基于FBG的三轴加速度计的设计、校准和特性研究
2026-03-11 20:37:47 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文提出一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的三轴加速度计，并对其开展设计、校准及性能表征。该加速度计采用单惯性质量块架构，其加速度引起的质量块位移使6根光纤（OF）发生形变，形成12个作为弹性元件的光纤段（FS），通过刻写在每根光纤中的FBG实现应变测量。
高性能惯性传感器的研发是推动导航、制导和控制系统发展的核心基础，在航空航天和军事国防领域具有重要战略意义。构成惯性导航系统（INS）的核心惯性传感器包括陀螺仪和加速度计。相较于传统传感器，基于光纤布拉格光栅（FBG）的加速度计在恶劣环境下具备显著优势：固有的抗电磁干扰（EMI）、耐化学腐蚀、可远距离传输，使其能够在发动机及高功率执行器附近工作，而无需复杂屏蔽措施。
据麦姆斯咨询报道，近日，巴西航空理工学院（Aeronautics Institute of Technology，ITA）的研究团队针对航天导航应用，提出一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的三轴加速度计，并对其开展设计、校准及性能表征。该加速度计采用单惯性质量块架构，其加速度引起的质量块位移使6根光纤（OF）发生形变，形成12个作为弹性元件的光纤段（FS），通过刻写在每根光纤中的FBG实现应变测量。研究涵盖从FBG制备、光谱特性表征，到差分光学解调系统与低噪声信号调理电路的设计。实验结果验证了设计的有效性，表明该加速度计能够达到战术级性能，其零偏不稳定度在三个轴向上均低于1.9 mg。相关成果以“Design, Calibration and Characterization of a Fiber Optic Triaxial Accelerometer Based on Fiber Bragg Gratings”为题发表于Sensors期刊。
加速度计设计
基于FBG的加速度计的工作原理是动态检测由光纤应变引起的反射光谱漂移。从原理上看，该装置等效为质量-弹簧-阻尼系统，其中惯性质量块由弹性元件支撑。施加在传感器上的加速度会引起质量块的相对位移，通过测量弹性元件产生的应变，从而实现加速度测量。本加速度计设计直接以光纤段作为弹性单元，并通过嵌入式FBG测量应变。文献中涉及的三轴加速度计主要有两种拓扑结构：（1）模块化结构，由3个正交安装的一维传感器组成；（2）单惯性质量块结构。本研究采用第二种拓扑结构：惯性质量块的空间位移会在一组带有FBG的光纤段中产生应变，该应变信息编码了加速度的三维分量信息。
光纤布拉格光栅（FBG）是核心应变传感元件，这种光学元件由光纤构成，其芯部折射率沿其轴向呈周期性调制。本研究所提出的三轴加速度计是对Cazo概念的改进版本（如图1）。图2展示了三轴加速度计在组装阶段的实物照片，直观展示了机械结构与光纤之间的相互作用。
图1 加速度计组件的三维CAD渲染图
图2 加速度计在组装阶段的实物照片
图3展示了加速度如何引起光纤变形。将光纤等效为弹簧，青色、紫色和深品红色分别代表受压、拉伸及无变形状态（相较于组装时的预拉伸状态）。
图3 惯性质量块与基座的连接方式及其在加速度作用下的响应
实验设置与性能表征
完整的加速度计系统由三大子系统构成：光机组件、光学检测电路、电子数据采集与处理电路。
光机组件设计：该加速度计采用单惯性质量块拓扑结构，由边长16.3 mm、质量11.61 g的航空级铝立方体构成。在力学层面，加速度会引起惯性质量块相对于基座的运动，从而拉伸光纤段。因此，FBG通过测量这种应变来编码三维加速度分量。
FBG传感器的制备及表征：为确保光谱特性可控，FBG传感器采用自主制备。图4展示了该实验装置的实景照片，图5呈现了其对应的原理图。
图4 FBG传感器实验装置
图5 FBG实验装置的原理图
差分光学解调电路：加速度计的工作原理是基于差分解调技术，采用双反射拓扑实现。完整光学电路（如图6）集成了稳定光源和三个测量通道，分别对应于x、y和z三个测量轴。相较于常规波分复用（WDM）方案，本研究选择基于差分强度的解调架构，完全是为了满足航空航天嵌入式应用的严苛要求。
图6 三轴加速度计的差分光学电路示意图
满量程范围（full-scale range）分析：加速度计的满量程范围从两个维度确定：（1）机械极限，由光纤结构完整性决定；（2）光学极限，由探测系统的特性决定。
信号调理与数据采集电路：由于差分解调产生光功率水平极低（微瓦量级），采用跨阻放大电路将产生的光电流转换为可测量电压信号。数字处理和数据采集由集成两路12位模数转换器（ADC）的ESP32微控制器完成。
特性表征与校准模型：加速度计的特性表征涵盖多项测试流程，以评估其静态、动态及热性能。
总结及展望
综上所述，这项研究提出并实现了一种基于FBG和差分解调的三轴加速度计，并完成了设计、校准和性能表征。研究团队提出并实验验证了包含热效应补偿多项式模型的完整校准方法。研究团队对未来相关工作方向提出了建议：光电系统的微型化、集成专用高分辨率ADC、通过动态性能测试来表征器件的频率响应特性。
论文链接：https://doi.org/10.3390/s26051588
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