摘 要

压力敏感元件对压力传感器性能至关重要，研究压力敏感膜片的压力-形变特性，有助于找到合适的敏感膜材料与结构用于压力传感器的设计。

本文借助有限元分析软件ANSYS对不同结构（平面、台面、波纹）以及不同材料的膜片进行了仿真，仿真得到了膜片在压力下的形变数据值、位移云图以及形变随坐标变化的曲线。对于每种材料结构，都采用分步施加载荷的方式对膜片施加压强，从0MPa开始，以0.05MPa为压强间隔，仿真了各膜片受压0~0.2MPa的形变情况。得出的膜片的形变规律如下：对于平面膜，中心挠度随膜片厚度的增大而增大，随半径的减小而增大；对于台面膜，中心挠度随台面半径或厚度的减小而增大，但台面厚度对膜片中心挠度的影响较小；对于波纹膜片，中心挠度随波纹宽度或波纹高度的减小而增大。此外，台面结构和波纹结构受压后的形变在平行度上明显优于平面膜片。

对膜片的微小形变量，拟利用F-P干涉测量法进行测量，对干涉光谱仪输出的干涉光数据利用相位解调法进行解调，得到F-P腔的腔长改变量。在实验中，测得了8组不同腔长下的干涉光谱数据，利用相位解调法中的多峰法，对每个腔长下对应的测量值都综合多组峰值数据计算，分析实验结果发现实验误差较小，表明利用F-P干涉法测量薄膜微形变是可行的。

关键词：法布里-珀罗干涉；ANSYS；台面膜；波纹膜片

Abstract

Pressure sensitive components are critical to the performance of pressure sensors. Studying the pressure-deformation characteristics of pressure sensitive diaphragms helps to find the right sensitive membrane materials and structures for pressure sensor design.

In this paper, the finite element analysis software ANSYS is used to simulate the diaphragms of different structures(plane, table, corrugated) and different materials.The deformation data value, displacement cloud map and deformation curve of the diaphragm under pressure are obtained. For each material structure, the pressure is applied to the diaphragm by means of step-by-step application of load. Starting from 0 MPa, with 0.05 MPa as the pressure interval, the deformation of each diaphragm is simulated by 0~0.2 MPa. The deformation law of the obtained diaphragm is as follows: for the planar film, the central deflection increases with the increase of the thickness of the diaphragm, and increases with the decrease of the radius; for the mesa, the central deflection decreases with the radius or thickness of the mesa. However, the thickness of the mesa has little effect on the deflection of the center of the diaphragm; for the corrugated diaphragm, the central deflection increases as the width of the corrugation or the height of the corrugation decreases. In addition, the deformation of the mesa structure and the corrugated structure after pressing is significantly superior to the planar diaphragm in parallelism.

The microscopic variable of the diaphragm is measured by F-P interferometry, and the interference optical data output from the interference spectrometer is demodulated by the phase demodulation method to obtain the cavity length change of the F-P cavity. In the experiment, the interference spectrμm data of 8 groups of different cavity lengths were measured. Using the multi-peak method in the phase demodulation method, the corresponding measurement values ​​of each cavity length were combined to calculate multiple sets of peak data, and the experimental results were found. The experimental error is small, indicating that it is feasible to measure the micro-deformation of the film by FP interferometry.

Key Words： Fabry-Perot interference； ANSYS； table mask；corrugated diaphragm

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 课题相关的研究现状 1

1.2.1 敏感材料研究现状 1

1.2.2 敏感结构研究现状 2

1.3 研究内容及目标 3

第2章 膜片式微型光纤F-P压力传感器的工作原理 4

2.1敏感膜片的压致形变 4

2.2 F-P传感器的基本原理 6

2.3 F-P腔干涉解调原理 6

2.3.1 条纹计数法 6

2.3.2 傅里叶变换法 7

2.4 本章小结 7

第3章 不同材料薄膜结构的ANSYS仿真 8

3.1 有限单元法与ANSYS软件介绍 8

3.1.1 有限单元法的介绍 8

3.1.2 ANSYS软件介绍 8

3.2 平面结构金膜的ANSYS软件模拟 9

3.2.1 挠度特性ANSYS仿真步骤及结果 9

3.2.2 膜片半径对压致形变效应的影响 11

3.2.3 膜片厚度对压致形变效应的影响 11

3.3 台面结构金膜的ANSYS软件模拟 12

3.3.1 台面半径对压致形变效应的影响 12

3.3.2 台面高度对压致形变效应的影响 13

3.4 波纹结构金膜的ANSYS软件模拟 13

3.4.1 波纹宽度对压致形变效应的影响 14

3.4.2 波纹高度对压致形变效应的影响 15

3.5 不同材料的平面膜片的ANSYSY软件模拟 15

3.6 本章小结 17

第4章 实验 18

4.1 压力传感实验装置及原理 18

4.2 干涉光谱仿真 18

4.3 预实验 20

4.4 本章小结 23

第5章 结论 24

参考文献 25

附 录 26

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 课题背景与意义

压力传感器是重要的压力信号感测和能量转换装置，是各类控制装置和系统进行信息获取与传输的核心器件。由于压力测控系统日益增高的自动化程度和复杂性，对压力传感器的各技术指标（如测量精度、可靠性和动态响应等）的要求也进一步提高。

目前，具有高灵敏度的压力传感技术主要包括：应变片法和光学测量法，其中，由于应变片容易受到电磁场、温度、湿度等外部环境的影响，其应用受到一定程度的限制。

光学测量方法中最常见的是利用光纤产生干涉的测量方案，该类方案相比较于应变片方法，可以更好的适应恶劣的工业环境，对外界各种电磁干扰等有较强的屏蔽作用，且由于使用光纤传感，不涉及电磁转换，在易燃易爆等环境有着很好的应用前景。而相较于其他几种类型的光纤压力传感器，基于法布里-珀罗干涉仪原理的光纤压力传感器可以满足工业和生物医学领域对传感器微型化的需求。微型法布里-珀罗压力传感器通常有毛细管结构和膜片结构。毛细管结构的压力传感器对压力感知敏感度低^[1]，不适于对精度要求高的微压测量。膜片式F-P结构具有低损耗、强抗干扰能力、高灵敏度、高测量精度、动态响应好等优良特性，具有广大的应用前景。

基于法布里-珀罗干涉仪原理的光纤压力传感器，其原理为敏感膜片在外界压力下产生形变导致F-P腔长变化来实现压力信号传感^[2]，由于敏感膜片做为传感器的信号转换的第一级，其性能的优劣将对传感器性能有着巨大的影响，所以作为敏感器件的薄膜在压力作用下的形变量对敏感结构设计至关重要。因此，以薄膜为敏感元件的压力传感单元，其薄膜材料与结构设计是决定其压力灵敏度和应变灵敏度的重要因素，本文旨在通过实验定量研究不同膜片材料和结构对压力传感器性能的影响，从而选择可以用于改善压力传感器性能的材料和结构。

1.2 课题相关的研究现状

1.2.1 敏感材料研究现状

压力传感器敏感材料对传感器的性能有着至关重要的影响。传感器的敏感材料有很多种，常用压力敏感材料大致分为金属材料和非金属材料^[3]这两类。