石墨烯集成极大倾角光纤光栅的低频振动特性研究

发布时间：2020-11-20 22:39

　　 随着时代的发展,科学技术的不断进步,在我国,越来越多的工程建筑正在进行修建,在诸如桥梁、高铁、大厦、钻井等结构建筑中,及时、准确的检测和排查各种低频、高频振动尤为重要。光纤光栅自面世以来,因其体积小、抗干扰能力强、灵敏度高、复用性强等优点,愈加广泛地被应用于实际工程中,而探索不同结构、性能的光纤光栅振动传感器系统,提高传感器灵敏度、稳定性及降低成本,依然是国内外工程领域研究的热点。极大角度倾斜光纤光栅(Excessively tilted fiber Bragg grating,ExTFG)作为一种新型的多功能特种光纤光栅,与传统的FBG相比,在低频振动信号检测领域,具有独特的优势,但相关研究较少。石墨烯作为一种二维薄膜材料,具有很好的光、电、力学特性,为低频振动传感的研究提供了新的方向,将石墨烯与ExTFG相结合的传感研究,在振动传感和纳米材料的跨学科融合中有重要的意义。基于以上研究背景,本文对ExTFG原理和石墨烯的特性进行介绍,设计ExTFG轴向应变、弯曲应变和振动传感实验,优化ExTFG低频振动传感器,并研究石墨烯涂覆ExTFG前后的轴向、弯曲和低频振动特性。主要内容包括以下几点:(1)基于ExTFG耦合模理论,对ExTFG轴向应变、弯曲应变、低频振动传感理论进行分析,提出采用ExTFG谐振峰的3dB点对振动信号进行检测,分析石墨烯对ExTFG的传输光场和杨氏模量影响,为实验开展建立理论基础。(2)设计基于ExTFG的轴向应变、弯曲应变、低频振动传感实验系统,并且进行相关实验。实验结果表明,ExTFG发生轴向应变和弯曲应变时,谐振波长会发生“蓝移”,其TE模和TM轴向应变灵敏度分别为-2.8pm/με、-1.8pm/με,弯曲应变灵敏度为0.026dB/cm~(-1)和0.012dB/cm~(-1);在振动信号检测中,ExTFG的TE、TM模谐振峰的3dB点的振动加速度灵敏度为S_(TE)=113.54mv/g、S_(TM)=100.93mv/g,比谐振峰的振动加速度灵敏度(100%点)高的2倍多,且信噪比(SNR)也要高~10dB。(3)以CVD铜基底单层石墨烯制备石墨烯ExTFG低频振动传感器,并对转移至传感器表面的石墨烯进行表征。对石墨烯ExTFG进行轴向应变、弯曲应变、低频振动传感实验,得到传感器涂覆石墨烯的光谱特性和传感特性,包括:谐振峰波长红移,峰值强度衰减,轴向应变灵敏度变化较小,弯曲应变灵敏度降低,振动加速灵敏度及信噪比有所降低。虽然石墨烯涂覆ExTFG会使传感器的灵敏度有所下降,但极大的增强传感器的杨氏模量和刚度,在实际工程应用中,能有效的保护传感器。
【学位单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212;TN253
【部分图文】：

的轴向应变、弯曲应变及振动传感原理进行介绍，其次，对石墨烯涂覆 ExTFG的传输光场和杨氏模量影响进行了理论推导。2.1 极大倾角光纤光栅耦合模理论及传感原理2.1.1 ExTFG 耦合模理论极大倾角光纤光栅（ExTFG）由于其光栅条纹的引入导致光栅截面的不对称，使得 ExTFG 中符合谐振条件的纤芯基模耦合到前向传输的包层模中，且每个耦合模式都具有偏振相关的 TM、TE 两个简并模式。ExTFG 传输光路如图 2.1 所示，由于其栅面和光纤轴向存在 81°的倾斜角度，这一结构使得光在 ExTFG 中传输时，部分纤芯中传输的光将耦合到包层的同向传输模中。K. Zhou 等人[95]的研究结果表明，当处于空气中（RI=1.0）时，只有倾斜光纤光栅的光栅倾斜角度<22.1°或>66.9°，从纤芯基模耦合到同向和反向包层模中的光能量才不会变成辐射模而泄露到包层以外。

但是 ExTFG 中导模倏逝场影响，由此可以得到对外部环境 ) ( ( ) ( ) ) = 因子， 代表着环境影响灵敏度因谐振波长的响应模阶数大于 20，感原理效应的理论分析可以知道，在光纤期都可以用轴向应变的函数来进 2.10）取微分，可以得到： ,, ,,cos ci effeffcl m eff i effco Gco cl mdn dnn nd d

