1.研究背景与意义

  振动是自然界最普遍的现象之一，通过拾取物体不同部位的振动信号，有助于我们探究振动在结构中传递、转换的规律，实现对机电设备状态监测、故障诊断和性能评。传统压电式、电涡流式、电感式和电容式振动传感器易受电磁干扰且信号远距离传输衰减严重，难以满足恶劣环境下长期监测需求。光纤光栅振动传感器凭借其高灵敏度、轻量化、强抗电磁干扰能力、耐腐蚀性、远距离传输损耗小及多点分布式测量等优势，在航空航天、机械工程、石油化工、地震监测、土木工程及桥梁健康监测等领域获得广泛应用。

  针对机电设备、航空航天等领域对FBG振动传感器微型化、高灵敏度、宽工作频段和多轴振动监测的技术需求，需要对 FBG 振动传感器的轻小型化技术进行研究。

2.传感器设计与仿真

2.1结构设计

  三轴FBG振动传感器的体积为20mm20mm20mm，主要由外壳、顶盖、V型柔性铰链质量块和超短细径光纤光栅组成，传感器的结构示意图如图1所示。V型铰链弹性体结构采用一体化镂空设计，选用密度大、高耐腐蚀性的钼材料，利用机加工技术加工，可有效降低传感器的固有频率，从而提升灵敏度；同时，双支撑梁结构增强了横向抗干扰能力，确保测量稳定性。V型柔性铰链弹性体通过螺钉连接到外壳上，采用模块化正交组合的方式进行安装，有利于提高装配效率、空间利用率和产品批量化生产。外壳与上顶盖采用316L不锈钢材料，通过3D打印技术实现逐层累积成形。该工艺突破传统加工对复杂拓扑结构（如内部镂空）的制造限制，显著提升零部件的综合力学性能与功能集成度。

（a）单个弹性体；（b）装配图 图1 基于V型铰链的三轴FBG振动传感器结构示意图。

  当FBG振动传感器受外界激励产生振动时，其V型铰链弹性体结构设计可利用惯性效应增强结构柔度。该结构基于V型柔性铰链的杠杆原理，能够将振动位移高效放大并转化为FBG的轴向拉伸应变，从而使应变更有效地传递至FBG。此过程将振动信息编码于光栅布拉格波长中，最终实现对振动的测量。

2.2仿真分析

  FBG振动传感器结构尺寸优化的目标是在有限的封装尺寸下，尽可能获得高的灵敏度和谐振频率。为实现0~1000Hz平坦响应频带内高灵敏度的设计目标，传感器采用SolidWorks与ANSYS联合仿真方法，通过三维建模与有限元分析的动态交互加速结构参数优化进程，最终确定的关键结构和光纤参数如表1所示。

表1 光纤与传感器主要结构参数

表2 传感器材料特性

  为了深入研究V型柔性铰链中高频FBG传感器的动态响应特性，依据表1、表2所列的尺寸参数，采用SolidWorks软件构建传感器实体模型，并将装配模型导入ANSYSWorkbench仿真平台进行模态仿真分析，获得其一阶固有频率为1699.6Hz。完成模态分析后，将光纤等效为轴向弹簧，对其进行谐响应分析。在传感器工作方向上施加1g（1g=10m/s²）的重力加速度激励，激励频率范围为0~ 3000Hz，步长设置为10Hz。对等效弹簧与弹性体质量块连接端点进行谐响应分析，得到该接触端的振幅变化量（即光纤的轴向形变量），传感器的灵敏度可以通过振幅变化量求得。由图2（b）的谐响应分析结果可知，该传感器的谐振峰位于1699.6Hz，且在0~1000Hz频带范围内响应曲线较为平缓，能够满足中高频振动的监测的需求。

（a）模态图；（b）谐响应仿真分析图 图2 传感器结构仿真图。

3.封装与测试

  三轴FBG振动传感器采用两点式涂胶封装工艺方法，既可以保护光纤光栅免受外界环境干扰，又确保封装过程中光纤栅区位置的准确性；通过施加预紧力可有效提高传感器的灵敏度和稳定性。

  将传感器金属结构固定在三轴位移平台上，利用光纤夹具将光纤光栅两端固定，利用三轴位移平台进行调整，将光纤光栅调整至V型柔性铰链弹性结构与外壳的间隙区域，然后通过旋转微分头对光纤施加一定的预紧力使光纤光栅的中心波长向长波长偏移1~ 1.5nm，可显著提高传感器的灵敏度。采用耐温范围广（-60~150℃）、固化速度快、粘接力强的胶粘剂（DG-3S）对光纤进行涂胶固定。采用热风枪（TTEN 858D）设置温度为80℃进行加热固化。FBG振动传感器的封装流程如图3所示，该图清晰呈现了传感器装配、光纤光栅的反射光谱实时监测、光纤涂胶及传感器封装的过程。

图3 FBG振动传感器封装实物图

  三轴FBG振动传感器封装制备完成后，对传感器的幅频特性、灵敏度响应、轴向交叉干扰敏感性、冲击响应等性能进行测试。FBG振动传感器通过502胶固定在振动台上，通过光纤跳线将传感器信号引入到光纤光栅解调仪，解调仪分别对各个通道FBG波长变化信号进行解调与分析，最后将解调仪与计算机连接实现了对振动信号的实时监测和存储。传感器性能标定实验在恒定25℃的室温实验室环境下进行，可忽略温度对FBG振动传感器测试结果的影响。

