隨著時(shí)代的發(fā)展,科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,在我國,越來越多的工程建筑正在進(jìn)行修建,在諸如橋梁、高鐵、大廈、鉆井等結(jié)構(gòu)建筑中,及時(shí)、準(zhǔn)確的檢測和排查各種低頻、高頻振動(dòng)尤為重要。光纖光柵自面世以來,因其體積小、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、復(fù)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),愈加廣泛地被應(yīng)用于實(shí)際工程中,而探索不同結(jié)構(gòu)、性能的光纖光柵振動(dòng)傳感器系統(tǒng),提高傳感器靈敏度、穩(wěn)定性及降低成本,依然是國內(nèi)外工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。極大角度傾斜光纖光柵(Excessively tilted fiber Bragg grating,ExTFG)作為一種新型的多功能特種光纖光柵,與傳統(tǒng)的FBG相比,在低頻振動(dòng)信號檢測領(lǐng)域,具有獨(dú)特的優(yōu)勢,但相關(guān)研究較少。石墨烯作為一種二維薄膜材料,具有很好的光、電、力學(xué)特性,為低頻振動(dòng)傳感的研究提供了新的方向,將石墨烯與ExTFG相結(jié)合的傳感研究,在振動(dòng)傳感和納米材料的跨學(xué)科融合中有重要的意義。基于以上研究背景,本文對ExTFG原理和石墨烯的特性進(jìn)行介紹,設(shè)計(jì)ExTFG軸向應(yīng)變、彎曲應(yīng)變和振動(dòng)傳感實(shí)驗(yàn),優(yōu)化ExTFG低頻振動(dòng)傳感器,并研究石墨烯涂覆ExTFG前后的軸向、彎曲和低頻振動(dòng)特性。主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn):(1)基于ExTFG耦合模理論,對ExTFG軸向應(yīng)變、彎曲應(yīng)變、低頻振動(dòng)傳感理論進(jìn)行分析,提出采用ExTFG諧振峰的3dB點(diǎn)對振動(dòng)信號進(jìn)行檢測,分析石墨烯對ExTFG的傳輸光場和楊氏模量影響,為實(shí)驗(yàn)開展建立理論基礎(chǔ)。(2)設(shè)計(jì)基于ExTFG的軸向應(yīng)變、彎曲應(yīng)變、低頻振動(dòng)傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并且進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,ExTFG發(fā)生軸向應(yīng)變和彎曲應(yīng)變時(shí),諧振波長會發(fā)生“藍(lán)移”,其TE模和TM軸向應(yīng)變靈敏度分別為-2.8pm/με、-1.8pm/με,彎曲應(yīng)變靈敏度為0.026dB/cm~(-1)和0.012dB/cm~(-1);在振動(dòng)信號檢測中,ExTFG的TE、TM模諧振峰的3dB點(diǎn)的振動(dòng)加速度靈敏度為S_(TE)=113.54mv/g、S_(TM)=100.93mv/g,比諧振峰的振動(dòng)加速度靈敏度(100%點(diǎn))高的2倍多,且信噪比(SNR)也要高~10dB。(3)以CVD銅基底單層石墨烯制備石墨烯ExTFG低頻振動(dòng)傳感器,并對轉(zhuǎn)移至傳感器表面的石墨烯進(jìn)行表征。對石墨烯ExTFG進(jìn)行軸向應(yīng)變、彎曲應(yīng)變、低頻振動(dòng)傳感實(shí)驗(yàn),得到傳感器涂覆石墨烯的光譜特性和傳感特性,包括:諧振峰波長紅移,峰值強(qiáng)度衰減,軸向應(yīng)變靈敏度變化較小,彎曲應(yīng)變靈敏度降低,振動(dòng)加速靈敏度及信噪比有所降低。雖然石墨烯涂覆ExTFG會使傳感器的靈敏度有所下降,但極大的增強(qiáng)傳感器的楊氏模量和剛度,在實(shí)際工程應(yīng)用中,能有效的保護(hù)傳感器。
【學(xué)位單位】：重慶理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212;TN253
【部分圖文】：

的軸向應(yīng)變、彎曲應(yīng)變及振動(dòng)傳感原理進(jìn)行介紹，其次，對石墨烯涂覆 ExTFG的傳輸光場和楊氏模量影響進(jìn)行了理論推導(dǎo)。2.1 極大傾角光纖光柵耦合模理論及傳感原理2.1.1 ExTFG 耦合模理論極大傾角光纖光柵（ExTFG）由于其光柵條紋的引入導(dǎo)致光柵截面的不對稱，使得 ExTFG 中符合諧振條件的纖芯基模耦合到前向傳輸?shù)陌鼘幽Ｖ校颐總�(gè)耦合模式都具有偏振相關(guān)的 TM、TE 兩個(gè)簡并模式。ExTFG 傳輸光路如圖 2.1 所示，由于其柵面和光纖軸向存在 81°的傾斜角度，這一結(jié)構(gòu)使得光在 ExTFG 中傳輸時(shí)，部分纖芯中傳輸?shù)墓鈱Ⅰ詈系桨鼘拥耐騻鬏斈Ｖ�。K. Zhou 等人[95]的研究結(jié)果表明，當(dāng)處于空氣中（RI=1.0）時(shí)，只有傾斜光纖光柵的光柵傾斜角度<22.1°或>66.9°，從纖芯基模耦合到同向和反向包層模中的光能量才不會變成輻射模而泄露到包層以外。

但是 ExTFG 中導(dǎo)模倏逝場影響，由此可以得到對外部環(huán)境 ) ( ( ) ( ) ) = 因子， 代表著環(huán)境影響靈敏度因諧振波長的響應(yīng)模階數(shù)大于 20，感原理效應(yīng)的理論分析可以知道，在光纖期都可以用軸向應(yīng)變的函數(shù)來進(jìn) 2.10）取微分，可以得到： ,, ,,cos ci effeffcl m eff i effco Gco cl mdn dnn nd d

圖 2.3 ExTFG 的彎曲應(yīng)變配條件可知，彎曲使 ExTFG 的諧振波。等效的傾斜啁啾光纖光柵纖芯有效折2 ) ( ') 1 cos ' ( ''eff effco coGz n n z v z z s zcos ，effcon 為纖芯的直流有效折則表示了每個(gè)光柵周期中的纖芯平均合率 t 分別表示 Ex-TFG 的纖芯基模中或 TM 模的能量，分別表示為[106]： 222 2 2 2 2 2 2 ) cos sin 0)zz 222 2 22 2 2( )sin S zt z
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本文編號：2892102