石墨烯集成极大倾角光纤光栅的低频振动特性研究

论文摘要

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STE=113.54mv/g、STM=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。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 叶露

导师: 赵明富,罗彬彬,祖晖

关键词: 极大倾角光纤光栅,低频振动,石墨烯,等强度悬臂梁,传感特性

来源: 重庆理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 重庆理工大学

分类号: TP212;TN253

总页数: 64

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标签：极大倾角光纤光栅论文;  低频振动论文;  石墨烯论文;  等强度悬臂梁论文;  传感特性论文;