MEMS 光纤传感器 加速度传感器 结构设计 迈克尔逊干涉.doc

MEMS论文：MEMS光纤加速度传感器理论研究

【中文摘要】微型加速度传感器具有高可靠性,高灵敏度等特点,在汽车工业、航天、生物和医学等领域受到了广泛的关注。目前,微型加速度传感器的测量原理大多采用电容式、压阻式、热电偶式等较为成熟的结构,对于光电式的微加速度传感器的研究比较少,而与成熟的光纤传感技术相结合的光纤加速度传感器的研究很少。论文应用MEMS技术与全光纤干涉原理相结合提出了一种光纤微加速度传感器,对该系统的传感机理,光路系统,信号处理系统进行研究。在一定程度上既解决普通光纤制作的光学器件尺寸很难缩小的问题,同时又能弥补集成光波导器件制作难度高和损耗较大的缺点和不足。本文首先介绍了国内外关于微加速度传感器的研究现状和发展趋势,论述了光纤传感技术的基本原理,分析了几种典型的相位调制型干涉仪的干涉原理,为后文加速度测量提供了理论基础。其次,对迈克尔逊干涉型光纤加速度计的结构和工作原理进行了深入的研究。从传感原理出发,讨论并推导了光在光路中传播时光程差变化。该光纤加速度计的工作过程为:敏感元件感受外界的加速度信号,并把它转化成麦克尔逊干涉条纹的移动,干涉条纹的移动数量即代表被测加速度值。再次,利用材料力学的相关原理建立起质量块的位移运动方程,...
【英文摘要】Acceleration sensor with high reliability and high fidelity is concerned more and more in the field of automotive industry, spaceflight, biology, medicine and etc. Currently, the measurement principle of micro-accelerometer uses mostly capacitive, thermocouple type, and so a more mature structure, the optical-type micro acceleration sensor less, but with a mature combination of optical fiber sensing technology little research on fiber-optic accelerometer. Application of MEMS technology and paper all-fiber i...
【关键词】MEMS 光纤传感器 加速度传感器 结构设计 迈克尔逊干涉
【英文关键词】MEMS Fiber-optic sensors Acceleration transducer Structural design Michelson’s interferometer
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【目录】MEMS光纤加速度传感器理论研究

摘要

5-6

Abstract

6-7

第1章 绪论

10-14

1.1 微机械传感技术概述

10-11

1.1.1 微机械系统及微加速度传感器

10

1.1.2 微加速度传感技术的应用领域

10-11

1.2 微加速度传感器的研究现状

11-13

1.3 课题的主要内容以及研究意义

13-14

第2 章 光纤加速度计的理论基础

14-30

2.1 光纤加速度计的力学原理

14-19

2.1.1 加速度的概念

14-16

2.1.2 比力

16-17

2.1.3 地球重力场中的加速度计

17-19

2.2 光纤波导的原理

19-22

2.3 光纤传感技术综述

22-23

2.4 光纤加速度计的种类及调制原理

23-25

2.4.1 光强调制型光纤加速度计

23-24

2.4.2 相位调制型光纤加速度计

24-25

2.5 几种典型的相位调制型光纤传感结构

2528

2.5.1 迈克尔逊干涉结构

25-27

2.5.2 法布里-珀罗干涉结构

27-28

2.5.3 马赫-曾德尔干涉结构

28

2.6 本章小结

28-30

第3 章 微光纤加速度计的结构设计

30-48

3.1 微光纤加速度传感系统结构的总体设计思路

30-31

3.2 系统的光源设计

31-35

3.2.1 光源的选取

31-33

3.2.2 光源电路设计

33-35

3.3 系统敏感元件组的结构设计

35-41

3.3.1 光的干涉现象

35-38

3.3.2 光程和光程差

38

3.3.3 传感系统敏感元件组及光路的结构设计

38-41

3.4 转换元件组与测量电路的设计

41-46

3.4.1 光信号的接收电路及细分电路

41-43

3.4.2 光信号的输入电路与计数电路

43-44

3.4.3 可逆计数器的工作原理

44-45

3.4.4 加速度值的数据计算模块

45-46

3.5 本章小结

46-48

第4 章 MEMS 传感结构设计

48-58

4.1 Coventor Ware 简介

48-49

4.2 测量Z 方向加速度的原理推导

49-51

4.3 设计参量对传感器量程的影响

51-54

4.4 设计参量对传感器分辨率的影响

54-55

4.5 设计参量对传感器测量精度的影响

55-56

4.6 传感器设计参量的选取

56-57

4.7 本章小结

57-58

第5 章 MEMS 光纤加速度传感器噪声分析

58-66

5.1 传感器探头噪声分析

58-59

5.1.1 机械结构噪声(布朗Brownain 噪声)

58

5.1.2 随机振动的噪声

58-59

5.1.3 吸附与解吸附噪声的影响

59

5.2 外部光路调制传输系统噪声

59-64

5.2.1 激光光源引入的强度噪声

60-61

5.2.2 电子系统内部的固有噪声

61-64

5.2.3 环境干扰噪声

64

5.3 本章小结

64-66

结论

66-68

参考文献

68-72

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

72-73

致谢

73-74

作者简介

74