基于波长解调的光纤MEMS压力和温度传感器的研究

摘要

光纤MEMS（微机电系统）传感器既具备MEMS传感器体积小、功能强、灵敏度高和易于批量生产的优点，又具备光纤传感器传输频带宽、动态测量范围大、易于组成分布式测量网的特点。本文重点介绍了光纤法布里-珀罗干涉型MEMS压力传感器的设计、制作以及测试方法，并提出了一种新型的光纤MEMS温度传感器。
　　设计了一种光纤MEMS微压传感器。讨论了敏感膜厚度对压力敏感膜挠度的影响，在此基础上设计了台面膜结构的光纤压力传感器，建立了台面膜的力学模型，分析了敏感膜厚度以及台面高度对传感器性能的影响，并用有限元分析软件ANSYS仿真模拟了台面膜的力学性能。讨论了法-珀腔腔长对传感器性能的影响。
　　考虑传感器实际结构，建立了热应力情况下压力敏感膜挠度的公式。采用控制变量法，分别讨论了压力敏感膜膜厚、半径以及玻璃管壁厚对挠度的影响，利用麦夸特(Levenberg-Marquardt)算法对ANSYS仿真结果进行拟合修正，得到了适用于实际结构周边用玻璃管固支情况下压力敏感膜的公式。
　　研究了传感器的加工工艺，并搭建了压力测试系统进行性能测试。详细讨论了实验数据的提取与处理方法，利用双峰追踪的峰值解调法对从ENLIGHT中提取的大量光谱数据进行腔长计算。对制作好的传感器样品进行线性度、灵敏度性能的测试，并给出了实验结果。
　　设计并制作了一种基于双金属效应的新型光纤法布里-珀罗MEMS温度传感器。研究了传感器的力学模型，讨论了传感器的灵敏度，确定了双金属材料，并用有限元软件ANSYS验证了模型的合理性。建立实验测试系统，对温度传感器进行了性能测试。为研究硅基压力传感器的温度补偿提供一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光纤MEMS压力传感器的研究现状

1．3 光纤MEMS温度传感器的研究现状

1．4 本文主要研究内容与意义

1．4．1 本论文的研究目的和意义

1．4．2 本论文的研究内容

第二章 光纤法布里-珀罗MEMS传感器的基本原理

2．1 法布里-珀罗多光束干涉理论

2．2 光纤法布里-珀罗传感器的解调原理

2．2．1 强度解调法

2．2．2 相位解调法

2．2．3 波长解调法

2．3 本章小结

第三章 基于波长解调的光纤MEMS压力传感器的理论分析与设计

3．1 光纤MEMS压力传感器的基本力学模型

3．2 压力敏感膜膜厚对挠度的影响

3．3 台面膜的力学性能

3．3．1 台面膜的膜厚与台面高度对挠度的影响

3．3．2 台面膜力学性能的有限元仿真

3．4 法-珀腔腔长对反射信号的影响

3．5 本章小结

第四章 基于ANSYS和L-M算法的压力敏感膜挠度的修正

4．1 热应力条件下的力学模型

4．2 热应力模型下敏感膜性能的ANSYS仿真

4．3 敏感膜挠度的L-M拟合修正

4．3．1 L-M算法介绍

4．3．2 压力敏感膜厚度的影响

4．3．3 压力敏感膜半径的影响

4．3．4 玻璃管壁厚的影响

4．4 本章小结

第五章 光纤MEMS压力传感器的制作及压力测试

5．1 光纤MEMS压力传感器的加工工艺

5．2 光纤MEMS压力传感器的压力测试系统

5．3 峰值解调方法设计

5．4 压力测试结果

5．4．1 线性度

5．4．2 灵敏度

5．5 本章小结

第六章 基于双金属膜的光纤MEMS温度传感器

6．1 双金属膜光纤温度传感器的工作原理

6．2 双金属膜的力学模型

6．3 双金属膜力学性能的ANSYS仿真

6．4 传感器的温度实验测试

6．5 本章小结

第七章 结束语

7．1 本文工作总结

7．2 本文的主要创新点

7．3 后续的工作展望

参考文献

致谢

作者简介