基于多芯光纤布拉格光栅的二维矢量加速度计研究

主要作者及发表信息

本研究由香港理工大学光子学研究中心（Photonics Research Centre）的Jingxian Cui、Zhengyong Liu、Dinusha Serandi Gunawardena、Hwa-Yaw Tam以及同校电子与信息工程学系的Zhiyong Zhao共同完成。通讯作者为Zhengyong Liu。该研究成果于2019年7月11日发表在《Optics Express》期刊第27卷第15期，文献编号为20848，并依据美国光学学会（OSA）开放获取出版协议条款进行发表。

研究背景与目的

加速度计（accelerometers），亦称振动传感器，在地震勘探、导航系统、工业及健康监测等众多领域中具有广泛的应用价值。不同应用场景对加速度计的性能要求各异，例如，地震波检测要求传感器对低频振动（低于100赫兹）具备高灵敏度，而旋转机械与航空发动机等设备则需对高频振动敏感。除频率响应特性外，振动方向（orientation）信息的获取是振动测量系统中的另一项关键需求，例如在悬臂微线（cantilevered microwire）的测量中。然而，在机械测量领域，实现一种能够区分矢量方向（vector orientations）的加速度传感系统仍是一项极具挑战性的任务。传统解决方案通常采用多个单轴加速度计（single-axis accelerometers）组合以映射振动方向，但这不可避免地增加了系统的复杂程度。

近二十年来，光纤加速度计（fiber-optic accelerometers）因其具备多路复用能力、可进行远距离测量以及抗电磁干扰（immunity to electromagnetic interference）等显著优势，受到了学界的广泛关注。其基本原理是通过检测由惯性质量块（inertial mass）运动引起的应变或位移来实现加速度测量。尽管已有多种基于干涉仪或光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）的单轴及双轴光纤加速度计方案被提出，但它们大多结构复杂，或在二维方向识别上存在局限。近期，能够在360度范围内判别振动方向的光纤二维矢量加速度计（two-dimensional vector accelerometer）成为研究热点，但现有方案大多仅能展示方向依赖性的响应，而无法在随机加速度条件下同时量化加速度的大小和振动的具体方向。

本研究旨在提出并验证一种新型的、基于七芯光纤（seven-core multi-core fiber, MCF）中刻写的光纤布拉格光栅的二维矢量加速度计。该传感器的核心目标是通过监测单根光纤中三个纤芯（包括中心纤芯和两个不在同一直线上的外侧纤芯）的布拉格波长漂移（Bragg wavelength shifts），同步获取振动的方向、加速度以及频率信息，从而克服现有技术中无法在随机振动下同时获取方向与加速度值的难题。

详细研究流程与方法

本研究的实验流程可划分为传感器制备、实验系统搭建、性能表征与数据分析四个主要阶段。

首先，在传感器制备阶段，研究团队选用了一种具有七个纤芯的同质多芯光纤，其纤芯直径约为8微米，包层直径为150微米。为增强光纤的光敏性，该光纤在100巴压力、约80摄氏度温度的氢气环境中进行了为期三天的载氢处理。随后，采用激光束扫描法，利用一台213纳米固态激光器并结合相位掩模板技术，在所有七个纤芯中同步刻写了长度为10毫米的光纤布拉格光栅。刻写完成后，使用熔接机将该七芯光纤与一个七合一扇入扇出器件（fan-out）进行熔接，以便将光信号引入各个独立纤芯。研究中采用了一个波长分辨率为1皮米（pm）的询问器（interrogator）来分析反射光谱。尽管使用了七芯光纤，但基于其几何对称性，仅需利用中心纤芯（命名为Core 1）以及两个特定角度位置的外侧纤芯（Core 2和Core 4，其角位置θ分别为0和2π/3）即可构建完整的加速度计。中心纤芯始终位于应变中性面（strain neutral plane）上，因此其光栅对振动不敏感，专门用于温度补偿。

其次，在实验系统搭建阶段，刻有光栅的七芯光纤被用作传感探头，并固定在一个光纤旋转器（fiber rotator）上，以步进10度、在0至180度范围内精确调控振动方向。光栅末端与旋转器固定点之间的距离被精确控制为2毫米。该加速度计被安装在一个激振器（shaker）的顶部，由正弦信号发生器驱动，以产生频率和幅度可控的振动。系统通过一台最高数据采集速率为2000赫兹的高分辨率询问器，实时记录三个光栅的波长漂移。为了探究传感器性能的可调性，实验设置了三种不同的自由光纤长度（66毫米、45.5毫米和25毫米），并通过修剪光纤末端来改变长度。此外，为验证在保持较高频率下提升灵敏度的可能性，还在自由光纤末端附加了少量胶水作为额外的质量块。

