● 摘要
光纤式F-P压力传感器因具有不受电磁干扰、灵敏度高、易于微型化的优点而受到国内外研究学者的广泛关注，且如何提高其压力灵敏度是国内外研究热点之一。石墨烯薄膜只有单原子层厚度，约为0.335nm，具有比硅材料更高的灵敏度以及抗过载能力等优点，利用超薄石墨烯薄膜作为压力敏感元件在高灵敏度动态压力测量方面具有较好的应用前景。本文针对石墨烯薄膜的大挠度力学特性，对比分析了圆薄膜大挠度理论模型，建立了周边固支的石墨烯圆薄膜有限元模型，并进行了仿真和实验测试。本文的主要工作如下：
1、针对石墨烯大挠度特性，分析适用于石墨烯薄膜大挠度特性建模的理论模型，并进行数值求解。仿真结果表明，石墨烯薄膜与基底间的预应力效应作用明显，与薄膜和基底间的吸附能相关。
2、应用有限元建模方法，对周边固支石墨烯圆薄膜建立有限元分析模型，结合模型解析解与ANSYS仿真解的吻合性，确定适于石墨烯膜压力-挠度特性的分析模型。仿真结果表明，Beams鼓泡法球壳模型在不同压强载荷下能较好地分析石墨烯大挠度特性。在0-3500Pa均布压强载荷下，其与ANSYS仿真解之间的相对误差低于1%。
3、基于石墨烯薄膜大挠度特性理论模型研究，仿真分析了薄膜弹性模量波动、薄膜预应力、薄膜层数、薄膜半径等参数对大挠度特性的影响。仿真结果表明，具有较大弹性模量的石墨烯薄膜有利于提高传感器的一致性；而在微压测量应用时，增加薄膜径厚比能够有效提升灵敏度。
4、针对传感器的动态响应特性，利用ANSYS进行了模态分析和瞬态动力学仿真。仿真结果表明，针对声压20Hz-20kHz检测需求，薄膜的动态响应特性良好。在此基础上，设计并搭建了声压测试平台，对制作的石墨烯膜光纤FP压力传感器进行了性能测试。实验结果表明，在(0,20)Pa的动态声压测试范围内，10-15层石墨烯膜光纤F-P压力传感器在2kHz声压信号下灵敏度达到最大值0.060 mV/mPa。