基于軸承和柔性鉸鏈的布拉格光纖光柵加速度計(jì)

宋 穎，張浩然，李劍芝，申博豪，劉占劍

（1.石家莊鐵道大學(xué) 河北省交通安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院, 河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學(xué) 河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050043；4.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 河北 石家莊 050043；5.石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 河北 石家莊 050043）

1 引 言

中高頻振動信號的精確測量已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[1-2]。其對如高速動車組軸箱振動、微地震等許多工程監(jiān)測具有重要意義[3-4]。傳統(tǒng)電類傳感器易受電磁干擾，而且導(dǎo)線過長等會造成信號衰減，特殊環(huán)境應(yīng)用困難[5]。光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）加速度傳感器采用無源傳感元件，光信號傳輸不受電磁和距離等因素影響，而且耐腐蝕、可組網(wǎng)、易于實(shí)現(xiàn)分布式傳感[6]，適用于惡劣環(huán)境下的振動監(jiān)測，引起了科研人員的廣泛關(guān)注。

FBG 加速度傳感器為波長調(diào)制型光纖傳感器，主要有懸臂梁式、圓形膜片式、柔性鉸鏈?zhǔn)揭约捌渌恍┨厥饨Y(jié)構(gòu)。它們的傳感原理是通過質(zhì)量塊帶動光纖光柵使之產(chǎn)生軸向應(yīng)變，導(dǎo)致波長發(fā)生變化，然后通過FBG 波長變化來獲得加速度。其中懸臂梁式結(jié)構(gòu)[7-10]研究較早，理論推導(dǎo)簡便，具有結(jié)構(gòu)簡單的顯著優(yōu)勢；圓形膜片結(jié)構(gòu)[11-13]由于質(zhì)量塊橫向位移被限制，具有橫向干擾小的顯著特點(diǎn)。但上述兩種結(jié)構(gòu)受本身剛度限制，測量中高頻振動時靈敏度過低。例如，LI T L[11]設(shè)計(jì)了一種圓形膜片結(jié)構(gòu)的傳感器，固有頻率為600 Hz，靈敏度為20.189 pm/g；WU H[14]設(shè)計(jì)了一種基于變厚度雙懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG 傳感器，固有頻率達(dá)8 658 Hz，靈敏度僅0.44 pm/g。此外，其他特殊結(jié)構(gòu)的FBG 加速度傳感器的靈敏度也較低，例如WANG[15]設(shè)計(jì)的基于鋼管和雙FBG 的FBG加速度傳感器，固有頻率達(dá)到3 806 Hz，但其靈敏度僅為4.01 pm/g。柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)[16-18]具有較寬的測量頻率范圍，采用柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)后，靈敏度可得到一定的提高，但提升效果有限。例如，LIANG L[17]等人設(shè)計(jì)了一種單鉸鏈結(jié)構(gòu)傳感器，固有頻率為900 Hz，靈敏度為26.962 pm/g。為了進(jìn)一步提高靈敏度，LUO X D[19]、QIU ZH CH[20]等采用對稱柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)和雙質(zhì)量塊增大FBG 軸向應(yīng)變，固有頻率分別為890 Hz 和1 300 Hz，靈敏度分別可達(dá)到41 pm/g 和20 pm/g。LI Z CH[21]等人設(shè)計(jì)了一種三柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，固有頻率為2 800 Hz，靈敏度達(dá)21.8 pm/g。多柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)會引起回轉(zhuǎn)精度誤差疊加[22]，導(dǎo)致傳感器線性度下降。

綜上所述，目前采用單質(zhì)量塊和單柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的FBG 加速度傳感器，靈敏度偏低。而采用雙質(zhì)量塊和多鉸鏈結(jié)構(gòu)雖可增加靈敏度，但將導(dǎo)致線性度下降。針對上述問題，本文提出一種中間為單柔性鉸鏈、兩側(cè)為軸承支撐結(jié)構(gòu)的對稱式FBG 加速度傳感器。該結(jié)構(gòu)不僅能提高測量頻率范圍，還具有較高靈敏度，可實(shí)現(xiàn)中高頻振動信號的精確測量。

