干涉型光纤应变测试方法的感应光纤

本文讨论了干涉型光纤应变测试方法中感应光纤的基本测量原理，对直线形和圆弧形栅状感应光纤进行了分析，同时介绍了直线形栅状感应光纤的制作方法。利用马赫－泽德干涉光纤应变测试系统和直线形栅状感应光纤测量了等强度悬臂梁的应变，测试结果与理论应变值进行了比较，相对误差为１．６７％。     

光纤传感振动检测系统及其实验研究

实际工程结构中的振动检测是十分重要的，也是十分复杂的，常用的结构振动检测传感器易受工程现场恶劣环境的影响．而光纤传感器具有小巧、抗电磁干扰、灵敏度高、适合长期监测等优点。本文建立了基于马赫—曾德(Mech-Zehnder)干涉原理的光纤传感振动检测系统．研制了运用先进的数字信号处理技术采集和处理数据的专用软件，并在典型结构件——钢制悬臂梁结构上进行了外加信号作用下的强迫振动检测和冲击载荷作用下的自由衰减振动检测，测量了该结构件的频率及振幅，其结果与同时进行的成熟的电测结果相近，说明光纤传感器用于结构件的振动测量是可靠的。本文为光纤传感器应用于实际工程的振动检测提供了新的技术装置，具有工程应用前景。     

悬臂梁集中载荷大挠度弯曲变形的一种解

利用数值积分法求解了细长杆悬臂梁受集中载荷时大挠度弯曲问题，并分别对无限长及有限长细杆悬臂梁进行了讨论，提出细长杆悬臂梁所受最大弯矩计算方法，为梁的强度校核提供了依据     

考虑液面波动和液体压缩时一侧受液作用悬臂梁的横振分析

本文分析一侧部分受有液体作用悬臂梁的横向自由振动，同时考虑了液面波动和液体可压缩性对悬臂梁自振特性的影响。利用一组广义三角级数的正交完备性，求得了悬臂梁与液体耦联振动的振型函数和频率方程的精确解析解，最后给出了几个数值算例。     

自由端受集中力作用下压电悬臂梁弯曲问题解析解

本文对由横观各向同性压电介质构成的悬臂梁，在自由端受集中力作用下的弯曲问题进行了研究。首先根据问题的特点，得到简化的线弹性压电悬臂梁的基本方程。然后根据正交各向异性材料悬臂梁应力分布特点，采用逆解法，建立了该问题的应力函数与电势分布函数，进而得到精确多项式解析解。该解析解形式简单，便于应用。文中对自由端受集中力的常规材料和压电材料悬臂梁的挠度也进行了比较。     

考虑液面波动和液体压缩时一侧受液作用县壁梁的横振分析

本文分析一侧部分受有液体作用悬臂梁的横向自由振动，同时考虑了液面波动和液体可压缩性对悬臂梁自振待性的影响。利用一组广义三角级数的正交完备性，求得了悬臂梁与液体耦联振动的振型函数和频率方程的精确析解，最后给出了几个数值算例。     

悬臂梁挠曲电俘能器的力电耦合模型及性能分析

挠曲电效应指应变梯度在电介质中引起的电极化现象，是一种普遍存在的力电耦合行为。应变梯度与材料的尺寸成反比，因此挠曲电效应有望在纳米尺度主导材料的物理性质，尤其是力电耦合性能。本文建立了悬臂梁挠曲电俘能器的理论模型，基于哈密顿原理得到了悬臂梁挠曲电俘能器的控制方程和相应的边界条件；进一步，得到了悬臂梁挠曲电俘能器的输出电压频率响应和功率密度频率响应随悬臂梁的振动频率、外电路阻抗、挠曲电层厚度以及弹性层模量的变化规律。聚偏氟乙烯和环氧树脂层合挠曲电悬臂梁俘能器模型的数值结果表明输出电压频率响应和功率密度频率响应在共振频率点取得最大值，且随着各阶模态对应的共振频率的增加悬臂梁挠曲电俘能器的输出电压和功率密度均增加。此外，计算结果还表明悬臂梁俘能器存在最佳匹配阻抗，在匹配阻抗附近悬臂梁俘能器的输出功率密度随挠曲电层厚度的减小而增大，表现出明显的尺寸效应。本文工作提供了一种基于挠曲电效应的悬臂梁俘能器的理论模型，为悬臂梁俘能器的设计提供了理论依据。     

