《Sensors and Actuators A: Physical》：Optimized design of a lightweight monolithic FBG dual-axis accelerometer featuring parallel flexure hinges
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光纤布拉格光栅双轴加速度计设计及实验研究，提出平行铰链结构优化方案，实现轻量化（17g）紧凑型（7×29×29mm3）单块传感器，通过动态平衡质量块厚度与铰链刚度提升敏感轴性能，并采用刚度再分配策略增强横向抑制能力，实验验证其在0-500Hz频段内灵敏度11.6-15.0pm/g，线性度R2>0.999，最大横向灵敏度比3.6%。
王云|戴玉堂|唐建国|周如凌|张尚轩|傅洪宇|杨明红
武汉理工大学机械与电子工程学院，中国武汉430070
摘要
本文介绍了一种采用平行弯曲铰链结构的轻量化单片双轴光纤布拉格光栅（FBG）加速度计的设计、优化和实验验证。该设计利用了质量块厚度与铰链旋转刚度之间的动态平衡，实现了显著的质量减轻，同时不会降低沿敏感轴的灵敏度或自然频率。为了解决横向刚度的损失，引入了一对平行弯曲铰链，大大提高了跨轴抑制能力。通过多目标优化方法完成了设计，最终得到了一个紧凑的原型（尺寸为7×29×29毫米3，重量为17克）。实验结果表明，在0–500赫兹范围内频率响应平坦，两个轴的自然频率分别为1600赫兹和1450赫兹，灵敏度分别为11.6皮米/克和15.0皮米/克，线性度优异（R2 > 0.999）。该传感器具有出色的跨轴抑制能力，最大横向灵敏度比低于3.6%。这项工作为在空间和重量受限的应用中实现双轴振动测量提供了一种实用且高性能的解决方案，并为先进的多轴FBG加速度计设计提供了一种优化方法。
引言
光纤布拉格光栅（FBG）加速度计在包括航空航天、电力设备和结构健康监测在内的多个领域受到了广泛关注[1]、[2]。这得益于它们的独特优势，如抗电磁干扰、绝缘性、高灵敏度以及固有的多路复用分布式传感能力[3]、[4]。然而，传统的FBG加速度计在满足现代精密设备和紧凑系统的不断变化的需求方面面临着越来越多的挑战。具体来说，它们在尺寸、重量和多轴测量能力方面的限制限制了其在空间受限环境或需要多方向振动传感的应用。因此，开发高性能的FBG加速度计已成为一个关键的研究方向，重点在于微型化、轻量化设计和多维测量[5]、[6]。
提高传感器性能的努力主要集中在弹性传感结构的创新上。不同的结构设计针对特定需求提供了不同的优势。基于膜片的结构因其紧凑的形式和高横向刚度而被广泛用于微型传感器设计[7]、[8]。悬臂梁结构利用杠杆原理有效放大应变，从而在轻质质量块的情况下实现高灵敏度[9]、[10]。弯曲铰链结构以其无摩擦运动、高运动精度和易于多轴集成而成为实现多维测量的首选方案，这一点通过报道的双轴和三轴原型得到了证明[11]、[12]、[13]。
尽管取得了这些进展，但现有设计在满足紧凑性、轻量化构造、高灵敏度和强跨轴抑制能力等综合工程要求时仍常常面临限制。特别是在基于弯曲铰链的设计中，这种挑战尤为突出[14]、[15]，因为追求轻量化和多轴能力而导致的横向刚度降低仍然是一个未解决的问题。这最终限制了这些设计在动态工作环境中的稳定性和可靠性。
为了解决轻量化设计与抗跨轴干扰之间的矛盾，本文提出了一种基于平行弯曲铰链的新型单片FBG双轴加速度计架构。虽然之前的研究中已经报道过平行或对称的弯曲铰链，但本文的创新之处在于三个关键方面。首先，确定了质量块厚度与铰链旋转刚度之间的动态平衡，并通过分析证明了这一点，从而实现了显著的质量减轻，同时不会降低轴向灵敏度或自然频率。其次，采用了一对空间平行的弯曲铰链，并从刚度重新分布的角度进行了解释，为提高横向刚度提供了定量指导，而不仅仅是依赖结构对称性。第三，两个优化的传感单元被正交集成到一个单片体内，实现了紧凑的封装和更好的空间利用率，用于双轴振动测量。
本文的其余部分组织如下：第2节详细介绍了传感器设计理论、多目标优化和有限元分析（FEA）。第3节描述了原型制作，并进行了全面的实验性能评估。最后，第4节对本文进行了总结。
结构与工作原理
所提出的单片FBG双轴加速度计的总体架构如图1所示。其核心组件包括三个主要部分：一个单片加工的振动拾取体、一个包含两个FBG的单根光纤和一个保护外壳。振动拾取体采用紧凑的正交排列，包含两个相同的振动传感单元，用于测量两个相互垂直轴上的加速度分量。
传感器原型制作
根据第2.4节中的优化尺寸制作了一个传感器原型。核心传感元件由一对定制的FBG组成，关键规格如下：光栅长度为4毫米，中心波长分别为1544纳米和1547纳米，光纤上的间距为280毫米。FBG采用飞秒激光点对点刻写技术制造，以确保高机械强度和热稳定性。平行弯曲铰链
结论
本研究成功设计并实现了一种采用平行弯曲铰链的轻量化单片双轴FBG加速度计。关键创新在于利用质量块厚度与铰链刚度之间的动态平衡来实现轻量化，同时不牺牲轴向性能，而平行铰链配置有效补偿了横向刚度的损失。优化后的传感器原型重量为17克，尺寸为
作者贡献声明
张尚轩：验证、研究。周如凌：验证、研究。唐建国：监督、资源获取、资金筹集。戴玉堂：监督、资源获取、项目管理、研究、资金筹集。傅洪宇：验证、研究。杨明红：监督、项目管理、资金筹集。王云：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件、项目管理，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作部分得到了国家自然科学基金（项目编号：U23A20374）和海洋技术与安全国家重点实验室（SKL，项目编号：202404）的支持，由武汉理工大学（地址：中国武汉430063）资助。
王云于2019年在中国武汉理工大学获得机械工程硕士学位。2020年至2022年期间，他在武汉Guide红外有限公司担任研发工程师。目前，他正在武汉理工大学攻读机械工程博士学位。他的当前研究兴趣在于光纤传感技术。