2 傳感器設(shè)計(jì)

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)中高頻振動信號的測量需求，設(shè)計(jì)了一種柔性鉸鏈連接、兩側(cè)軸承支承的對稱式雙質(zhì)量塊FBG 加速度傳感器，如圖1 所示，包括2 個質(zhì)量塊、2 個軸承、1 個柔性鉸鏈、2 根光纖光柵（FBG1和FBG2）以及基座。兩軸承和兩質(zhì)量塊呈對稱布置，中間僅用一個柔性鉸鏈連接。軸承外圈固定在兩質(zhì)量塊外側(cè)突起的連接臂上，質(zhì)量塊可繞軸承中心軸微轉(zhuǎn)動。采用兩點(diǎn)封裝方式將兩根光纖光柵分別粘貼在質(zhì)量塊上下延伸桿末端并施加一定預(yù)應(yīng)力，避免產(chǎn)生啁啾效應(yīng)。通過改變?nèi)嵝糟q鏈的最小厚度，還可以調(diào)整頻率測量范圍和傳感器靈敏度，以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。當(dāng)FBG 加速度傳感器受到外界振動激勵時，兩質(zhì)量塊同時繞軸承中心轉(zhuǎn)動，兩根光纖光柵產(chǎn)生軸向應(yīng)變進(jìn)而引起光柵波長變化，根據(jù)振動加速度與光柵波長之間的數(shù)學(xué)關(guān)系即可獲得待測加速度信息。

圖1 FBG 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the FBG structure

設(shè)計(jì)的傳感器采用單柔性鉸鏈連接兩質(zhì)量塊，并增加了軸承結(jié)構(gòu)，既可提高傳感器靈敏度，又可避免多鉸鏈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傳感器線性度和量程減小的問題，同時質(zhì)量塊在低階模態(tài)不會產(chǎn)生同向轉(zhuǎn)動，保證傳感器具有較寬的頻率測量范圍。另一方面，采用雙光柵結(jié)構(gòu)，兩根光柵軸向應(yīng)變方向相反，這種既提高了靈敏度又消除了溫度影響。

3 理論分析

所設(shè)計(jì)的FBG 加速度傳感器采用對稱雙光柵結(jié)構(gòu)，其中心波長同時受軸向應(yīng)變和溫度影響

式中， ?λ1、 ?λ2分別為FBG1和FBG2的波長變化量；Pe為有效彈光系數(shù)；ε1、 ε2分別為FBG1和FBG2應(yīng)變； λ1、 λ2分別為FBG1和FBG2的中心波長；αf為光纖熱膨脹系數(shù)； ξ為光纖材料熱光系數(shù)；?T為溫度變化量。

當(dāng)質(zhì)量塊受到外界振動導(dǎo)致兩根光柵FBG1和FBG2出現(xiàn)變形時，其中一個受拉，另一個受壓，其波長變化量大小相等，方向相反，即ε1=|-ε2|=ε 。 兩光柵中心波長值相近，即 λ1≈λ2=λ，總波長變化量可以表示為

利用公式(3)既可以消除公式(1)和公式(2)中的溫度項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，又可以使波長變化量提高一倍。

理論公式推導(dǎo)時忽略阻尼，當(dāng)質(zhì)量塊受到垂直振動加速度a激勵時，根據(jù)牛頓第二定律和胡克定律有

式中，K為系統(tǒng)剛度，xm為質(zhì)量塊位移，Me為系統(tǒng)等效質(zhì)量。

當(dāng)加速度方向向上時，由于慣性，質(zhì)量塊相對于軸承向下轉(zhuǎn)動，根據(jù)力矩平衡，質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動角度為 θ時，質(zhì)量塊受到柔性鉸鏈豎直方向的彈力Fh和光纖傳遞到質(zhì)心豎直方向的拉力Ff而發(fā)生轉(zhuǎn)動，如圖2 所示。由于轉(zhuǎn)動角度很小，將Fh和Ff視為豎直方向的力，其合力為F。

