MEMS 光纤传感器 加速度传感器 结构设计 迈克尔逊干涉
MEMS光纤压力传感器检测电路系统设计分析
MEMS光纤压力传感器检测电路系统设计分析MEMS光纤压力传感器是一种基于MEMS技术制造的压力传感器。
它利用光纤作为传感元件，通过对光纤中光的损耗进行测量，来实现对压力的测量。
由于其具有高精度、高稳定性、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于航空航天、石油化工、医疗器械等领域。
为了使MEMS光纤压力传感器能够正常运作，需要设计专门的检测电路系统。
本文旨在介绍MEMS光纤压力传感器检测电路系统的设计和分析。
MEMS光纤压力传感器采用的是光纤干涉测量原理。
其基本原理是：将一束光分成两路，分别经过两条光纤，经过两条光纤后再聚焦成一束光，经过光学检测器检测。
当不受压力作用时，两路光路匹配，干涉峰最大；当受到压力作用时，两路光路失去匹配，干涉峰发生位移。
通过测量干涉峰的位移，就可以得到受压力的大小。
二、检测电路系统设计检测电路是用来检测光纤干涉中干涉峰的信号变化，并将其转换为电信号的电路。
其基本组成部分包括光源、光纤、光学检测器和转换电路。
其中，光源用来发出一束光，经过光纤，经过光学检测器检测。
检测器将干涉峰的信号变化转换为电信号输出，经过转换电路变为标准电信号。
2、信号放大电路信号放大电路的作用是将传感器测量出来的微弱信号放大到合适的幅度，并将其采样成数字信号，送入控制系统进行处理。
放大电路的设计应考虑到MEMS光纤压力传感器输出信号的特点，如大小、精度、灵敏度等，从而达到最优的信噪比。
3、滤波电路设计滤波电路是为了消除传感器输出信号中存在的高频噪声，从而提高信号的可靠性和准确性。
常用的滤波电路包括低通滤波电路、高通滤波电路、带通滤波等。
在设计滤波电路时，需要根据具体情况选择适当的滤波器类型和参数，并对滤波器进行精确的校正和调整，以达到最优的滤波效果。
三、结论本文介绍了MEMS光纤压力传感器检测电路系统的设计和分析。
该电路系统的基本组成包括检测电路、信号放大电路和滤波电路等。
在设计时，应根据具体情况选择适当的电路组件，以达到最优的检测效果。
MEMS光纤压力传感器检测电路系统设计分析
MEMS光纤压力传感器检测电路系统设计分析MEMS光纤压力传感器是一种基于光纤传感技术和MEMS技术相结合的新型传感器。
它通过对光纤的应变进行监测和测量，实现压力信号的获取和传输。
光纤压力传感器具有体积小、重量轻、精度高、响应速度快等优点，在工业、医疗、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
本文对MEMS光纤压力传感器的检测电路系统进行了设计和分析。
一、MEMS光纤压力传感器的工作原理MEMS光纤压力传感器由光纤传感元件和光电检测电路组成。
光纤传感元件一端固定，另一端则与受力物体相连。
当受力物体受到外界压力作用时，光纤被应变，导致传感元件长度发生微小变化，从而改变光纤传输的光功率。
光电检测电路通过检测光功率的变化来获得压力信号。
二、MEMS光纤压力传感器的检测电路系统设计要点1. 光纤传感元件的选用：光纤传感元件的选择应考虑其灵敏度、稳定性、线性度等因素。
一般而言，采用光纤光栅或光纤光学腔等结构较为常见。
2. 光电检测电路的设计：光电检测电路的设计需要考虑光电二极管的工作点选择、放大电路的设计等因素。
由于传感器的输出光功率较小，因此需要采用高灵敏度的光电二极管，并通过放大电路将微小的光功率变化放大到适合A/D转换的电压范围。
3. 温度补偿电路的设计：光纤传感元件的灵敏度和稳定性受到温度的影响较大，因此需要设计温度补偿电路来抵消温度引起的误差。
一种常见的方法是采用温度传感器测量环境温度，并通过微处理器进行温度补偿。
三、MEMS光纤压力传感器的检测电路系统设计分析1. 光纤传感元件的设计分析：光纤传感元件的设计需要考虑其应变灵敏度和机械结构的可靠性。
光纤光栅可以通过周期性的折射率调制来实现对光纤传输的调控，具有灵敏度高、线性度好的优点，适用于高精度的压力测量。
光纤光学腔则通过改变光纤的长度来改变光纤的传输特性，具有响应速度快的优点，适用于需要快速响应的场合。
MEMS光纤压力传感器的检测电路系统设计需要综合考虑光纤传感元件的选用、光电检测电路的设计和温度补偿电路的设计等因素。
迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer
基础物理实验25测量空气折射率Measurements of the refractive index of air UsingMichelson Interferometer南开大学基础物理实验教学中心基础物理实验室在许多精密测量中，必须考虑测量环境的空气折射率对测量的影响，对测量结果进行修正。
通常，空气折射率与真空折射率相差是很小的，约在10-4数量级上。
因此不可能直接利用折射定律来测量，而是通过干涉方法测量。
迈克尔逊干涉仪（Michelson Interferometer）是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。
在近代物理和近代计量技术中，如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验中都有着重要的应用。
迈克尔逊干涉仪是一个分振幅法的双光束干涉仪，可以实现等倾和等厚两种干涉。
完成一臂带有气室迈克尔逊干涉仪的组装和调整，学习利用加压法测量气体折射率，利用最小二乘法处理实验数据。
所提供的仪器用具光学平台、He-Ne激光器、平面反射镜两个、分束板、扩束镜、20cm气室、气压表，充气皮球及放气阀、屏依原理图自组仪器调整仪器●保证光在气室内通过的长度与气室的标称长度一致●在观察屏上获得大小要适中的等倾干涉条纹给气室充入不同气压的空气，记录气压分别为100mmHg 、150mmHg 、200mmHg 、250mmHg 时的条纹变化的数目，每个气压下测量三次。
假定空气折射率与气压成线形关系，利用最小二乘法处理实验数据。
N LP P n o o 21λ∆+=加压法测量？如何保证光在气室内通过的距离与气室标称长度一致？组装干涉仪的过程中，用什么作为基准进行各部件的调节依据•实验过程中平台振动对迈克尔逊干涉仪有何影响？这样的影响有何用途？•实验中放气时，条纹有可能冒出和陷入。
在气室内气压与外界一致时，放置气室的光程与另一路相比是大还是小？•如和利用迈克尔逊干涉仪测量一厚度已知的玻璃折射率。
迈克尔逊干涉仪干涉现象原理
迈克尔逊干涉仪干涉现象原理迈克尔逊干涉仪是一种用于测量光的干涉现象的仪器，由美国物理学家迈克尔逊于19世纪末发明。
它利用光的波动性质，通过光的干涉现象，来测量光的性质和测量长度等物理量。
迈克尔逊干涉仪的干涉现象原理是通过将光分成两束，让它们分别经过两个不同的光路，然后再将它们重新合并在一起，观察光的干涉现象。
迈克尔逊干涉仪的结构由一个光源、一个分束器、两个光路和一个合束器组成。
光源发出的光经过分束器后被分成两束，分别通过两个光路。
光路中的一个被称为参考光路，另一个被称为待测光路。
在参考光路中，光线经过一面半透明镜后被反射回来，然后与待测光路中的光线在合束器处重新合并。
在合束器处，两束光线相遇，形成干涉现象。
当两束光线相遇时，它们会产生干涉现象。
干涉现象是由于光的波动性质所引起的，当两束光线的相位差为整数倍的波长时，它们会相互增强，产生明亮的干涉条纹；而当两束光线的相位差为半整数倍的波长时，它们会相互抵消，产生暗淡的干涉条纹。
通过观察干涉条纹的变化，可以得到关于光的性质以及光路长度的信息。
迈克尔逊干涉仪的干涉现象原理可以用以下几个关键步骤来描述。
首先，光源发出的光经过分束器被分成两束，一束经过参考光路，一束经过待测光路。
然后，两束光线分别经过不同的光路，其中参考光路的一束光线经过半透明镜反射回来，与待测光路中的光线在合束器处重新合并。
最后，通过观察合束器处的干涉条纹，可以得到关于光的性质和光路长度的信息。
迈克尔逊干涉仪的干涉现象原理可以应用于许多领域。
在物理学中，它可以用来测量光的波长、光速、折射率等物理量。
在工程学中，它可以用来测量长度、厚度、形状等。
在天文学中，它可以用来测量星体的距离和直径等。
迈克尔逊干涉仪的干涉现象原理的应用广泛，对于科学研究和工程实践具有重要的意义。
迈克尔逊干涉仪利用光的干涉现象来测量光的性质和物体的长度等物理量。
它的干涉现象原理是通过将光分成两束，经过不同的光路后再重新合并，观察干涉条纹的变化来获取信息。
Michelson干涉型光纤传感器原理.
