西安石油大学理学院，陕西 西安710065陕西省油气资源光纤探测工程技术研究中心，陕西 西安710065陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西 西安710065CNPC重点实验室——油藏光纤动态检测研究室，陕西 西安710065
随着光纤传感技术的不断发展，光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)振动传感器在实际应用中的复杂振动测量性能愈发优良可靠。基于FBG振动传感器的优势，简略地阐述了FBG振动传感器的工作原理，并介绍了近5年国内研发的部分悬臂梁型、膜片型、铰链型三种结构的优缺点。最后针对FBG振动传感器提出了4个方面的建议，并展望了FBG振动传感器的发展方向。
光纤布拉格光栅 振动传感器 悬臂梁 膜片 铰链 fiber Bragg grating vibration sensor cantilever beam diaphragm hinge
1 天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津 300222
2 天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津 300222天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津 300222
为了能够实现高精度的微纳米级转动，该文基于柔性铰链设计了一种单压电陶瓷驱动的纯转动微定位平台。平台采用圆周阵列式柔性梁实现运动导向与解耦，通过杠杆机构增大动平台转动行程。首先通过有限元仿真验证了圆周阵列式柔性梁对动平台轴心漂移的抑制作用，然后通过实验对其运动特征进行测试与分析。测试结果表明，该机构具有良好的回转精度，在x轴正方向轴心漂移量为0~0.23 μm，y轴负方向轴心漂移量为0~4.59 μm，旋转弧度可达916 μrad，旋转精度为0.53 μrad。轴心漂移补偿后整体误差最大为4.9%。
压电陶瓷 微转动平台 柔性铰链 轴漂 旋转弧度 piezoelectric ceramic micro-rotational platform flexible hinge axial drift rotation radian
1 石家庄铁道大学 河北省交通安全与控制重点实验室, 河北 石家庄 050043
2 石家庄铁道大学 交通运输学院, 河北 石家庄 050043
3 石家庄铁道大学 河北省大型结构健康诊断与控制实验室, 河北 石家庄 050043
4 石家庄铁道大学 机械工程学院, 河北 石家庄 050043
5 石家庄铁道大学 材料科学与工程学院, 河北 石家庄 050043
为实现中高频振动信号的测量，本文设计了一种基于轴承和柔性铰链结构的光纤布拉格光栅加速度传感器。首先，基于理论力学模型推导出其固有频率、灵敏度与结构参数的数学模型，然后进行结构优化设计，并制作了传感器实物。在此基础上，对所设计传感器动态特性进行有限元仿真和实验测试。研究结果表明：传感器工作频率为10～1200 Hz，加速度灵敏度达17.25 pm/g，测量误差小于0.3 g，线性度大于0.99，重复性误差为2.33%，且能实现温度补偿。
传感器 加速度传感器 光纤布拉格光栅 中高频 轴承 柔性铰链 sensor accelerometer fiber Bragg grating mid-high frequency bearing flexure hinge
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院力学研究所，北京 100190
探测低频引力波需要脱离地缘噪声干扰，在空间搭建激光干涉引力波探测装置。太极、LISA、天琴等空间引力波探测任务，计划在几十万到几百万公里量级的臂长上实现皮米级的位移测量精度，以满足引力波探测的要求。在探测任务中，考虑轨道季节性变化和星间激光传输时间等因素，发射光束需要一个超前角度，确保远端望远镜能够接收到光束，从而完成星间激光干涉。针对发射光束需要超前角度的需求，设计并研制了一款用于激光干涉链路中提供超前角度的光束指向机构，即超前瞄准机构。该机构基于将偏转轴配置在反射镜面上的设计理念，采用柔性铰链和杠杆配合的结构形式，利用压电陶瓷自闭环进行驱动控制，实现光束一维高精度偏转。对该机构进行仿真分析，验证其力学特性以及偏转范围。对所研制的机构进行了一系列实验测试，结果表明，该机构偏转范围可达到
$ 709.4 $![]()
![]()
μrad，偏转精度可达到
$ {\text{0}}{\text{.44 }} $![]()
![]()
μrad，机构偏转引起的光程差优于
${\text{10}}\;{{{\text{pm}}}/{\sqrt {{\text{Hz}}} }}\;$![]()
![]()
(1~10 Hz)。从而验证了该机构设计的可行性，为实现光束超稳高精度偏转提供一定的参考。
红外与激光工程
2023, 52(4): 20220423
贾振安 1,2,3,4党硕 1,2,3,4禹大宽 1,2,3,4任杰 1,2,3,4姜丽荣 1,2,3,4
1 西安石油大学理学院，陕西 西安710065
2 陕西省油气资源光纤探测工程技术研究中心，陕西 西安710065
3 陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西 西安710065
4 CNPC测井重点实验室——油藏光纤动态监测研究室，陕西 西安710065
