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基于ARM的光声信号检测系统设计与应用研究

基于ARM的光声信号检测系统设计与应用研究

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作者：王霄鸷华中科技大学

学位级别：硕士

光声光谱检测技术以其高灵敏度、高精度等优势,成为最佳的变压器油中气体在线检测方法。但目前使用电学式传感器的检测方法,仍然存在电磁干扰,检测信号受温湿度影响较大等缺点。因此研究出一个稳定的有较大的动态范围的光学检测方法,对... 详细信息

光声光谱检测技术以其高灵敏度、高精度等优势,成为最佳的变压器油中气体在线检测方法。但目前使用电学式传感器的检测方法,仍然存在电磁干扰,检测信号受温湿度影响较大等缺点。因此研究出一个稳定的有较大的动态范围的光学检测方法,对系统的稳定性和精度提升有重大意义。因此本文重点研究Q点解调的检测方法,目前针对Q点解调方法存在工作点漂移和动态范围较小等问题,主要是使用工作点自稳定系统进行工作点补偿。目前的补偿方法主要可以分为调节激光器波长和调节机械结构两种,其中改变激光器驱动电流方法的调节范围较小,调节机械结构方法和调节激光器温度方法稳定性较差。本文针对工作点漂移的问题,提出调节电流和调节温度相结合的方法,利用改进的控制方法实现了大温度范围的工作点稳定;针对动态范围较小的问题,提出了Q点解调-双FP解调的改进方案解决了动态范围受限的问题。主要研究内容如下:(1)根据光束干涉公式分析了法布里-帕罗(Fabry-Perot,FP)传感器的反射光谱,分析了反射光谱的光谱特征。探讨了换能薄膜型FP传感器两个反射面不同的反射率组合对传感器制备的影响,确定了光纤端面弱反、薄膜高反的传感器制备方案。从原理分析了工作点漂移和声信号大小对解调结果的影响。(2)针对正交工作点的强度解调(Q-point based intensity demodulation,Q点解调)方案的工作点漂移的问题,设计了一种温度调节与电流调节相结合的反馈控制方法,其结构简单,无需特殊激光器,成本更低,能够实现大温度范围的Q点稳定。在所提出的方案中,利用激光器驱动调节激光器输出波长来消除因为外界环境因素引起的工作点漂移。关于FP传感器,本文使用光纤端面弱反、薄膜高反的制备方案,设计并制作了适用于本方案的FP传感器。关于激光器波长调节方法,本文使用了温度调节与电流调节相结合的调节方法,使得工作点稳定过程不受到温度变化范围的限制。相对于单纯的比例积分微分(Proportion Integration Differentiation,PID)控制方法,本方案的反应速度更快并且不受激光器波长调节范围的限制。实验结果显示本方案将工作点漂移的波动减小了10倍,同时能实现全温度范围工作点稳定。(3)针对Q点解调动态范围较小的问题,本文提出了Q点解调-双FP解调方案,该方案结合了Q点解调方法和相位解调方法的特点,解决解调过程中的动态范围受限的问题。本文根据Q点解调和双FP解调的特点设计整体方案,制作了双FP传感器并搭建了实验光路。当声信号较小时使用Q点解调的方案,当声信号大于某一阈值时就会使用双FP解调方法。该方案消除了声信号大小对于Q点解调和双FP解调结果的影响,增加了系统解调结果的精准度。最终实验表明该方法能有效扩展解调系统的动态范围。

关键词：光声光谱法布里-帕罗微弱信号检测信号采集

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面向灵巧蒙皮的微型压力传感器的设计与分析

面向灵巧蒙皮的微型压力传感器的设计与分析

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作者：陈爽西北工业大学

学位级别：硕士

MEMS器件具有重量轻、体积小和功耗低等优点，可以很好地满足航空飞行器的要求，而将基于MEMS的微型传感器集成用于检测飞行器蒙皮的相关参数，已经成为航空领域发展的主要方向之一。本文将以面向灵巧蒙皮的微型压力传感器为对象展开研... 详细信息

MEMS器件具有重量轻、体积小和功耗低等优点，可以很好地满足航空飞行器的要求，而将基于MEMS的微型传感器集成用于检测飞行器蒙皮的相关参数，已经成为航空领域发展的主要方向之一。本文将以面向灵巧蒙皮的微型压力传感器为对象展开研究。首先，根据空气流动的基本规律给出机翼表面压力分布图，通过对光学式微型压力传感器的理论分析，采用强度调制法测量飞机机翼表面的压力并建立基于此方法的光学测量系统模型，得到了压力与敏感膜片变形以及光电转换输出能量之间的关系。其次，本文对一种传统的法布里一帕罗标准具型光纤压力传感器(该传感器阵列的每一单元均由单晶硅制造而成的法布里一怕罗标准具组成)进行了结构设计和性能分析。通过改进敏感元件结构，提高了其性能，从而得到适用于灵巧蒙皮表面压力测量应用的器件阵列：在此基础上，本文提出了一种新型的微型压力传感器结构，该结构采用的敏感膜片以氮化硅为材料，厚度较薄，因此该膜片的变形适用于薄膜变形理论的分析，忽略了弯曲应力的影响，从而提高了传感器的灵敏度。最后，针对敏感膜片的变形和应力进行了理论分析以及计算，并通过有限元仿真加以验证，结果表明传感器的设计达到预定的性能要求。这种基于光学强度调制测量法的传感器阵列具有精度高、抗电磁干扰、尺寸小、耗能低等优点。

关键词：微机电系统微型压力传感器阵列光学压力传感器法布里-帕罗压力传感器

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