基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的研究

摘要

光纤法布里-珀罗传感器是一种体积小、结构简单、成本低、测量精度高、检测范围大的光纤传感器，易于产品化，已经被广泛用于民用工程、航空航天等领域的应变、温度、压力等物理量，湿度、酸碱度、折射率等化学量以及生物量的测量。我们提出了一种基于微椭球空气腔的光纤法布里-珀罗压力传感器，分析高灵敏度的光纤法-珀压力传感模型，提出新型的压力传感方案，并进行实验测试。与已有法布里-珀罗压力传感器制作技术不同，我们采用普通单模光纤和实芯光子晶体光纤熔接技术形成空气法布里-珀罗腔，传输损耗小，干涉信号条纹对比度高，全石英结构传感器，温度串扰小，在压力传感领域具有较好的应用前景。 本文提出了一种基于微椭球空气腔结构的光纤法布里-珀罗压力传感器。分析了光在空气腔中的传播过程，研究了在体积固定情况下空气腔曲率半径与腔长之间的变化规律，同时讨论了空气腔不同形状下腔内的损耗，利用MATLAB软件对空气腔形状变化与传输损耗的关系进行数值仿真。 建立了压力传感器的基本数学模型。在基本模型的基础上利用ANSYS软件对压力敏感膜的力学性能进行了仿真，探讨了压力敏感膜的厚度与膜的有效半径对膜的中心挠度的影响，选定了较为合适的微椭球空气腔压力传感器的腔长，压力敏感膜厚度等几何结构参数。 依据选定的的传感器的几何参数结合传感器的实际结构设计了法布里-珀罗压力传感器的制作工艺步骤，制作出了传感器样品，同时还搭建了传感器反射谱测试和压力测试的实验平台，测试传感器的反射谱数据，利用波长追踪法解调敏感膜受到的压力，对解调出数据用均值法进行数据拟合，求出压力-波谷波长数学模型最后对传感器的线性度，灵敏度等性能指标进行标定。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1光纤传感原理及分类

1．2光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器研究现状

1．2．1国外研究现状

1．2．2国内研究现状

1．3研究的内容和意义

1．3．1研究的意义

1．3．2本论文的研究内容

第二章光纤法布里-珀罗传感器的原理

2．1光纤F-P干涉原理

2．2光纤F-P干涉传感器的分类

2．2．1本征型光纤F-P干涉传感器

2．2．2非本征型光纤F-P干涉传感器

2．2．3在线型光纤F-P干涉传感器

2．3光纤F-P干涉传感器的信号解调技术

2．3．1强度解调法

2．3．2相位解调法

2．3．3波长解调法

2．4有限元法

2．5本章小结

第三章基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的理论分析和设计

3．1基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的理论模型

3．2基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的封闭空气F-P腔损耗分析

3．3本章小结

第四章基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的力学性能分析

4．1基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的基本力学模型

4．2基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的压力敏感膜力学性能分析

4．3基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的敏感膜挠度特性ANSYS仿真

4．4本章小结

第五章基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的制作与测试

5．1基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的制作工艺

5．2基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的反射谱测试

5．3基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的波长解调

5．4基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的压力测试

5．5本章小结

第六章结束语

6．1本文总结

6．2本文创新点

6．3后续的工作展望

参考文献

致谢

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