石墨烯集成极大倾角光纤光栅的低频振动特性研究

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。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状及发展动态分析

1.2.1 光纤光栅传感的发展

1.2.2 光纤光栅的分类

1.2.3 光纤光栅振动传感的国内外研究现状

1.2.4 石墨烯材料特性及涂覆光纤方法概述

1.2.5 石墨烯的表征手段

1.3 论文的研究目标及研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

2 基本理论研究

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

2.1.2 ExTFG轴向应变传感原理

2.1.3 ExTFG弯曲应变传感原理

2.1.4 ExTFG振动传感原理

2.2石墨烯涂覆极大倾角光纤光栅的特性

2.2.1 石墨烯对ExTFG传输光谱的影响

2.2.2 石墨烯对ExTFG的杨氏模量影响

2.3 本章小结

3 极大倾角光纤光栅的低频振动传感性能分析

3.1 ExTFG轴向应变传感性能分析

3.2 ExTFG弯曲应变传感性能分析

3.3 ExTFG低频振动传感系统与实验

3.3.1 实验系统的结构

3.3.2 ExTFG低频振动传感器幅频响应特性测试

3.3.3 ExTFG低频振动传感器振动信号传感性能测试

3.4 本章小结

4 石墨烯集成极大倾角光纤光栅低频振动传感性能测试

4.1 石墨烯ExTFG低频振动传感器制备

4.2 石墨烯ExTFG低频振动传感系统与实验

4.2.1 石墨烯ExTFG低频振动传感器轴向应变测试

4.2.2 石墨烯ExTFG低频振动传感器弯曲应变测试

4.2.3 石墨烯ExTFG低频振动传感器低频振动测试

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 本课题的进一步工作及未来展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果