基于石墨烯薄膜的光纤微压传感器研究
发布时间：2021-03-22 22:04
光纤压力传感器作为一种新型的压力传感器,具有微小型、高灵敏度、高精度以及抗电磁干扰能力强的特点,被广泛地应用于工业生产和国防建设等领域。石墨烯具有厚度薄、断裂强度大的优点,将石墨烯用作压力敏感膜材料可以极大地提高压力传感器的灵敏度。因此,本论文设计并制作了一种基于石墨烯薄膜的光纤微压传感器,并介绍了传感器的设计、制作以及测试。利用遗传算法的小波变换神经网络对该传感器进行温度补偿,消除温度变化产生的误差。主要工作如下:本文设计了一种基于石墨烯薄膜的光纤法珀微压传感器。从理论上,研究分析了敏感膜厚度与膜反射率的关系,并使用ANSYS有限元仿真软件建模分析了薄膜的力学特性。利用光传输矩阵理论研究分析了法拍腔对传感器整体性能的影响,最终获得了法珀腔腔长的最佳取值范围是40～60μm。本文利用化学腐蚀的方法制作了一个法珀腔,通过腐蚀多模光纤得到了长度约为52.71μm的法珀腔,并粘附石墨烯薄膜得到一个光纤法珀传感器。然后对该传感器进行封装和性能测试,最后通过温度补偿消除了温度对传感器性能的影响。室温条件下,在0-0.1MPa的压力范围内,敏感膜的最大挠度变化约为5.16μm,灵敏度约为51.6n...
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１光纤压力传感器测压系统示意图??１．２．２国内夕卜的研究现状??
图１－２非本征型光纤传感器??Ｊｉｅ?Ｚｈｏｕ等人用ＭＥＭＳ技术加工制作了一种光纤法珀干涉型ＭＥＭＳ压力传感器，??如下图１－３所示。使用ＨＦ溶液腐蚀玻璃得到法珀腔，使用ＫＯＨ溶液腐蚀单晶娃，得??到单晶硅敏感膜，根据阳极键合法将两者键合，将传感器芯片与光纤对准后，用环氧树??脂进行粘合。采用这种方法得到的光纤传感器，不仅具有稳定的整体结构，同时还具有??良好的压敏特性，缺点是膜厚难以控制以及玻璃底部较为粗糙。总体来说，这种工艺使??用的范围更广泛。??单晶娃?＿＿＿＿??：：：：?：：：：：：：：：：：：?＾?、＼?Ｉ：：：：：：：：：：??玻璃＾＾卜⑴；丨＇；：卜；‘丨⑴：ｎ…上??＾?布里－珀罗腔??光纤’’??图１－３体硅工艺制作的光纤法珀干涉型ＭＥＭＳ压力传感器??２００８年，美国康奈尔大学研宄分析了石墨烯薄膜的不透气性［２°］［２１］。２０１１年，新加??坡Ａ－ｓｔａｒ研宄所研究分析了以硅为基底的石墨烯圆膜片，根据分子动力学的理论对石??墨稀Ｕ吴的最大应力载荷进彳丁了实验仿真ｌ２２Ｌ实验结果为３２Ｎ／ｍ。同年，伊朗Ｇｕｉｌａｎ大??学研究分析了多层石墨烯薄膜的振动特性［２３］。２０１２年，瑞典ＫＴＨ皇家理工学院设计??并制作了一种悬浮石墨烯压力传感器［２４］；其后
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【参考文献】：
期刊论文
[1]Novel wavelet neural network algorithm for continuous and noninvasive dynamic estimation of blood pressure from photoplethysmography[J]. Peng LI,Ming LIU,Xu ZHANG,Xiaohui HU,Bo PANG,Zhaolin YAO,Hongda NHEN. Science China（Information Sciences）. 2016(04)
[2]MEMS光纤法珀压力传感器的设计及解调方法实现[J]. 曹群,贾平岗,熊继军,张海瑞,洪应平,房国成. 传感技术学报. 2015(08)
[3]石墨烯薄膜大挠度力学特性研究[J]. 李成,肖俊,郭婷婷,樊尚春,靳伟. 机械工程学报. 2015(06)
