基于光纤布拉格光栅的光纤三轴加速度计的设计、校准与特性研究 罗尼·杜阿尔特·达席尔瓦（Roney Duarte da Silva）与 若昂·马科斯·萨尔维·萨卡莫托（Jo?o Marcos Salvi Sakamoto）

《Sensors》：Design, Calibration and Characterization of a Fiber Optic Triaxial Accelerometer Based on Fiber Bragg Gratings Roney Duarte da Silva and Jo?o Marcos Salvi Sakamoto

三轴光纤加速度计设计实现及温度补偿研究，采用单质量块结构，六根光纤变形为弹性元件，通过FBG应变测量实现加速度检测。建立包含二次项温度补偿的扩展校准模型，实验显示各轴零偏稳定性<0.9mg，全量程±20g，灵敏度112mV/g，温度适应性达-40℃~85℃。

　　

摘要

本文介绍了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的三轴加速度计的设计、校准及其性能特性。该传感器采用单质量结构，其加速度引起的位移会使六个FBG光纤段发生形变，从而形成十二个弹性元件，每个光纤段中的应变均通过FBG进行测量。研究内容涵盖了FBG的制造和光谱特性分析，以及差分光学检测系统和低噪声信号调理电路的设计。本文的核心在于提出了一种扩展的校准模型，该模型除了传统的灵敏度矩阵和偏置向量参数外，还加入了多项式项，以主动补偿温度变化的影响。通过在气候试验箱中对传感器进行不同方向和温度条件下的测试，验证了该模型的有效性。实验结果表明，该加速度计达到了战术级性能，其偏置不稳定度低于193m3gE（单位：g）。分析显示，传感器的有效满量程约为±23gE，灵敏度为112pmgE/gE（单位：g/m）。这种灵敏度受光学检测系统本身的限制。此外，三阶多项式温度补偿模型在模型复杂性和误差减少之间实现了最佳平衡，将误差降低到主要由系统固有噪声决定的水平，确保了传感器在宽工作温度范围内的精度。