高精度光纤微压力传感器研究

摘要

目前在临床医学领域，亟待可以植入人体的新型高精度微压力传感器为临床诊断提供依据；在某些严酷的工业环境下也需要对工业生产中的压力进行高精度传感测量。本文创新性地提出了一种基于低反射长腔长法布里-珀罗（F-P）腔结构的光纤微压力传感器，同时结合球形压力封装结构，可以实现无接触角测量误差的高精度微压力传感。
　　本文的主要内容有：
　　1.推导了 F-P腔多光束干涉理论模型，通过仿真分析了F-P腔的透射光谱与反射光谱特性，得到了低反射率时反射光谱具有较高的精细度，为低反射长腔长结构的提出奠定了理论基础。同时对F-P腔的几种腔长解调方法进行了仿真分析。
　　2.提出了一种宽频带低反射长腔长F-P腔结构。通过仿真分析得到了不同腔长时的灵敏度曲线，验证了采用长腔长结构实现高精度微压力传感的可行性；依据胡可定律结合牛顿第二定律建立了传感头的频率响应模型，通过仿真分析得到了传感头的频率响应曲线，提出了采用腐蚀工艺通过削减压力敏感端的厚度以提高传感头的频率响应。
　　3.提出了一种无接触角测量误差的球形压力封装结构。建立了球形封装结构的压力传导理论模型，通过仿真分析得到了封装结构的几何尺寸与传感头可以感知的空间角度以及压力传导特性之间的关系，验证了采用该封装结构实现无接触角测量误差的可行性。
　　4.设计并搭建了微压力校准系统，开展了灵敏度以及准确度实验研究，实验结果表明：在10kPa~100kPa的微压力测试范围内，其相对误差最大不超过9.46％，测量精度为?7kPa；设计并搭建了基于相位生成载波（PGC）技术的动态特性测试系统，进行了动态特性测试，测试结果表明：通过削减压力敏感端的质量可以提高传感头的响应频率，实现了一定频带宽度内的动态压力响应。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 光纤传感技术

1.2 光纤压力传感器及其分类

1.3 光纤F-P压力传感器的研究现状

1.4 本论文的研究意义和主要内容

第二章 F-P腔的多光束干涉原理及腔长解调方法

2.1 F-P腔的多光束干涉原理

2.2 F-P腔长解调方法

2.3 本章小结

第三章 高精度光纤微压力传感器设计与制作

3.1 光纤微压力传感头的结构设计

3.2 传感头结构仿真分析与验证

3.3 传感头的器件及材料选择

3.4 微压力传感头的制作

3.5 本章小结

4.1 高精度光纤微压力传感器校准

4.2 灵敏度测试

4.3 准确度测试

4.4 实验误差分析

4.5 动态压力特性测试

4.6 本章小结

第五章 结论和展望

5.1 论文工作总结

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果