[4]MEMS F-P干涉型压力传感器[J]. 江小峰,林春,谢海鹤,黄元庆,颜黄苹. 红外与激光工程. 2014(07)
[5]基于石墨烯膜的光纤Fabry-Perot腔干涉特性分析[J]. 李成,郭婷婷,肖俊,樊尚春,靳伟. 北京航空航天大学学报. 2015(04)
[6]人工神经网络和信息融合技术在变压器状态评估中的应用[J]. 阮羚,谢齐家,高胜友,聂德鑫,卢文华,张海龙. 高电压技术. 2014(03)
[7]光纤光栅解调系统的寻峰算法研究[J]. 张天地,贺锋涛,周强,贾琼瑶,李雪峰. 激光技术. 2013(01)
[8]基于遗传算法的小波神经网络温度补偿模型[J]. 孙艳梅,刘树东,苗凤娟,陶佰睿. 传感技术学报. 2012(01)
[9]光纤传感器的工程应用及发展趋势[J]. 陈继宣,龚华平,张在宣. 光通信技术. 2009(10)
[10]基于相位解调的光纤MEMS压力传感器[J]. 葛益娴,王鸣,闫海涛,戎华. 功能材料与器件学报. 2008(02)
博士论文
[1]白光非本征法布里—珀罗干涉光纤传感器及其应用研究[D]. 荆振国.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]阵列式MEMS压阻智能压力传感器系统研究[D]. 赵阳.南京信息工程大学 2017
[2]光纤法布里-珀罗传感器腔长解调新方法与系统研究[D]. 黄海.重庆大学 2010
[3]飞秒激光加工的光纤法珀腔应变温度特性及复用解调方法研究[D]. 唐庆涛.重庆大学 2007
[4]微型非本征法布里—珀罗干涉光纤压力传感器研究[D]. 董玉珮.大连理工大学 2006
[5]光纤法布里—珀罗传感器解调技术的研究[D]. 王婷婷.南京师范大学 2005
[6]光纤F-P/FBG传感器通用解调技术研究[D]. 张文.重庆大学 2004
本文编号：3094558
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１光纤压力传感器测压系统示意图??１．２．２国内夕卜的研究现状??
图１－２非本征型光纤传感器??Ｊｉｅ?Ｚｈｏｕ等人用ＭＥＭＳ技术加工制作了一种光纤法珀干涉型ＭＥＭＳ压力传感器，??如下图１－３所示。使用ＨＦ溶液腐蚀玻璃得到法珀腔，使用ＫＯＨ溶液腐蚀单晶娃，得??到单晶硅敏感膜，根据阳极键合法将两者键合，将传感器芯片与光纤对准后，用环氧树??脂进行粘合。采用这种方法得到的光纤传感器，不仅具有稳定的整体结构，同时还具有??良好的压敏特性，缺点是膜厚难以控制以及玻璃底部较为粗糙。总体来说，这种工艺使??用的范围更广泛。??单晶娃?＿＿＿＿??：：：：?：：：：：：：：：：：：?＾?、＼?Ｉ：：：：：：：：：：??玻璃＾＾卜⑴；丨＇；：卜；‘丨⑴：ｎ…上??＾?布里－珀罗腔??光纤’’??图１－３体硅工艺制作的光纤法珀干涉型ＭＥＭＳ压力传感器??２００８年，美国康奈尔大学研宄分析了石墨烯薄膜的不透气性［２°］［２１］。２０１１年，新加??坡Ａ－ｓｔａｒ研宄所研究分析了以硅为基底的石墨烯圆膜片，根据分子动力学的理论对石??墨稀Ｕ吴的最大应力载荷进彳丁了实验仿真ｌ２２Ｌ实验结果为３２Ｎ／ｍ。同年，伊朗Ｇｕｉｌａｎ大??学研究分析了多层石墨烯薄膜的振动特性［２３］。２０１２年，瑞典ＫＴＨ皇家理工学院设计??并制作了一种悬浮石墨烯压力传感器［２４］；其后
