低頻振動(dòng)測(cè)量在地震監(jiān)測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)、軌道安全監(jiān)測(cè)和工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域占據(jù)重要地位。目前被廣泛應(yīng)用于低頻振動(dòng)測(cè)量的壓電式、MEMS等電學(xué)加速度傳感器，具有成本低、精度高、技術(shù)較成熟等優(yōu)點(diǎn)，但其容易受到外部電磁干擾、耐腐蝕性能差、布線繁瑣，并且在長(zhǎng)距離傳輸環(huán)境下信號(hào)衰減很快，嚴(yán)重制約其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用?；诠饫w布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）制作的光學(xué)加速度傳感器，具備抗電磁干擾、耐腐蝕性能好、易實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)、低衰減損耗等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜環(huán)境條件下能夠彌補(bǔ)電學(xué)加速度傳感器的缺陷。

針對(duì)現(xiàn)有FBG加速度傳感器低頻振動(dòng)測(cè)量靈敏度度低的問題，中國地震局地球物理研究所滕云田研究員團(tuán)隊(duì)提出一種基于軸承的L形剛性梁與彈簧結(jié)構(gòu)相結(jié)合的FBG加速度傳感器，如圖1所示。當(dāng)外界產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，傳感器整體會(huì)隨振動(dòng)信號(hào)運(yùn)動(dòng)，其加速度在質(zhì)量塊上產(chǎn)生相反的慣性力，質(zhì)量塊隨慣性力上下振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)L形梁繞軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，將質(zhì)量塊振動(dòng)轉(zhuǎn)化為光柵的均勻應(yīng)變，從而影響其反射光的中心波長(zhǎng)。反射光中心波長(zhǎng)的漂移量與質(zhì)量塊的線性位移量成比例，同時(shí)也與加速度成比例，因此測(cè)量反射光中心波長(zhǎng)的漂移量即可獲得加速度大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界振動(dòng)的傳感。將光纖光柵差分粘貼，則可達(dá)到溫度補(bǔ)償作用和增加靈敏度的效果。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)建模

傳感器利用L形剛性梁放大振動(dòng)信號(hào)，通過兩端軸承固定有效抑制橫向串?dāng)_。采用Origin理論分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感器靈敏度和固有頻率的影響，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，利用COMSOL進(jìn)行靜應(yīng)力和模態(tài)仿真分析，最后構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)對(duì)傳感器實(shí)物進(jìn)行性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。結(jié)果表明，加速度傳感器固有頻率為57 Hz，在1-35 Hz的低頻段具有平坦的靈敏度響應(yīng)，動(dòng)態(tài)范圍為89.83 dB，加速度靈敏度達(dá)1241.85 pm/g，線性度為99.97%，在工作頻段內(nèi)橫向串?dāng)_為-26.20 dB。研究成果為提高FBG加速度傳感器的低頻振動(dòng)測(cè)量能力提供了參考。

圖2 傳感器測(cè)試系統(tǒng)

研究成果2022年發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Scientific Reports》（Teng Y, Wang Y, Tang Y, et al. A new L-shaped rigid beam FBG acceleration sensor[J]. Scientific Reports, 2022, 12: 12511.）。研究受國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：2019YFC1509500) 資助。

【作者簡(jiǎn)介】

滕云田，男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事地震觀測(cè)技術(shù)研究，覆蓋儀器研發(fā)、質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究、臺(tái)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)研究和系統(tǒng)集成應(yīng)用。發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇、編著3本、制訂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)2個(gè)，參與編制多個(gè)地震科技發(fā)展規(guī)劃及報(bào)告等。