基于弧形桥联臂结构的光纤法珀加速度传感器研究.pdf

摘要

光纤法珀加速度传感器基于光纤传感技术，通过光纤中光信号的变化检测物

体的运动状态，由于其具有结构简单紧凑，灵敏度高，受外界干扰较小等优点，

已经被广泛应用在科学研究、地震监测、健康监测、航空航天等多个领域。本文

针对工程检测领域中高灵敏度、横向抗干扰的加速度测量需求，研究新型结构的

光纤法珀加速度传感器。

本文根据法珀干涉原理和传感原理设计并制作了两种基于弧形桥联臂结构

的光纤法珀加速度传感器。传感器的敏感元件由弹性膜片和质量块组成，质量块

对称固定在弹性膜片的两侧中心。光纤与敏感元件同轴对准，入射光在光纤端面

和质量块的抛光表面发生反射，形成法珀干涉仪。利用有限元分析软件对传感器

的性能参数进行理论仿真，之后通过实验测试系统对两种传感器的性能进行分析

和验证。

本论文的主要研究成果如下：

1.6

设计了一种单级弧形桥联臂结构光纤法珀加速度传感器，该结构由个

弧形臂沿同一圆周方向等间隔分布组成。在弹性膜片的有限区域内弧形臂结构的

设计能够有效增加臂长，从而使得膜片受到加速度作用时的形变增大，提高传感

器的灵敏度。实验研究结果表明，单级弧形桥联臂结构光纤法珀加速度传感器的

轴向灵敏度为4.76μm/g，固有频率为225Hz，交叉灵敏度为3.13%，温度灵敏

度为212.8nm/℃。

2.为了在提高传感器灵敏度的同时减少横轴方向的加速度交叉干扰，在单

级弧形桥联臂结构的基础上设计了一种双级弧形桥联臂结构光纤法珀加速度传

感器。该结构的弧形臂分成两组，分别分布在弹性膜片的内圈和外圈，两组弧形

臂数目相同，旋转方向不同。这种设计可以在延长臂长的同时增加膜片的横向刚

度，使质量块在交叉干扰下不易发生倾斜。对传感器的性能进行仿真分析和实验

验证，结果表明传感器的固有频率为164Hz，轴向灵敏度为9.07μm/g，交叉灵

敏度为0.65%，温度灵敏度为130.5nm/℃。

实验结果表明设计的两种加速度传感器具有高灵敏度和高横向抗干扰能力

的同时也有成本低、结构简单、制作方便、重复性好等优点，适用于工程检测领

域的加速度测量。

关键词：加速度传感器，法珀干涉仪，弧形臂，交叉干扰

Abstract

Basedontheopticalfibersensingtechnology,thefiber-opticFabry-Perot(F-P)

accelerationsensordetectsthemotionstateoftheobjectthroughthechangeofthe

opticalsignalintheopticalfiber.Duetotheadvantagesofsimpleandcompact

structure,highsensitivityandlessinterferencefromoutside,thesensorhasbeen

widelyusedinscientificresearch,earthquakemonitoring,healthmonitoring,

aerospaceandotherfields.Inordertomeettheneedofhighsensitivityandlateral

anti-interferenceaccelerationmeasurementinthefieldofengineeringdetection,the

fiber-opticF-Paccelerationsensorbasedonnewstructureisstudiedinthisthesis.

AccordingtoF-Pinterferencetheoryandsensingprinciple,twokindsof

fiber-opticF-Paccelerationsensorsbasedoncascaded-curvedbeamsstructureare

designedandfabricatedinthisthesis.Thesens