考虑中性层位置变化的微悬臂梁气体传感器静态模型的分析

微悬臂梁是一种高灵敏度的生化传感器。本文考虑吸附表面应力引起的中性层位置的变化,采用能量法建立了微悬臂梁在单层分子吸附稳定后的静态弯曲模型,并以表面吸附有水蒸汽分子的微悬臂梁为例,研究了微悬臂梁曲率半径随其厚度、杨氏模量及吸附分子间距的变化规律以及中性层位置变化对微悬臂梁传感器性能预测的影响,结果发现：1)微悬臂梁的曲率半径与其杨氏模量、厚度及吸附分子间距之间可以近似用一次、二次和八次函数关系表示;2）中性层变化导致的曲率半径计算误差,随着微悬臂梁厚度、杨氏模量的增加而减小,但影响较小,而吸附分子间距会对该相对误差产生明显影响;3）中性层位置变化会对微悬臂梁传感器灵敏度和表面应变预测产生明显的影响。     

TiNi相变悬臂梁的横向冲击特性实验研究

利用改装的霍普金森压杆装置对TiNi形状记忆合金圆截面悬臂梁进行了横向冲击实验研究,并与45#钢悬臂梁的实验结果进行了对比,目的是探索相变对结构动态响应的影响。结果表明:在同样冲击条件下,TiNi悬臂梁的吸能效率优于钢悬臂梁;发现冲击过程中,TiNi试件根部内侧可能形成局部相变铰,使阻力曲线的斜率发生变化;卸载后相变铰消失,TiNi悬臂梁试件基本回复原状,钢试件则留下显著的残余变形。TiNi悬臂梁的冲击特性受热弹性马氏体相变和逆相变的支配,不同于传统的弹塑性机制。     

微梁传感研究谷胱甘肽转硫酶抗原抗体特异结合

利用微梁传感器（MicroCantilever Sensor，MCS）对抗原抗体的反应进行检测。通过分子自组装方法将谷胱甘肽转硫酶（Glutathione S-transferase，GST）修饰到微悬臂梁的单侧镀金表面后，应用光杠杆原理监测在加入GsT抗体的过程中，微悬臂梁的实时弯曲过程。实验过程中的抗原抗体活性由酶联免疫吸附（enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）实验得到了确认。结果表明：a．微悬臂梁传感技术可以对抗原抗体的结合过程进行实时的监测；b．为研究生物大分子间微观层次上相互作用提供了一种新型的实验手段。     

温度场中应变光纤测试方法

研究温度变化时光纤应变测试系统中的传输光纤和感应光纤产生附加相位的问题推导出附加相位与温度变化的关系式，提出消除附加相位的补偿法通过实验分析证明了补偿法对消除附加相位是行之有效的，提高了测试精度     

激光激励微型硅悬臂梁的振动特性研究

本文用光学探测方法研究了半导体硅悬臂梁的振动问题;运用基于外差干涉原理的实验装置得到了悬臂梁在激光激励下的振动响应（振动振幅和相位随调制激光频率的变化）;采用等离子波和热弹性波的数学模型,对悬臂梁的振动进行了理论分析;可看到实验与理论模拟结果吻合很好,同时通过分析可得振动相位与调制激光频率的平方根之间有线性关系。关键词词: 光学探测, 硅悬臂梁,振动.      

Optical Sensing Limits in Contact and Bending Mode Atomic Force Microscopy

Interferometry and optical deflection offers the best force sensing accuracy using standard cantilever probes in atomic force microscopy. Here, we examine the mechanics of cantilever deformation in the bending and contact mode and the optical sensing principles involved. Under typical conditions, the optical deflection method was found to require displacement measurements that were a thousand times less accurate in order to sense the same amount of force as compared with interferometry used in the regular mode. It also allowed better positioning tolerance for the probe beam in order to retain a high level of accuracy in force sensing. These and other attendant findings serve to provide a clearer outlook for the development of improved accuracy sensors in atomic force microscopy in the contact and bending mode.     

A new method for measuring damping in flexural vibration of thin fibers

In this paper we describe a new method for measuring damping in flexural vibration of filamentous matter, such as polymeric or metallic fibers. This method enables us to measure the damping characteristics of very thin fibers (down to lateral dimensions of a few micrometers). The fiber sample is clamped at one extremity and excited in the flexural vibration mode of a cantilever beam configuration, using a piezoelectric actuator. While the fiber sample vibrates around a flexural eigenfrequency, structural damping is determined from the measurement of the curve of phase difference between excitation and motion. This technique does not require the amplitude of the fiber motion to be determined. The phase curve is inferred from the periodic disturbance occurring when the fiber acts as a shutter for a light beam. This method can be applied to fibers of arbitrary shape and material. Examples are shown of measurements with polymer and metallic fibers. Flexural damping is evaluated at atmospheric pressure and in vacuum. The technique is validated by a comparison with polypropylene damping measurements from standard dynamic mechanical thermal analysis techniques.     