圖2 工作原理示意圖Fig.2 Diagram of the working principle

兩質(zhì)量塊對稱布置，以圖2 左側(cè)質(zhì)量塊為例，其位移與FBG1拉伸長度分別近似為

式中，s=R/t；E為材料彈性模量；R為直圓型柔性鉸鏈切割半徑；t為最小厚度；i為柔性鉸鏈深度；Ef為光纖彈性模量；Af為光纖橫截面積；y為光纖長度，即兩質(zhì)量塊間距。

根據(jù)力矩平衡，有

所設(shè)計(jì)FBG 加速度傳感器總靈敏度為FBG1和FBG2的疊加，即2S。由式(14)和式(17)可以看出，F(xiàn)BG 加速傳感器固有頻率f和靈敏度S互相限制，即提高f或S將導(dǎo)致另一參量降低。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過理論分析發(fā)現(xiàn)，對傳感器固有頻率和靈敏度影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：光纖有效長度y，柔性鉸鏈半徑R、最小厚度t、深度i，質(zhì)量塊長b、寬c、高h(yuǎn)，以及左側(cè)質(zhì)量塊質(zhì)心到光纖粘貼點(diǎn)之間的垂直距離L。上述參數(shù)對FBG 加速度傳感器固有頻率和靈敏度的影響如圖3 所示?？梢钥闯龀斯饫w有效長度y之外，固有頻率和靈敏度均隨各結(jié)構(gòu)參數(shù)值增大呈反方向變化，即固有頻率與靈敏度互相限制。

圖3 FBG 加速度傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)對固有頻率和靈敏度的影響Fig.3 The influence of structural parameters of FBG accelerometer on natural frequency and sensitivity

為了滿足中高頻振動測試需求，所設(shè)計(jì)FBG加速度傳感器應(yīng)同時具有較寬工作頻率范圍和較高靈敏度。由圖3(a)可知，固有頻率和靈敏度隨著光纖有效長度y的增加而減小，由于光纖光柵長度限制，選擇y= 5 mm。對于柔性鉸鏈，其參數(shù)取值主要影響系統(tǒng)剛度和固有頻率。由于兩質(zhì)量塊之間的寬度與光纖光柵的有效長度相等，柔性鉸鏈半徑R即為兩質(zhì)量塊之間寬度的一半，R=2.5 mm。由圖3(b)可知，傳感器固有頻率隨柔性鉸鏈厚度t的增大而增大，但當(dāng)t/R>0.85 時，柔性鉸鏈剛度模型誤差較大，當(dāng)0.2535 mm 時，固有頻率隨著L的增加，快速減小，靈敏度也開始緩慢減小。為了保證傳感器兼具較高的頻率測量范圍和較高靈敏度，取L= 20 mm。綜上所述，中高頻FBG 加速度傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，理論固有頻率為3 667.7 Hz，單柵靈敏度為16.10 pm/g。

表1 加速度傳感器尺寸參數(shù)Tab.1 Dimensional parameters of FBG accelerometer

4.2 數(shù)值仿真分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)FBG 加速度傳感器的動態(tài)特性，建立基于COMSOL 的傳感器有限元仿真模型。將質(zhì)量塊、連接臂、延伸桿、柔性鉸鏈視為一體結(jié)構(gòu)，材料為304 不銹鋼，密度為7 850 kg·m-3，彈性模量為210 GPa。光纖光柵材料為二氧化硅，采用二氧化硅圓柱體模擬光纖光柵，密度為2 500 kg·m-3，彈性模量為72 GPa。然后，基于該模型進(jìn)行FBG 加速度傳感器頻響特性和瞬態(tài)特性分析，得到傳感器固有頻率仿真值為3 810.7 Hz，如圖4 所示。工作頻率平坦區(qū)為0～1 200 Hz，如圖5 所示。施加頻率為500 Hz，幅值分別為10 g、20 g、30 g 的正弦激勵，得到FBG 加速度傳感器在500 Hz 激振頻率下的光纖光柵波長變化量隨振動加速度的變化，如圖6 (彩圖見期刊電子版)所示。根據(jù)靈敏度計(jì)算公式得出傳感器靈敏度為11.89 pm/g，與理論計(jì)算值16.1 pm/g 之間存在一定誤差。其原因在于當(dāng)柔性鉸鏈取值確定且t/R=0.8 時，柔性鉸鏈剛度模型存在誤差[23-24]，因此仿真靈敏度比理論靈敏度小，出現(xiàn)了約20%的誤差。

