采用激光处理膜片的光纤法珀压力传感器研究

摘要

膜片式光纤法珀压力传感器由弹性膜片直接感受压力实现法珀腔长调制。这种传感器结构简单，灵敏度高，初始法珀腔长容易控制，弹性膜片材料选择多样，在各个领域有着广泛的应用，是光纤法珀传感研究的重要方向之一。
　　本文从光纤法珀结构和制作出发，结合单晶硅材料在力学、光学方面的优良特性和激光加工高效的优点，开展了基于激光处理的膜片式光纤法珀压力传感器研究。完成的工作主要有以下几点：
　　1.阐述了膜片式光纤法珀压力传感器的传感原理，对弹性膜片的受压变形和传感器光谱信号进行了分析。
　　2.使用有限元软件ANSYS对具有表面微结构的膜片变形进行了仿真计算，详细分析了微结构图案、微结构图案尺寸、微结构图案偏心参数对硅膜片受压变形的影响，并讨论了微结构图案偏心对光学干涉的影响。使用基于Nd:YAG激光器的3维激光加工系统在硅膜片表面制作了微结构，并利用其封装成硅膜片式光纤法珀压力传感器。
　　3.研究了“硅/玻璃/硅”三层叠合结构的法珀腔基本原理，分析了其制作的工艺要求。阐述了阳极键合技术的基本原理和特点，采用阳极键合工艺制作了三层叠合结构，在此基础上完成了复合法珀腔型光纤法珀压力传感器的封装。
　　4.对光纤法珀压力传感器进行了压力测试实验。实验结果表明，具有正交网格型图案的硅膜片式光纤法珀压力传感器灵敏度为12.7nm/kPa、非线性度为2.6％、测量精度为2.445%；复合法珀腔型光纤法珀压力传感器灵敏度为19.4nm/kPa、非线性度为8.79%、传感器测量精度为0.7379%。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2光纤法珀压力传感器发展现状

1.3本课题研究意义及主要研究内容

第二章 膜片式光纤法珀压力传感器基本原理

2.1法珀干涉仪基本原理

2.2膜片式光纤法珀压力传感器

2.3光纤法珀传感解调技术

2.4本章小结

第三章 具有表面微结构的硅膜片式光纤法珀压力传感器研究

3.1硅膜片式光纤法珀压力传感器的光谱信号

3.2具有表面微结构的硅膜片的压力变形仿真研究

3.3硅膜片的表面微结构激光加工制作

3.4硅膜片式光纤法珀压力传感器的封装

3.5本章小结

第四章 复合法珀腔型光纤法珀压力传感器研究

4.1复合法珀腔型光纤法珀压力传感器的基本原理

4.2复合法珀腔型光纤法珀压力传感头制作研究

4.3复合法珀腔型光纤法珀压力传感头制作与传感器封装

4.4本章小结

第五章 光纤法珀压力传感器传感实验研究

5.1光纤法珀压力传感光谱解调系统

5.2膜片式光纤法珀压力传感器压力测量实验研究

5.3复合法珀腔型光纤法珀压力传感器压力测量实验研究

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文主要完成的工作

6.2对今后工作的展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