＾￣■??图１－２非本征型光纤传感器??Ｊｉｅ?Ｚｈｏｕ等人用ＭＥＭＳ技术加工制作了一种光纤法珀干涉型ＭＥＭＳ压力传感器，??如下图１－３所示。使用ＨＦ溶液腐蚀玻璃得到法珀腔，使用ＫＯＨ溶液腐蚀单晶娃，得??到单晶硅敏感膜，根据阳极键合法将两者键合，将传感器芯片与光纤对准后，用环氧树??脂进行粘合。采用这种方法得到的光纤传感器，不仅具有稳定的整体结构，同时还具有??良好的压敏特性，缺点是膜厚难以控制以及玻璃底部较为粗糙。总体来说，这种工艺使??用的范围更广泛。??单晶娃?＿＿＿＿??：：：：?：：：：：：：：：：：：?＾?、＼?Ｉ：：：：：：：：：：??玻璃＾＾卜⑴；丨＇；：卜；‘丨⑴：ｎ…上??＾?布里－珀罗腔??光纤’’??图１－３体硅工艺制作的光纤法珀干涉型ＭＥＭＳ压力传感器??２００８年，美国康奈尔大学研宄分析了石墨烯薄膜的不透气性［２°］［２１］。２０１１年，新加??坡Ａ－ｓｔａｒ研宄所研究分析了以硅为基底的石墨烯圆膜片，根据分子动力学的理论对石??墨稀Ｕ吴的最大应力载荷进彳丁了实验仿真ｌ２２Ｌ实验结果为３２Ｎ／ｍ。同年
【参考文献】：
期刊论文
[1]Novel wavelet neural network algorithm for continuous and noninvasive dynamic estimation of blood pressure from photoplethysmography[J]. Peng LI,Ming LIU,Xu ZHANG,Xiaohui HU,Bo PANG,Zhaolin YAO,Hongda NHEN. Science China（Information Sciences）. 2016(04)
[2]MEMS光纤法珀压力传感器的设计及解调方法实现[J]. 曹群,贾平岗,熊继军,张海瑞,洪应平,房国成. 传感技术学报. 2015(08)
[3]石墨烯薄膜大挠度力学特性研究[J]. 李成,肖俊,郭婷婷,樊尚春,靳伟. 机械工程学报. 2015(06)
[4]MEMS F-P干涉型压力传感器[J]. 江小峰,林春,谢海鹤,黄元庆,颜黄苹. 红外与激光工程. 2014(07)
[5]基于石墨烯膜的光纤Fabry-Perot腔干涉特性分析[J]. 李成,郭婷婷,肖俊,樊尚春,靳伟. 北京航空航天大学学报. 2015(04)
[6]人工神经网络和信息融合技术在变压器状态评估中的应用[J]. 阮羚,谢齐家,高胜友,聂德鑫,卢文华,张海龙. 高电压技术. 2014(03)
[7]光纤光栅解调系统的寻峰算法研究[J]. 张天地,贺锋涛,周强,贾琼瑶,李雪峰. 激光技术. 2013(01)
[8]基于遗传算法的小波神经网络温度补偿模型[J]. 孙艳梅,刘树东,苗凤娟,陶佰睿. 传感技术学报. 2012(01)
[9]光纤传感器的工程应用及发展趋势[J]. 陈继宣,龚华平,张在宣. 光通信技术. 2009(10)
[10]基于相位解调的光纤MEMS压力传感器[J]. 葛益娴,王鸣,闫海涛,戎华. 功能材料与器件学报. 2008(02)
博士论文
[1]白光非本征法布里—珀罗干涉光纤传感器及其应用研究[D]. 荆振国.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]阵列式MEMS压阻智能压力传感器系统研究[D]. 赵阳.南京信息工程大学 2017
[2]光纤法布里-珀罗传感器腔长解调新方法与系统研究[D]. 黄海.重庆大学 2010
[3]飞秒激光加工的光纤法珀腔应变温度特性及复用解调方法研究[D]. 唐庆涛.重庆大学 2007
[4]微型非本征法布里—珀罗干涉光纤压力传感器研究[D]. 董玉珮.大连理工大学 2006
[5]光纤法布里—珀罗传感器解调技术的研究[D]. 王婷婷.南京师范大学 2005
[6]光纤F-P/FBG传感器通用解调技术研究[D]. 张文.重庆大学 2004
本文编号：3094558
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