圖4 傳感器一階振型圖Fig.4 Characteristic frequency of sensor

圖5 頻響特性曲線仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of frequency response characteristics

圖6 正弦激勵下光纖光柵波長變化量(500 Hz)Fig.6 Wavelength shift of FBG under different sinusoidal excitations (500 Hz)

5 實(shí)驗(yàn)研究

為了獲得該傳感器的工作頻率范圍和靈敏度，在理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了FBG加速度傳感器動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)，包括幅頻特性實(shí)驗(yàn)、幅值特性實(shí)驗(yàn)、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)、抗橫向干擾實(shí)驗(yàn)等。

FBG 加速度傳感器動態(tài)測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖7 所示，將FBG 加速度傳感器固定在振動臺上，然后連接至光纖光柵解調(diào)儀，通過筆記本電腦記錄FBG 波長。其中，振動臺采用IPA60H/M544A電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)；額定頻率為2～2 700 Hz，額定加速度為981 m/s2；采用Gator 高速光纖光柵解調(diào)儀，波長為1 516～1 584 nm，波長穩(wěn)定性為5 pm，采樣頻率為10 kHz。實(shí)驗(yàn)中采用標(biāo)準(zhǔn)壓電式加速度計(jì)獲取振動加速度信號，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖8 所示。

圖7 FBG 加速度傳感器動態(tài)測試原理圖Fig.7 Schematic diagram of dynamic test for FBG accelerometer

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場及傳感器實(shí)物圖Fig.8 Physical sensor and experimental site

5.1 幅頻特性分析

為了確定所設(shè)計(jì)的FBG 加速度傳感器的工作頻率范圍，進(jìn)行了幅頻特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，先將振動臺加速度大小固定為10 g，采用標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)測試加速度值作為參考；然后對FBG 加速度傳感器進(jìn)行掃頻測試，激振頻率分別為10 Hz、150～1 800 Hz（步長150 Hz）、2000～2 300 Hz（步長100 Hz）及2 500、3 000、4 000、5 000 Hz，每次振動持續(xù)時間30 s，通過Gator 光纖光柵解調(diào)儀記錄波長變化，最后獲得傳感器的幅頻響應(yīng)曲線，如圖9 所示。從圖中可以看到頻率響應(yīng)范圍平坦區(qū)為10～1 200 Hz，共振頻率為2 200 Hz，與無阻尼固有頻率3 667.7 Hz 之間的差距主要是振動系統(tǒng)阻尼所致，所設(shè)計(jì)傳感器阻尼比約為0.8，滿足傳感器阻尼比的設(shè)計(jì)要求[25-26]。

