光纤MEMS法布里-珀罗传感器解调方法研究-仪器科学与技术专业论文.docxVIP

摘 摘 要 万方数据 万方数据 摘 要 光纤 MEMS 法珀传感器，既具有光纤传感技术精度高，带宽大，抗电磁干扰 能力强等优点，又具备了 MEMS 工艺体积小，易批量生产的优势，在工业，农业， 军事等领域的应力、应变、温度、压力等关键参量的测量上都有着广泛的应用 前景。本课题主要针对高灵敏度膜片式光纤法珀声压传感器的解调方法展开研 究。 本论文针对膜片式光纤法珀腔的结构，讨论了其与标准法珀腔光谱特性的 不同。重点分析了空气腔传输损耗以及薄膜倾斜损耗对于反射条纹最大强度以 及对比度的影响，并与实验测试的结果比对，符合良好。利用该分析结果优化 了在制作法珀传感探头时对于初始腔长和端面反射率的选择。 研究并分析了强度解调法对于微小腔长变化的灵敏度与测量的动态范围。 本论文利用光纤光栅作为窄带滤光器，分别研究了自补偿式以及双波长式解调 法。由于反射光中心波长在 C 波段的光纤光栅很容易获得，因此大大提高了系 统的灵活性。完成了解调系统的光路设计，硬件电路设计及制作以及软件的调 试。利用纳米位移平台模拟法珀腔腔长变化，单独对解调系统进行了测试，分 析了补偿光路的引进对于传感器信噪比的提高。实验结果表明，本系统能够解 调 0-300nm 范围内的腔长变化，电压灵敏度约为 2mv/nm，同时具有很好的输出 线性度。 采用本强度解调系统对实验室自制的高灵敏度法珀声压传感器进行解调， 并利用高精度传声器作为标准对系统进行性能分析。结果表明，本解调系统对 于 1kHz 下的强度渐变的声音信号，输出具有良好的线性度 ，声压灵敏度为 -23.89dB(0dB=1V/Pa)。经频响测试，对于 100 到 2000Hz 之间的声音信号能够 较为 稳定准确的解调。 对时域 信号 进行 功率谱分析结果表明， 加 载 压 强 约 90mPa@1kHz 的声压信号，信噪比可达到 43dB。 关键词：光纤 MEMS 法珀腔；强度解调；声压传感 - I - A Abstract Abstract Optical fiber MEMS Fabry-Perot(FP) sensor, posseses both of the advantages of optical fiber sensing system, such as high precision, large bandwidth, strong anti-interference capacity of electromagnetic disturbance, etc., and such of MEMS technology as extremely small size and ease of mass production. Thus, it plays an important role in industry, agriculture, military and other fields for measurements of several key parameters such as temperature, strain and stress. The main subject of this paper is to study demodulation methods for the diaphragm-based FP acoustic pressure sensor, which is highly sensitive. In this paper, the structure of the diaphragm-based FP cavity was discussed, for its different spectral characteristics from standard FP. The coupling loss of EFPI which is caused by the mode characteristics of single-mode optical fiber was analyzed in detail. The transmitting loss of the air cavity and the tilted loss of the membrane to the fiber have been studied. The cavity length-related loss coefficients were simulated numerically, which indicated that if the cavity length is small enough, the negative effect of these two losses o