传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。振动信号的检测在工业尤其在石油勘探方面有着重要作用。其中，基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）的振动传感器具有诸多优点而备受关注。简单介绍了FBG振动传感器的原理，并根据结构类型对近几年研发出的FBG振动传感器进行了分类和总结。阐述了四种FBG振动传感器的优缺点，并重点对悬臂梁式和柔性铰链式结构的FBG振动传感器进行了总结。接着从三个方向对现有的FBG振动传感器进行了分析并提出了优化建议。最后对FBG振动传感器的发展做出了预测与展望。
光纤光栅 振动传感器 悬臂梁 铰链 多分量 fiber grating vibration sensor cantilever hinge multicomponent
1 西北工业大学 物理科学与技术学院 陕西省光信息技术重点实验室，西安 710129
2 西安石油大学 理学院 陕西省油气资源光纤探测工程技术中心，西安 710065
3 西北大学 物理学院，西安 710069
针对油气开采微地震监测高频检波器的要求，提出了一种基于对称铰链的光纤布拉格光栅高频加速度检波器结构，分析了该检波器的振动传感原理，利用仿真软件分析了该结构模型的谐振频率，同时对检波器的幅频特性、加速度响应灵敏度、横向抗干扰性能、冲击响应等性能进行了实验研究。实验结果表明：基于对称铰链结构的光纤布拉格光栅检波器谐振频率为1 200 Hz，与利用软件仿真的谐振频率1 191 Hz结果一致；在工作频率20~800 Hz，加速度灵敏度约为10.2 pm/g，线性系数为0.999 8；交叉轴灵敏度约为主轴的5%；在谐振频率附近有很好的冲击响应特性。该检波器加工工艺简单、可靠性高、工作频带宽、灵敏度高、横向抗干扰性好，在石油开采等领域有很好的应用前景。
光纤布拉格光栅 应变传感 加速度检波器 铰链 幅频响应 Fiber Bragg grating Strain sensing Accelerometer Hinge Amplitude-frequency response 光子学报
2022, 51(10): 1006003
武汉理工大学 光纤传感技术与网络国家工程研究中心, 武汉 430070
针对振动测量中三维振动信号测量需要, 基于柔性铰链设计了一种光纤光栅(FBG)三维加速度传感器。构建了传感器拾振机构的振动模型, 介绍了传感器的结构模型和测量原理, 推导了传感器谐振频率和灵敏度理论公式, 建立了拾振机构的数学模型, 并用MATLAB对传感器拾振机构关键尺寸参数进行优化设计。根据优化后尺寸制作了传感器, 通过振动实验对其进行性能测试。实验结果表明: 该传感器在X轴、Y轴和Z轴方向的谐振频率分别为673, 667和1376Hz, 工作频率区间分别为0~220Hz, 0~220Hz和0~450Hz, 灵敏度分别为72.3, 70.2和83.1pm/g。所设计的传感器具有较好的横向抗干扰能力, 能够满足三维振动信号测量的要求。
光纤光栅 三维加速度传感器 柔性铰链 振动测量 fiber Bragg grating three dimensional acceleration sensor flexible hinge vibration measurement
1 季华实验室，广东 佛山 528200
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
为了减轻大尺寸（740 mm×480 mm）矩形扫描反射镜的质量并保证反射镜的面形精度，结合二维和三维等效刚度模型设计了背部开口、以三角形轻量化孔为主、轻量化率为81.4%的轻量化结构。基于球头万向节与柔性铰链原理，设计了两种背部三点支撑方式的SiC扫描反射镜组件。有限元分析结果表明，在Y方向重力及40 ℃均匀温差耦合工况下，球头万向节与柔性铰链支撑方式的反射镜面形误差均方根（RMS）值满足小于等于0.025λ（波长λ=632.8 nm）的设计要求，分别为12.3 nm和12.9 nm，一阶固有频率分别为68.1 Hz和85.5 Hz，且柔性铰链结构的刚度更好。采用自准直法测量扫描反射镜组件的面形误差，结果表明，面形误差的RMS值为0.025λ，满足实际要求，为大口径矩形扫描反射镜组件的设计提供了参考依据。
光学设计 扫描反射镜 球头万向节 柔性铰链 面形误差 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0522001
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
针对光刻投影物镜中动镜X-Y向调节机构精度高、行程小、结构紧凑的需求，提出了一种X-Y向一体式调节机构。所提机构基于四连杆调节原理，利用内外圈独立分布的X-Y向柔性铰链，无需解耦即可实现X/Y向高精度调节。首先根据投影物镜中动镜的调节精度和行程，完成所提机构的结构设计；然后运用有限元分析法仿真分析所提X-Y向柔性调节机构的性能。分析结果表明：所提机构调节行程大于±20 μm，X向、Y向的刚度值分别为0.542 μm/N、0.671 μm/N；单X、Y向开环驱动时，垂直方向耦合误差与主方向移动量之比分别为6.86%、4%；模态大于100 Hz。最后，对所提调节机构进行了性能测试实验，X向重复定位精度为36.3 nm，Y向为41.7 nm；调节过程中，角度偏移小于0.5″。实验结果表明，所提柔性调节机构能够满足光刻投影物镜像质补偿对X-Y向高精度调节要求。
成像系统 光刻物镜 像质补偿 动镜 X-Y向调节机构 柔性铰链 激光与光电子学进展
2022, 59(4): 0411002
