This paper proposes a novel Fiber Bragg Grating (FBG)-based hybrid force and displacement sensor with a high sensitivity to achieve accurate measurement of radial artery pulse waveforms. The proposed sensor prototype mainly consists of a force-sensitive orthogonal planar spring structure, an FBG optical fiber, and a sensor frame. The side-type orthogonal planar spring flexure has been utilized and optimized to achieve an excellent linear force-displacement relationship along the axial direction. It offers other merits in terms of equivalent functions as a parallel mechanism configuration, compactness, and convenient assembly. The employed optical fiber has been tightly stretched to form a suspended configuration vertical to the flexure’s central line. This two-point pasting configuration and the use of the transverse movement property of the suspended fiber can achieve improved sensitivity and resolution, and avoid shortcomings associated with the traditional and direct pasting for the whole FBG element. The theoretical model that corresponds to the sensing principle has been derived. The simulation based on finite element method (FEM) has been adopted to conduct design optimization to determine detailed structural parameters and achieve enhanced sensitivity, as well as performance investigation. The optimized prototype has demonstrated an excellent force resolution of 0.47mN with a small linearity error of 0.98% within the sensing range [0.9N, 2.7N] and a high displacement sensitivity of $0.103\mu \text{m}$ with a linearity error of 4.08% within the sensing range [0.3mm, 0.7mm], and the R ² values are determined as 99.99% and 99.30%, respectively. The experiments for artery pulse waveform measurement have been performed to validate the effectiveness of the proposed sensor design.

中文翻译：

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基于光纤布拉格光栅的径向动脉脉搏波形测量混合力-位移传感器的研制

本文提出了一种新型的基于光纤布拉格光栅 (FBG) 的具有高灵敏度的混合力和位移传感器，以实现桡动脉脉搏波形的准确测量。所提出的传感器原型主要由力敏正交平面弹簧结构、FBG 光纤和传感器框架组成。侧型正交平面弹簧挠曲已被利用和优化，以实现沿轴向的极好的线性力-位移关系。它在等效功能方面提供了其他优点，如并联机构配置、紧凑性和方便的组装。所使用的光纤已被紧紧拉伸以形成垂直于挠性件中心线的悬挂结构。这种两点粘贴配置和利用悬浮光纤的横向运动特性可以提高灵敏度和分辨率，避免传统直接粘贴整个FBG元件的缺点。对应传感原理的理论模型已经推导出来。已采用基于有限元法（FEM）的模拟进行设计优化，以确定详细的结构参数，提高灵敏度，以及性能调查。优化的原型展示了 0.47mN 的出色力分辨率，在传感范围 [0.9N, 2.7N] 内具有 0.98% 的小线性误差和高位移灵敏度 并避免与整个 FBG 元件的传统和直接粘贴相关的缺点。对应传感原理的理论模型已经推导出来。已采用基于有限元法（FEM）的模拟进行设计优化，以确定详细的结构参数，提高灵敏度，以及性能调查。优化的原型展示了 0.47mN 的出色力分辨率，在传感范围 [0.9N, 2.7N] 内具有 0.98% 的小线性误差和高位移灵敏度 并避免与整个 FBG 元件的传统和直接粘贴相关的缺点。对应传感原理的理论模型已经推导出来。已采用基于有限元法（FEM）的模拟进行设计优化，以确定详细的结构参数，提高灵敏度，以及性能调查。优化的原型展示了 0.47mN 的出色力分辨率，在传感范围 [0.9N, 2.7N] 内具有 0.98% 的小线性误差和高位移灵敏度 已采用基于有限元法（FEM）的模拟进行设计优化，以确定详细的结构参数，提高灵敏度，以及性能调查。优化的原型展示了 0.47mN 的出色力分辨率，在传感范围 [0.9N, 2.7N] 内具有 0.98% 的小线性误差和高位移灵敏度 已采用基于有限元法（FEM）的模拟进行设计优化，以确定详细的结构参数，提高灵敏度，以及性能调查。优化的原型展示了 0.47mN 的出色力分辨率，在传感范围 [0.9N, 2.7N] 内具有 0.98% 的小线性误差和高位移灵敏度 $0.103\mu\text{m}$ 在传感范围[0.3mm, 0.7mm]内线性误差为4.08%，R ²值分别确定为99.99%和99.30%。已经进行了动脉脉搏波形测量实验以验证所提出的传感器设计的有效性。