2012年提出的基于光纖雙折射的四種機械換能結(jié)構(gòu)，分別是對光纖產(chǎn)生彎曲、擠壓、拉伸和扭轉(zhuǎn)作用的U型鋁梁。當偏振光從該結(jié)構(gòu)的單模光纖一端輸入時，加速度引起光纖的變形從而導致激光偏振態(tài)的改變。從另外一端輸出的偏振光經(jīng)過檢偏器后通過光電二極管來檢測，不同的加速度大小對應(yīng)不同的偏振態(tài)，即不同的接收光強[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調(diào)制光纖中傳輸光的相位從而達到測量加速度的目的，主要包含有Michelson干涉式、Mach-Zehnder干涉式、F-P干涉式等，其優(yōu)點是幾何結(jié)構(gòu)靈活多樣，分辨率、靈敏度等性能指標都非常高，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)計了一種緊湊型的Michelson干涉型加速度計，利用了光纖本身的固有優(yōu)勢，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。加速度的變化將會引起作為干涉儀兩臂的光纖光程差的變化，通過解調(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級干涉和相位載波（PGC）調(diào)制解調(diào)的光學加速度傳感方案，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，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PZT生成載波以提高相位解調(diào)精度，實驗得到的系統(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F-P諧振腔。在V形槽與光纖固定支架之間裝有一個PZT，通過施加音頻信號對腔長生成相位載波（PGC）調(diào)制，腔長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際上也是對光柵波長的調(diào)制，不同的是對光柵進行啁啾調(diào)諧，通過檢測帶寬的變化以實現(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長度的FBG斜粘在一個長度為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，橫梁端部裝有一個重約100 g的質(zhì)量塊，此時光柵與懸臂梁的中性層所成的角度為9.6°。加速度的變化會引起光柵啁啾量的變化，實驗發(fā)現(xiàn)光柵反射譜的帶寬與加速度大小成線性關(guān)系，且靈敏度可以達到0.679 nm/g[4]。

2.2 波長調(diào)制型

光纖Bragg光柵技術(shù)是近年來發(fā)展的最迅速的光纖傳感技術(shù)之一，因其制作成本相對低廉、抗電磁干擾能力強、解調(diào)方便、易于集成和實現(xiàn)遠距離信號傳輸?shù)葍?yōu)勢成為了研究的熱點。波長調(diào)制型的光纖加速度傳感器，從結(jié)構(gòu)上來說還可以分為彈性梁式、兩點固定式、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致光柵的拉伸與壓縮，從而引起B(yǎng)ragg波長的變化，其具有結(jié)構(gòu)簡單，重復性好等優(yōu)點，但也存在著無法同時得到較高靈敏度和諧振頻率的不足[5]。

（2）兩點固定式光纖加速度傳感器。

這類傳感器的特點是僅將預(yù)拉伸過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動的質(zhì)量塊上。加速度引起質(zhì)量塊的運動，拉伸或者壓縮光柵引起波長的變化，以實現(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)帶來的影響，二是光柵是在軸向上的拉伸或壓縮，不會引起光柵的啁啾，減小了反射譜解調(diào)帶所來誤差。

（3）環(huán)式光纖加速度傳感器。

這類傳感器的特點是利用環(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，當質(zhì)量塊受加速度影響在豎直方向產(chǎn)生位移時，圓環(huán)被壓縮或者拉伸，光柵的波長也因此變化且與質(zhì)量塊的位移量成線性關(guān)系。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以通過改變圓環(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)過十幾年的研究，得到了快速的發(fā)展，在社會生產(chǎn)各領(lǐng)域尤其是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測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)等建筑的振動監(jiān)測領(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國內(nèi)外的研究進展，發(fā)現(xiàn)光纖傳感器的種類越來越豐富，實用性越來越強，尤其是基于波長解調(diào)的光纖光柵加速度傳感器由于其較大的優(yōu)勢和相對低廉的工程成本，在工業(yè)和民用領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。

參考文獻

[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加速度計[J].光學學報，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.