圖9 幅頻特性曲線Fig.9 Amplitude frequency characteristic curve

5.2 幅值特性分析

FBG 加速度傳感器靈敏度用于描述被測振動加速度與FBG 總波長變化之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中，分別對振動臺施加頻率為100、300、600 和1 000 Hz 的振動加速度信號，加速度變化范圍為2～40 g，步長增加間隔為4 g，受振動臺功率限制，1 000 Hz 激振頻率下的加速度最大為30 g。得到的FBG 加速度傳感器單柵靈敏度和總靈敏度響應(yīng)曲線分別如圖10～圖11 所示?？梢姡篎BG 波長漂移量與加速度大小具有良好的線性關(guān)系，波長隨著振動加速度的增大而線性增大；振動頻率分別為100、300、600、1 000 Hz 時，F(xiàn)BG1靈敏度標(biāo)定曲線斜率分別為10.42、10.17、10.33、13.12，平均值為11.01；FBG2的靈敏度標(biāo)定曲線斜率分別為5.89、5.15、6.29、7.65，平均值為6.25。如圖11所示，F(xiàn)BG 加速度傳感器的總靈敏度標(biāo)定曲線斜率分別為16.31、15.31、16.61、20.77，平均值為17.25。各靈敏度標(biāo)定曲線線性擬合度均大于0.99，線性度良好。綜上所述，F(xiàn)BG1的標(biāo)定靈敏度為11.01 pm/g，F(xiàn)BG2的標(biāo)定靈敏度為6.25 pm/g，傳感器總靈敏度為17.25 pm/g。由于柔性鉸鏈剛度模型存在誤差，F(xiàn)BG1單柵實(shí)測靈敏度較理論值略低，但與有限元仿真分析靈敏度（11.89 pm/g）基本一致。同時，由于手工封裝存在誤差，改變了FBG2的有效光纖長度y。根據(jù)圖3（a）中靈敏度S隨有效光纖長度y的變化規(guī)律，F(xiàn)BG2的有效光纖長度y增大導(dǎo)致其靈敏度與理論值相比偏小。

圖10 不同振動加速度信號下FBG1、FBG2 靈敏度標(biāo)定曲線。（a）100 Hz；（b）300 Hz；（c）600 Hz；（d）1 000 HzFig.10 Sensitivity calibration curves at different vibration acceleration signals.(a) 100 Hz; (b) 300 Hz;(c) 600 Hz; (d)1 000 Hz

圖11 FBG 加速度傳感器總靈敏度標(biāo)定曲線Fig.11 Total sensitivity calibration curves of FBG acceleration sensor

對振動臺施加1 000 Hz，2～30 g 的振動激勵，重復(fù)測量3 次，獲得的光纖光柵波長變化量數(shù)據(jù)如表2 所示，計(jì)算得到的重復(fù)性誤差為2.33%，重復(fù)性良好。

表2 不同加速度下光柵波長變化量Tab.2 Wavelength shifts of FBG at different accelerations

圖12（彩圖見期刊電子版）為不同激振頻率下FBG 加速度傳感器的波長變化時程圖，其中圖12(a)～12(b)振動頻率分別為100、300 Hz，加速度大小為40 g，圖12(c)～(d)振動頻率分別為600 Hz、1 200 Hz，加速度大小為10 g。由圖12可知，F(xiàn)BG 加速度傳感器能夠很好獲取外界輸入的正弦激勵，正弦波形完好表明FBG 受力均勻，無啁啾與多峰現(xiàn)象。此外，同一時刻光柵FBG1輸出波長曲線的波峰對應(yīng)FBG2輸出波長曲線的波谷，輸出正弦波長相位差為180°，可提高傳感器測試靈敏度。

圖12 不同頻率、加速度下FBG 波長時程圖。（a）100 Hz，40 g；（b）300 Hz，40 g；（c）600 Hz，10 g；（d）1 200 Hz，10 gFig.12 Time history curves of FBG wavelength caused by different vibration acceleration signals.(a) 100 Hz, 40 g;(b) 300 Hz, 40 g; (c) 600 Hz, 10 g; (d)1 200 Hz, 10 g

圖13 為各頻率振動激勵下的FBG 加速度傳感器光柵波長頻譜分析圖。圖13(a)、13(b)為100 Hz 和300 Hz 激振頻率下的光柵波長頻譜分析圖。從圖中可看出：除了振動臺激振頻率外，還有一個振幅較大，頻率約為2 000 Hz 的振動信號。通過與未施加振動激勵時FBG 加速度傳感器光柵波長頻譜圖（圖13(c)）進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)也存在頻率約為2 000 Hz 的振動信號。此外，與傳感器未安裝在振動臺上時的光柵波長頻譜圖（圖13(d)）進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)未出現(xiàn)此頻率的振動信號。因此推斷2 000 Hz 振動信號為振動臺自身的振動。