Mechanical Behaviors and Bending Effects of Carbon Fiber Reinforced Lattice Materials

To acquire materials of higher specific stiffness and strength, stretching dominated lattice materials reinforced by carbon fibers were designed and manufactured. The mechanical behaviors were predicted and experimented. The imperfections of lattice materials, such as the waviness of the struts, non-circular cross-sections and cantilever ribs, greatly influenced their performance. The bending effects of the imperfections were predicted and compared with the experiment results. Although influenced by the imperfections, carbon reinforced lattice materials are still much stiffer and stronger than foams and honeycombs.     

Deflection Measurement and Determination of Young’s Modulus of Micro-cantilever Using Phase-shift Shadow Moiré Method

The deflection of micro-structures have been previously measured using optical interferometry methods. In this study, the classical phase-shift shadow moiré method (PSSM) was applied to measure the deflection of a silicon micro-cantilever and to determine the Young’s modulus of the cantilever material. The modulus value was determined from the profile based on deflection equation. A normal white light source and a grating of 40 line pairs per mm were used to generate the moiré fringes. Since the use of white light and high-resolution grating produces low contrast moiré fringes, the fringe visibility was enhanced by applying contrast enhancement and filtering techniques. The Young’s modulus of the silicon cantilever material was estimated to be 165.9 GPa with an uncertainty of ±11.3 GPa (6.8%). The experimental results show that the PSSM method can be successfully applied for characterizing micro-cantilevers. Comparison of the deflection profile from the proposed method and a commercial 3-D optical profiler showed that the measurement range and sensitivity of PSSM are not affected by the poor contrast images.     

绞合式光纤应变传感器

研究了一种可用于工程结构状态监测的本征型强度调制光纤应变传感器,由两根以上多模光纤相互绞合形成,分析了该传感器的应变传感原理,得到其既能测量拉应变,又有测定压应变的结论,传感器对应变的响应具有良好的线性和重复性、灵敏度高、无迟滞现象,对钢筋拉应变、混凝土压就矿业的实验结果与理论分析一致,表明该传感器是适合土木工程测量、结构状态监测等方面的较为理想的光纤传感器。     

AFM针尖压入测量中的非线性效应

根据AFM(Atomic-Force Microscope 原子力显微镜)实验得到的典型压入曲线给出了一种标定电压-挠度转化系数的方法.对压入曲线进行常规的数据处理,结果显示在起始段和末段各有5nm左右的名义压入深度.然而,有限元计算结果表明上述名义压入深度并非真正的针尖压入样品的深度.通过悬臂梁响应、光线传播、四象限接收器等几个方面的非线性效应分析,得到了实验中各部分非线性效应对实验结果的影响方式和误差范围,从而发现压入实验中四象限接收器上光斑相对移动引起的非线性效应是造成错误判读压入深度的重要原因.最后,对如何减小测量误差和如何在一定误差范围内得到可靠的实验结果给出了一些建议.     

激光干涉测速中信号光纤色散测量

为对激光干涉测速系统(VISAR)中信号光纤的色散特性进行快速测量,搭建了一种基于时域法的 多模光纤色散测量装置。该装置由532nm 的皮秒激光器、快响应光电探测器以及宽带数字示波器组成,通 过对输入光纤前后的光脉冲时间宽度进行测量,来获得光纤的脉冲响应3dB脉宽(即色散时间)。利用该装 置分别对一根长度为123m 的国产梯度折射率光纤以及一根10m 长的阶跃折射率光纤在532nm 波长附近 的色散特性进行了测量。测得的梯度折射率光纤色散时间为(68316)ps,对应3dB频响带宽为646MHz; 阶跃折射率光纤色散时间为(163114)ps,对应频响带宽为271MHz。对实验结果进行了测量不确定度分 析,并与理论计算值进行了比较,获得了较好的一致性。研究表明,利用该实验装置,可对激光干涉测速应用 中信号光纤的色散特性进行迅速、准确的测量,从而为实验中信号光纤类型、长度等的合理选用提供参考。