最后，在性能表征与数据分析阶段，实验涵盖了宽范围的测试条件。振动频率从5赫兹变化至160赫兹，加速度值从0.2克（g，1g = 9.8 m/s²）逐步增加至10克。在每一个设定的频率和方向下，团队均记录了不同加速度下的波长漂移数据。数据分析的核心在于利用Core 2和Core 4的最大波长漂移量（δλ₂和δλ₄），结合其已知的角位置，通过一个特定的公式解算出振动方向θ_v。一旦方向被确定，再结合该方向下预先标定的灵敏度曲线，即可从波长漂移量反推出加速度值。同时，通过快速傅里叶变换（FFT）分析波长漂移的时域信号，可以精确地获得振动频率。

主要研究结果与分析

实验结果表明，该二维矢量加速度计成功实现了对振动方向、加速度和频率的同步测量，各项性能指标均得到详细阐明。

在时域响应方面，以自由光纤长度45.5毫米、振动频率40赫兹、方向90度、加速度10克的条件为例，外侧的Core 2和Core 4展现出相反方向的波长漂移。这是因为它们分别处于中性面的两侧，一个受拉伸（红移），另一个受压缩（蓝移）。这一现象与理论模型完全吻合，即应变ε_i与纤芯到中性面的距离d_i成正比。而中心纤芯Core 1的信号幅度仅为0.17皮米/克，几乎可以忽略，有效验证了其温度补偿的作用。FFT频谱分析精准地捕捉到了40赫兹的峰值频率，与激励信号一致。

在频率响应与灵敏度可调性方面，研究揭示了自由光纤长度对共振频率（resonance frequency）和灵敏度的决定性影响。当长度为66毫米时，共振频率为22赫兹，峰值灵敏度高达224.1皮米/克；当长度缩短至45.5毫米和25毫米时，共振频率分别提升至42赫兹和149赫兹，但峰值灵敏度则相应下降至196.9和61.19皮米/克。实验结果与理论共振频率计算值高度吻合。值得注意的是，通过在25毫米光纤末端点胶以增加惯性质量，成功将共振频率调整至68赫兹，同时将峰值灵敏度大幅提升至274.8皮米/克。这一发现证实，通过调整光纤长度和末端质量，可以根据实际应用需求，在灵敏度和工作频率范围之间进行灵活优化。

在方向辨别能力方面，这是本研究的核心价值所在。实验在0至180度范围内，以10度为步长，测量了Core 2和Core 4的灵敏度随方向变化的曲线。两条曲线均呈现出与方向强烈相关的周期性变化，且两者之间存在60度的相位差，这与两个外侧纤芯以中心纤芯为基准的几何夹角完全一致，为矢量测量提供了物理基础。最关键的是，利用公式（5）从波长漂移量重构出的振动方向值与实际设定值高度一致。在30赫兹、45.5毫米光纤长度条件下，对不同加速度（1克至10克）下的方向进行了识别，其方向测量精度（即实际设定值与重构值之差的绝对值）在0.127度至2.888度之间。高加速度下精度略有下降，这可能归因于光纤在强振动下轻微偏离了振动平面，而低加速度下的精度表现更为优异。此外，测量值与理想值之间存在约1.75度的固定偏移，这被归因于初始安装方向（0度）的标定误差，可通过更精确的安装工艺消除。

结论与研究价值

本研究成功论证了一种仅用单根七芯光纤即可实现的新型二维矢量加速度计。该传感器通过监测三个纤芯中的光纤布拉格光栅波长漂移，在无需任何额外传感器的情况下，首次实现了对振动频率、加速度大小以及振动方向三个关键参数的同步、实时测量。其核心科学价值在于，巧妙地利用多芯光纤固有的几何结构与光栅传感原理，建立了方向与波长漂移之间的定量解算模型，从而解决了二维矢量加速度测量中方向与加速度相互耦合、难以分离的难题。

在应用价值层面，该加速度计展现出多项突出优势。首先，其方向测量精度可达0.127度，在0至180度范围内均有效，为需要精确方向信息的工业动态监测提供了理想工具。其次，传感器的共振频率和灵敏度可通过调整光纤长度和末端质量进行灵活定制，使得同一设计框架可适用于从低频地震监测到高频机械振动的不同场景。最后，该传感器结构紧凑、制备工艺相对简单，且天然具备温度自补偿能力，这些特性使其在复杂工业环境下的多参量动态监测中具有巨大的应用潜力。

研究亮点

本研究的首要亮点在于其新颖的传感器设计理念与实现方法。不同于以往仅能表征方向依赖性而无法直接给出角度值的方案，本研究首次利用两根非对称分布的外侧纤芯光栅，通过严格的公式推导，实现了在任意随机加速度条件下对振动方向的精确量化提取。其次，研究在单一传感器上集成了三参量同步测量功能，并验证了其性能的结构可调性，这为传感器的实用化设计提供了明确指南。最后，实验设计严谨，通过对比不同长度的光纤和附加质量块的效果，清晰地揭示了灵敏度与频率带宽之间的权衡关系，并给出了有效的优化策略，这些发现对于后续研究具有重要的参考价值。