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应力传感的荧光及光纤方法研究

作　者: 陈夏平
导　师: 张巍巍
学　校: 南昌航空大学
专　业: 光学工程
关键词: 应力传感稀土光纤
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 7次
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内容摘要

应力对于材料的机械性质、光学属性等都有着不可忽视的影响，对应力、应变的测量也越来越受到广泛的关注。根据实际应用领域以及环境的不同，人们采用各种不同的传感系统、测量方法、数据分析计算方法来对应力或者应变进行测试。本文比较了几种应力测试方法，并研究了荧光压谱测量应力的方法和基于折射率变化测量应力的方法，前者通常用于一些涂层或者镀层等浅层应力的测量，后者可用于一些体材料的内应力测量。（1）将电子云膨胀效应作为荧光压谱现象的基础效应，理论上固体荧光材料中稀土离子能级重心相对于自由离子能级的移动量反比于晶格常数。受到应力作用的材料弹性形变时其晶格常数的变化量正比于应力，因此，可以通过测量稀土离子能级重心位置的偏移量来获得发光材料受到应力的大小。本文设计了荧光压谱测试应力的系统，分别选取YAG:Ce³⁺作为5d-4f能级跃迁和Y₂O₃:Er,Yb作为4f-4f能级跃迁的两种稀土材料作为试验样品，其中，YAG:Ce³⁺光谱测试结果拟合得到的能级重心E0^应力σ之间关系的传感方程为：E₀=18107.667-8.762σ在Y₂O₃:Er,Yb的力敏荧光光谱上也观察到了应力导致的能级重心红移。（2）折射率是物质固有的一种物理特性，一般等于物质的相对介电常数的平方根，反映了物质在电场中的极化现象。当材料应变时，原子之间的间距会收缩或者膨胀，导致材料的极化率相应改变，因此引起折射率变化。反之，可以通过折射率的变化来检测材料内应力的产生或释放。本文基于菲涅尔原理设计了一套折射率实时监测系统，监测了某款环氧树脂胶黏剂的光固化过程和热处理过程，观察到了对应于残余应力释放的折射率变化。热胀冷缩时，该折射率光纤传感系统测量到的折射率数据与环氧树脂材料的体积数据很好地吻合Lorentz-Lorenz关系，表明这种折射率测量方法可以在某些材料分析应用场合代替TMA（Thermal Mechanical Analysis）等热机械分析手段。以上研究补充了光测力学的内容，有较好的工程推广前景。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
第1章绪论  8-15
  1.1 引言  8-9
  1.2 课题的目的、意义  9
  1.3 国内外研究现状  9-11
    1.3.1 浅层应力应变的检测  10-11
    1.3.2 深层检测检测应力应变  11
  1.4 研究内容、方案与拟实现的目标  11-15
    1.4.1 研究内容  11-12
    1.4.2 研究方案  12-14
    1.4.3 拟实现的目标  14-15
第2章应力传感的荧光方法  15-21
  2.1 稀土荧光的基础理论  15-19
    2.1.1 稀土发光原理  15-16
    2.1.2 稀土的晶体场理论  16-17
    2.1.3 电子云膨胀效应  17-19
  2.2 应力传感的荧光测量原理  19-20
  2.3 本章小结  20-21
第3章应力传感的光纤方法  21-24
  3.1 光纤光栅测量应力的原理  21-22
  3.2 菲涅尔反射法测量折射率  22-23
  3.3 本章小结  23-24
第四章实验结果与数据分析  24-45
  4.1 材料的制备与表征  25-28
    4.1.1 材料的选择  25
    4.1.2 发光材料的制备  25-26
    4.1.3 发光材料的表征  26-28
  4.2 YAG:Ce~(3+)荧光的力敏特性研究  28-38
    4.2.1 YAG:Ce~(3+)荧光应力传感  28-29
    4.2.2 荧光发光跃迁过程  29-30
    4.2.3 应力传感系统的设计  30-31
    4.2.4 荧光光谱处理及分析  31-38
  4.3 Y_2O_3:Er,Yb 荧光的力敏特性研究  38-45
    4.3.1 Y_2O_3:Er,Yb 荧光应力传感  38-39
    4.3.2 光致发光的电子跃迁  39-41
    4.3.3 实验装置的设计  41
    4.3.4 Y_2O_3:Er,Yb 光谱处理及分析  41-45
第5章光纤传感对胶固化检测及其热机械特性  45-53
  5.1 实验仪器  45-47
  5.2 实验装置  47-48
  5.3 实验结果及数据分析  48-52
  5.4 结论  52-53
第6章总结与展望  53-55
  6.1 工作总结  53-54
    6.1.1 荧光应力传感  53-54
    6.1.2 光纤应力传感  54
  6.2 工作展望  54-55
参考文献  55-58
发表论文和参加科研情况说明  58-59
致谢  59-60

应力传感的荧光及光纤方法研究

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