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基于SU-8光刻胶的光纤加速度传感器的研究

作　者: 尤晶晶
导　师: 王鸣
学　校: 南京师范大学
专　业: 物理电子学
关键词: 光纤传感 加速度传感器 法布里-珀罗干涉 弹簧-质量系统
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


目前越来越多的工业应用,特别是一些特殊应用领域,如桥梁建筑的结构检测系统、交通监测系统、石油勘探的地震检波系统、以及航空航天的制导系统等,急需一种具有抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、复用性强的高性能加速度传感装置。基于光纤传感技术的加速度计以其高灵敏度、体积小、易复用、抗电磁干扰等特点成为工业生产和国防建设的研究热点。本文研究的光纤加速度传感器是对现有的加速度传感技术的补充和提高,满足现代工业测量需求,期望解决加速度传感器向微型化和批量化生产时遇到的困难,为研发出在石油化工、航空航天等工业领域应用的新型压力、温度、应变、振动、液位和流速等光纤传感器提供理论依据和仿真证明。研究并设计了基于SU-8光刻胶的光纤法布里-珀罗加速度传感器。基于SU-8胶的高深宽比加工技术,设计了对加速度敏感的悬臂梁-质量块结构。理论推导了加速度与悬臂梁-质量块结构的挠度、法布里-珀罗干涉光强之间的关系,得到了简化的计算公式。讨论了传感灵敏度、固有频率、阻尼等主要因素的影响。提出了“卐”字型悬臂梁-质量块结构,分析并确定了结构的参数。探索了传感器的制作工艺流程。仿真的结果与理论分析吻合,结果表明“卐”字型结构的光纤加速度传感器能够大幅提高灵敏度,低频响应非常突出,可应用于发电机组的振动监测和故障诊断、机床的运动精度测量等应用中。提出了一种基于空心光纤的法布里-珀罗加速度传感器。采用商用单模光纤和空心光纤制作传感器,取材方便。基于法布里-珀罗多光束干涉原理和加速度传感原理,推导了法布里-珀罗腔的长度、质量块的质量与加速度传感性能之间的关系,确定了传感器的固有频率等参量,从理论和仿真两方面分析了结构的优势和良好的传感性能。设计的传感器结构小巧,制作方便。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-7
第1章 绪论  7-13
  1.1 光纤传感器的概述及分类  7-8
    1.1.1 光纤传感器的概述  7
    1.1.2 光纤传感器的分类  7-8
  1.2 光纤加速度传感器的研究现状  8-11
  1.3 本文的研究内容和意义  11-13
    1.3.1 课题来源  11
    1.3.2 本文的意义  11-12
    1.3.3 本文的主要内容  12-13
第2章 光纤法布里-珀罗加速度传感器的基本原理  13-28
  2.1 光纤加速度传感器的结构  13-17
    2.1.1 强度调制型光纤加速度传感器  13-15
    2.1.2 相位调制型光纤加速度传感器  15-17
  2.2 光纤法布里-珀罗传感器的基本原理  17-19
  2.3 光纤法布里-珀罗传感器的解调原理  19-24
    2.3.1 强度解调法  19-20
    2.3.2 相位解调法  20-22
    2.3.3 波长解调法  22-24
  2.4 加速度传感器的基本原理  24-27
  2.5 小结  27-28
第3章 基于SU-8胶的光纤法布里-珀罗加速度传感器  28-40
  3.1 SU-8光刻胶的介绍  28-29
  3.2 基于SU-8胶的光纤加速度传感器的结构及原理  29-32
    3.2.1 加速度传感器的结构  29
    3.2.2 结构动力学分析  29-31
    3.2.3 系统的阻尼分析  31-32
  3.3 基于SU-8胶的光纤加速度传感器性能的仿真及讨论  32-36
    3.3.1 SU-8胶“十”字型结构  32-34
    3.3.2 SU-8胶“卍”字型结构  34-36
  3.4 结构振动的模态分析和谐振分析  36-37
    3.4.1 模态分析  36
    3.4.2 谐振响应分析  36-37
  3.5 传感器的光学分析  37-38
  3.6 传感器制作工艺的设计  38-39
  3.7 小结  39-40
第4章 基于空心光纤的法布里-珀罗加速度传感器  40-46
  4.1 空芯光纤的介绍  40-41
  4.2 基于空心光纤的加速度传感器的设计  41-42
    4.2.1 加速度传感器的结构  41
    4.2.2 加速度传感器的参数  41-42
  4.3 基于空心光纤的加速度传感器性能的仿真  42-44
    4.3.1 结构的稳态响应分析  42-43
    4.3.2 结构的模态分析  43-44
  4.4 传感器的光学分析  44-45
  4.5 小结  45-46
第5章 结束语  46-47
参考文献  47-52
攻读硕士学位期间发表论文、成果和参加的工作  52-53
致谢  53

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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