圖13 不同頻率振動激勵下FBG 波長變化頻譜圖Fig.13 FBG wavelength spectrogram under different frequency vibration excitations

5.3 橫向靈敏度分析

橫向靈敏度比值是衡量加速度傳感器質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)，通常以軸向靈敏度的百分?jǐn)?shù)來表示，如式(19)所示。實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，振動可能來自多個方向，信號成分復(fù)雜。為了提高測量精度，需要保證傳感器不受其他方向振動信號的干擾。橫向靈敏度比值一般表示為

式中，Sr為橫向靈敏度比值；St為橫向靈敏度；Sl為軸向靈敏度。

在橫向抗干擾實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置振動臺振動方向垂直于其測振主軸方向，激振信號為22 g，頻率為1 000 Hz，同時記錄FBG 波長。圖14 是振動方向?yàn)闄M軸與主軸方向時FBG 加速度傳感器輸出波長時程對比圖。由圖14 可知，橫向放置FBG加速度傳感器時FBG1波長變化量為40.51 pm；豎向放置FBG 加速度傳感器時FBG1波長變化量為283.45 pm，橫向靈敏度比值為14.29 %。產(chǎn)生橫向干擾的原因主要是質(zhì)量塊繞z軸轉(zhuǎn)動引起光纖光柵x方向的軸向變形。這是由于軸承存在間隙，無法提供足夠的橫向剛度，使質(zhì)量塊在受到橫向振動時產(chǎn)生橫向位移。為了減小橫向干擾，應(yīng)在保證z 軸方向剛度不改變的前提下，盡量增大y軸方向的剛度。

圖14 FBG 加速度傳感器橫向靈敏度Fig.14 Transverse sensitivity curves of FBG acceleration sensor

本文設(shè)計(jì)的傳感器與現(xiàn)有FBG 加速度傳感器的結(jié)構(gòu)與性能對比如表3 所示。從表中可以看出，現(xiàn)有中高頻加速度傳感器多采用鋼管、雙質(zhì)量塊和雙鉸鏈或多鉸鏈等彈性元件，而本文采用軸承、雙質(zhì)量塊和單柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，避免了多鉸鏈回轉(zhuǎn)精度低而導(dǎo)致的傳感器線性度下降的問題。同時，本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，與WANG[15]提出的結(jié)構(gòu)相比，在固有頻率和頻響平坦區(qū)相近的情況下靈敏度更高；與LI[21]提出結(jié)構(gòu)相比，雖靈敏度略低，但固有頻率高，且頻響平坦區(qū)更寬。

表3 FBG 加速度傳感器的結(jié)構(gòu)性能對比Tab.3 Performance comparison of FBG accelerometer designed in this paper and reported in other Refs.

6 結(jié) 論

本文提出了一種基于軸承、柔性鉸鏈以及對稱質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的中高頻FBG 加速度傳感器，理論分析了它的靈敏度與諧振頻率，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作了可擴(kuò)展成為軸承鉸鏈復(fù)合結(jié)構(gòu)的雙光柵加速度傳感器實(shí)物。傳感器封裝尺寸為55×40×55 mm，體積較小，便于實(shí)際安裝使用。實(shí)驗(yàn)研究了傳感器幅頻響應(yīng)特性、線性響應(yīng)特性、重復(fù)性及橫向抗干擾特性。研究結(jié)果表明：傳感器無阻尼固有頻率為3 810.7 Hz，共振頻率為2 200 Hz，阻尼比為0.8，穩(wěn)定工作頻帶為10～1 200 Hz，加速度靈敏度高達(dá)17.25 pm/g，可實(shí)現(xiàn)中高頻振動信號的測試，線性度大于0.99，重復(fù)性誤差為2.33%。由于鉸鏈剛度模型誤差及封裝原因，實(shí)測靈敏度與理論計(jì)算值有一定差距。后續(xù)需改進(jìn)封裝工藝、減小誤差，同時改進(jìn)軸承和鉸鏈結(jié)構(gòu)減小橫向干擾。