图 2.3 ExTFG 的弯曲应变配条件可知，弯曲使 ExTFG 的谐振波。等效的倾斜啁啾光纤光栅纤芯有效折2 ) ( ') 1 cos ' ( ''eff effco coGz n n z v z z s zcos ，effcon 为纤芯的直流有效折则表示了每个光栅周期中的纤芯平均合率 t 分别表示 Ex-TFG 的纤芯基模中或 TM 模的能量，分别表示为[106]： 222 2 2 2 2 2 2 ) cos sin 0)zz 222 2 22 2 2( )sin S zt z
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王雅珍;庆迎博;孟爽;孙瑜;;石墨烯制备及应用研究进展[J];化学世界;2019年07期

2 胡程月;贾雪茹;代海波;;氧化石墨烯在阻燃材料中的研究进展[J];四川化工;2019年03期

3 ;高性能石墨烯阴极防腐涂层领域取得进展[J];表面工程与再制造;2019年02期

4 陈志;;石墨烯:新兴产业发展的惯性与突破[J];科技中国;2019年07期

5 韩军凯;冯奕钰;李瑀;封伟;;刺激响应型石墨烯材料的研究新进展[J];功能高分子学报;2019年04期

6 孙楠;;石墨烯及其功能纺织品的研究进展[J];天津纺织科技;2019年03期

7 ;年产100吨石墨烯粉体生产线在常州投运[J];中国粉体工业;2013年06期

8 ;石墨烯标委会拟成立 石墨烯标准化制定企业待定[J];中国粉体工业;2013年06期

9 ;石墨烯行业发展部署启动 鼓励各省成立独立联盟[J];中国粉体工业;2013年06期

10 钱伯章;;石墨烯材料制备技术及应用研究进展[J];石油和化工节能;2016年01期

相关博士学位论文 前10条

1 李婷;石墨烯和六方氮化硼界面热特性的研究[D];大连理工大学;2018年

2 吴召洪;高性能石墨烯基导热和应变传感复合材料的应用研究[D];中国科学技术大学;2019年

3 马迅;可控石墨烯支架对神经祖细胞的生物学研究[D];中国科学技术大学;2019年

4 余炎子;石墨烯埃米通道离子输运的力学机理研究[D];中国科学技术大学;2019年

5 李磊磊;二维材料层间势的调控及界面位错结构的力学研究[D];中国科学技术大学;2019年

6 龙佳朋;P、N共掺氧化石墨烯及复合材料性能的研究[D];沈阳工业大学;2019年

7 刘霞;氧化石墨烯在环境介质上的吸附聚集行为研究[D];中国科学技术大学;2019年

8 何广宇;小分子在石墨烯及C_3N_4表界面上扩散与反应的第一性原理研究[D];浙江大学;2019年

9 宋雨晴;三维石墨烯材料的构建及在超级电容器与电热膜中的应用[D];中国科学技术大学;2019年

10 孙晓旭;非贵金属掺杂石墨烯体系氧还原反应机理理论研究[D];中国科学技术大学;2019年

相关硕士学位论文 前10条

1 孙丹凤;基于碳纳米管及石墨烯的生物传感器[D];天津理工大学;2019年

2 张澍;含硒环状磷钨酸晶体及钴硅钨酸/苯胺/石墨烯复合材料的制备和表征[D];天津理工大学;2019年

3 赵立;石墨烯的分散悬浮与摩擦学特征研究[D];沈阳建筑大学;2017年

4 安博星;功能化石墨烯的制备与应用研究[D];沈阳建筑大学;2017年

5 孙燕;石墨烯基纳米硫化钼复合气凝胶构筑及其吸附与析氢性能研究[D];天津理工大学;2019年

6 孟健;石墨烯基全碳3D结构的制备及其超电容性能研究[D];天津理工大学;2019年

7 沈浩德;石墨烯基复合材料的制备及其电容性能研究[D];天津理工大学;2019年

8 何济;季铵化石墨烯水凝胶的制备及其用于水过滤除菌的研究[D];天津理工大学;2019年

9 李凯;CNT@石墨烯核壳纳米结构的制备与电容性能[D];天津理工大学;2019年

10 付盼;基于石墨烯的超材料太赫兹吸收器研究[D];天津理工大学;2019年

本文编号：2892102