3.1幅频响应特性

  FBG振动传感器幅频特性反映动态响应，输出信号的幅度随输入振动频率变化，曲线能直观看出传感器的谐振频率和工作频率范围。将传感器分别按X轴、Y轴和Z轴的方向分别固定在激励台上，激励台的加速度设置为1g的正弦激励，激励频率在20~2500Hz范围内变化。随着激励台的频率不断增大，FBG的波长漂移量会先在一定范围内以微小幅度增大，继而再大幅增加，当波长漂移量出现最大值时，即可确定为传感器的谐振频率。图4分别为三轴FBG振动传感器在X轴、Y轴和Z轴方向的幅频特性曲线，传感器X轴、Y轴和Z轴方向谐振频率的实验测试值分别为1500Hz、1520Hz、1470Hz。

图4 三轴FBG振动传感器的幅频响应曲线

  三轴振动传感器X轴、Y轴和Z轴的谐振频率具有较高的一致性，平坦的频率范围为20~1000Hz，表明三轴FBG振动传感器满足中高频多轴振动测量需求。

3.2灵敏度响应特性

  FBG振动传感器的灵敏度是测量轴方向光纤光栅中心波长漂移量与加速度振幅的比值，传感器灵敏度越高则对微小振动信号检测能力越强。将三轴FBG振动传感器固定在振动测试台上，使得测量轴方向与激励台振动的方向一致，设定激振频率为100Hz的正弦激励，依次设定激励加速度为0.1g、0.25 g、 0.5g、0.75g、1g、1.25g、1.5g、2g，分别采集传感器X轴、Y轴、Z轴三个方向在不同加速度激励下的波长变化。以Z轴方向为例，图5展示了传感器对加速度激励的正弦波响应，直观反映其敏锐的动态响应特性。图中清晰呈现峰值时间、稳定周期及振幅等关键指标，通过时域分析可全面评估传感器动态性能，为传感器结构优化设计与确保加速度测量的准确性提供依据。

（a）100 Hz频率、不同加速度条件下Z轴中心波长偏移的时域响应；（b）灵敏度线性拟合曲线 图5 传感器动态响应特性与灵敏度校准。

  通过线性拟合绘制FBG波长漂移量与不同激励加速度的关系，如图5（b）所示。FBG振动传感器在X、Y、Z三轴均呈现优异的线性响应特性。各轴向的工作频率范围内，FBG的波长漂移量与施加的加速度呈显著的线性相关。FBG振动传感器在X轴方向的灵敏度约为88.41 pm/g，Y轴方向的灵敏度约为85.90 pm/g，Z轴方向的灵敏度约为90.68 pm/g，拟合优度R2分别为0.9997，0.9998和0.9996。

3.3轴向交叉敏感特性

  轴向交叉干扰试验旨在评估三轴FBG振动传感器在非测量方向振动对其性能的影响，该影响可通过非工作方向与工作方向灵敏度比值量化：比值越低，交叉干扰越小。实验中，将三轴FBG振动传感器分别按X轴、Y轴和Z轴翻转90°固定在激励台上，对其施加100Hz和1g的正弦激励。图6为传感器在X轴、Y轴和Z轴的工作方向与非工作方向的时域特性曲线。由图6（a）知传感器在X方向上中心波长的振幅为88.37pm，在Y方向上中心波长的振幅为2.72pm,Z方向的振幅为1.84pm，传感器在X方向的交叉干扰比为3.078%。由图6（b）知传感器在Y方向上中心波长的振幅为85.82pm，在X方向上中心波长的振幅为2.95 pm,Z方向的振幅为1.92pm，传感器在Y方向的交叉抗干扰比为3.437%。由图6（c）知传感器在Z方向上中心波长的振幅为90.68pm，在X方向上中心波长的振幅为2.89pm，Y方向的振幅为1.63pm，传感器在Z方向的交叉干扰比为3.187%。在相同激励条件下，传感器非工作轴向与工作轴向交叉干扰比均小于4%，表明该传感器能够有效抑制交叉干扰的影响。

图6 工作方向与非工作方向的时域特性曲线

3.4冲击响应测试

  为了验证传感器的精度和响应品质，进行了自由冲击响应实验。将三轴FBG振动传感器置于光学平台上，使用不锈钢螺钉（0.00625kg）在距离工作平台25cm的高度自由落下进行冲击测试。实验记录的振动信号如图7所示，表明三轴FBG振动传感器在三个方向冲击响应具有良好的一致性，能够有效地反映冲击激励和识别振动方向。

图7 自由落体冲击测试中三轴同步响应信号

4. 讨论与展望

  本研究设计了一种基于V型铰链的微型三轴FBG振动传感器，通过理论建模与Ansys和SolidWorks联合仿真实现传感器结构参数优化，有效解决了微型化与高灵敏度协调设计难题。采用模块化正交组合弹性体的装配方法，单根光纤串联三个超短细径FBG采用两点式工艺封装传感器，提高了空间利用率并具备批量化生产能力。试验表明，三轴FBG振动传感器在三个方向冲击响应时域波形具有良好的一致性，验证了正交组合设计对多轴振动解耦的有效性，并证明其可精准捕获机械系统瞬态冲击事件的多维动力学特征。