一、引言光纤传感由于具有本质安全、电绝缘性好、灵敏度高及便于连网等优点，已在许多物理量的测量中得到应用，特别是基于光纤干涉的传感系统已成为物理量检测中最为精确的系统之一。
光纤干涉仪是一种高精度测量仪器，但存在相位随机漂移及倍频等光学问题。
现有文献报导中，解决的方法是采用相位生成载波技术，调制解调的实现过程复杂，并有可能产生信号波形的失真。
另外，虽有采用压电陶瓷（PZT）的报导，但未见对相位随机漂移及倍频问题的具体解决方法。
为此，本文给出一种简单实用的解决方案，在原理上说明其可行性，并进行了实验验证。
二、Michelson干涉型光纤传感器原理图1所示为Michelson相位调制型光纤干涉仪结构示意图。
由激光器发出的相干光经光隔离器和耦合器后一分为二分别送入2根长度基本相同的单模光纤（即干涉仪的两臂，其一为信号臂，另一参考臂），而后被反射膜反射，在耦合器的输出端发生干涉。
显然，这是一种双光束干涉仪，干涉光的幅度与信号光及参考光的幅度有关，其相位为两臂光相位之差，干涉场光强分布为I=I1+I2+2I1I2cos（Φ）=A+Bcos（Φ）（1）Φ=2nπl/λ（2）式（1）右端是光电转换的信号，I1、I2分别为干涉仪两臂单独存在时的光强，在检测时通常以直流项对待；2I1I2cos（Φ）表示干涉效应，当Φ=2mπ时，为干涉场的极大值，其中m为干涉级次。
式（2）中，Φ为干涉仪两臂光波的相位差，它可以表示为因为环境波动引起的随机漂移信号S和待测信号N之和，由光波波长λ、光纤折射率n以及光纤两臂长度差l共同决定。
在波长一定的情况下，两臂光程差改变nl，就改变了干涉信号的相位差，从而实现传感功能。
干涉光信号由光电转换器（PD）转换为电信号。
通过检测电信号的变化，就得到相应的干涉光信号的相位变化。
三、相位漂移及倍频原因简析由式（1）可见，I随Φ呈余弦变化规律，I～Φ关系曲线如图2所示。
在Φ=2nπ处为最大值（n=0，±1，±2，⋯⋯），而在Φ=（2n+1π处取值最小，而在Φ=nπ+π/2处变化最快，I变化最快即表示此时干涉仪具有最高灵敏度。
MEMS加速度传感器
核心部件都包含3 dB耦合器。
微谐振式
谐振式加速度传感器是一种典型的
微机械惯性器件，基本工作原理是 利用振梁的力频特性，通过检测谐 振频率变化量获取输入的加速度。
热对流式
微型热对流加速度计是利用封闭空
气囊内的自由热对流对加速度敏感 性。两个温度传感器对称地在有气 体的腔体两侧，中间有一个热源。
•加速度传感器中的分类
加速度传感器的原理随其应用而不同，有压阻式，电容式，压 电式，谐振式、伺服式等。
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
压阻式压阻式器件是最早微型化和商业化的一类加速度传感器。基于世界领先的 MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集 成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监 测等领域。
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
工艺流程
（d）在两面涂上光刻胶作为 湿法刻蚀的梁结构 （e）去除光刻胶以后两面重 新被氧化生成SiO2，随后再 EVG-100覆盖 （f）利用剩下的光刻胶进行刻 蚀然后移除光刻胶
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压阻式加速度传感器
工艺流程
（g）等刻蚀完成，对 称梁结构形成
工艺构造
当前大多数的电容式加速度传感器都是由三部分硅晶体圆片构成的，中层是由双 层的SOI硅片制成的活动电容极板。如图一所示， 中间的活动电容极板是由八个 弯曲弹性连接梁所支撑，夹在上下层两块固定的电容极板之间。基本结构选择需 要考虑的条件是：量程、刚性约束条件、弹性约束条件、谐振频率约束。对于梁 的选择一般是选择U形折叠梁，即可保证其一定的刚度又可以节省材料。为实现 过载保护常采用止挡块结构来限制敏感质量块运动的最大位移。常用材料是二氧 化硅
基于迈克尔逊干涉 原理的光纤传感器研究
共用一个双 面反射镜
由于传输光偏 振态对于相干 光通信和光纤 干涉仪以及干 涉型光纤传感 器的影响非常 明显，所以要 对光的偏振态 实施控制
光纤Michelson 干涉传感器的特点
1) 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、 使用安全
2) 灵敏度高 3) 重量轻、体积小、可挠曲 4) 测量对象广泛 5) 传输损耗小 6) 传输容量大 7) 成本低
光纤Michelson 干涉传感器的应用
1） 应用于教学 2） 测量微位移 3） 测量折射率 4） 测量微应变、应力 5） 测量磁场的强弱 6） 测量压力
基于迈克尔逊干涉 原理的
光纤传感器研究
物类一班 李晓宁
200731020090
迈克尔逊干涉仪
迈克尔逊干涉仪,是1883年美国物理学家迈克尔逊和 莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的 精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实 现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条 纹，也可以产生等倾干涉条纹。主要用于长度和折 够引起测量臂的长度、折射率、直径的
本
变化，从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振 等方面发生变化，测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干
原
涉（比较），使输出的光的相位(或振幅)发生变化
理
光纤Michelson 干涉仪系统原理
He- Ne 激光通过耦合透镜 L 进入单模光纤后被一个称 为FDC的装置分成强度相 的两束，分别进入参考臂 和测量臂中传播。 两干涉 臂中传播的光线经各自光 纤端面的反射镜M1、M2 反射重新返回光纤中，当 干涉仪两个臂间的光程差 小于光源的相干长度时， 两束光在FDC 的另一输出 端将发生干涉。输出的干 涉信号进入光电探测器D。 这样光电探测器D 就给出 了干涉强度和两束光光程 差之间的函数关系。
MEMS光纤压力传感器检测电路系统设计分析
MEMS光纤压力传感器检测电路系统设计分析一、引言MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技术是微机电系统技术的缩写，是将微米级或纳米级结构的机械部件、传感器、执行器及电子电路等集成在一起，形成一种新型的微米级系统，是微电子技术、微机械技术和光学技术相结合的产物。
MEMS技术已经广泛应用于各种传感器中，光纤压力传感器便是其中之一。
光纤压力传感器是一种利用光纤传感元器件的变形来检测压力的一种传感器，其特点是有较宽的温度适应范围和较高的分辨率。
本文将讨论MEMS光纤压力传感器检测电路系统的设计分析。
二、MEMS光纤压力传感器检测原理光纤压力传感器是利用光纤传感元器件的变形来测量物理量的一种传感器。
其基本原理是通过光纤传感元器件的变形，使光纤中的光发生相应的变化，再通过检测这种光的变化来获得被测物理量的信息。
光纤传感元器件一般包括光栅、光纤、光学波导等光学元件，这些元件可以对光纤中的光进行调制、散射等操作，当受到外界压力作用时，这些光学元件会发生相应的变形，从而影响到光的传播方式和参数，通过检测这些变化就可以获得外界压力的信息。
光纤压力传感器的检测原理可以简单概括为：外界压力作用下，使得光纤中的光发生相应变化，再通过光的检测获取外界压力信息。
三、MEMS光纤压力传感器检测电路系统设计1. 信号采集电路设计光纤压力传感器通过光的检测来获取外界压力信息，因此需要设计一个信号采集电路来对光信号进行采集和处理。
信号采集电路一般包括光电探测器、放大电路和滤波电路等。
光电探测器是将光信号转换为电信号的设备，一般采用光电二极管或者光电探测器阵列。
放大电路用于放大光电转换后的微弱信号，以便后续的处理和分析。
滤波电路用于对信号进行滤波处理，去除干扰信号，提高信噪比。
2. 信号处理电路设计信号采集电路获取到光信号后，还需要进行一系列的信号处理，包括放大、滤波、数字化等。
信号处理电路一般包括模拟信号处理电路和数字信号处理电路。
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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 【索购全文】联系Q1：138113721 Q2：139938848
【目录】MEMS光纤加速度传感器理论研究摘要
5-6Abstract6-7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25-28 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。