建立了半平面体与光纤布拉格光栅传感器双向耦合的应变传递理论, 得到表面粘贴式光纤布拉格光栅传感器测量应变与半平面体应变之间的关系.将理论解、有限元解和实验数据进行对比以验证该理论的正确性, 并分析了应变传递率与半平面体弹性模量、半粘结长度的关系.结果表明: 理论解与实验值非常接近, 误差在4%以内, 应变传递率随着半平面体弹性模量的增大、半粘结长度的增长而逐渐增大, 对光纤布拉格光栅传感器的设计和应用具有一定的参考价值.

考虑现有光纤布拉格光栅(FBG)传感器的应变传递理论均未考虑传感器对基体应变的影响, 本文针对FBG传感器粘贴于薄板的情况研究了薄板的应变传递理论。由于光纤应变与薄板应变并不相等, 故研究了光纤应变与薄板应变之间的关系以提高FBG传感器的测量精度。建立了粘贴于薄板表面的FBG传感器应变传递理论, 分析了FBG传感器与薄板之间的相互作用; 利用有限元法(FEM)和实验法验证了理论的正确性。最后, 分析了薄板参数对应变传递率的影响。结果显示: FEM解与理论解的误差在4%以内, 实验值和理论解误差在5%以内, 应变传递率随着薄板厚度和弹性模量的增加而逐渐增大。该理论模型完全满足FBG传感器精度要求, 对其实际应用具有一定的指导意义。

考虑在实际应变测量中传感器封装形式会影响光纤Bragg光栅测得的应变响应，本文研究了测量应变与实际应变之间的关系。针对埋入式光纤Bragg光栅传感器，建立了应变传递函数，并对传递函数的正确性和各个参数对测量应变的影响进行了研究。首先，根据埋入式光纤Bragg光栅传感器的受力特点，提出了多项式形式的剪应力分布，进一步建立了应变传递函数。然后，利用数值方法和实验对该应变传递函数进行验证。最后，分析了传感器长度、胶结层弹性模量、胶结层厚度对测量应变的影响。计算结果表明: 该应变传递函数正确; 胶结层厚度越薄，弹性模量越大，越有利于应变传递。该应变传递函数计算误差控制在5%以内，完全满足埋入式光纤Bragg光栅测量精度要求，对其实际应用具有指导意义。

构建了管流场刺激下的生物受激发光实验平台, 分析了管流场中的水动力特性和影响生物受激发光的水动力因素。采用光子计数器测量了3种腰鞭毛虫在管流刺激下的受激发光特性。实验结果表明: 海洋生物体受激发光的水动力影响因素是流场剪应力, 引起生物体发光的剪应力存在剪应力阈值, 只有当剪应力大于阈值, 生物体才能被激发发光。根据生物体种类的不同, 刺激生物受激发光的剪应力阈值为0.05~0.29 N/m2。通过对实验数据的分析得出了生物受激发光的发光强度与剪应力的关系。

针对微流体检测对高灵敏度和较大动态测量范围的要求，设计了一种由SU-8光刻胶一体合成的微型法布里珀罗(F-P)干涉剪应力传感器。结构兼具SU-8胶微尺寸材料优越的力学性能和法布里珀罗传感测量高精度和抗干扰性的优点，采用新型组合型浮动块设计，利用圆柱状底座提高对敏感膜形变的感知，提高传感器的结构响应。探讨了提高剪应力灵敏度和线性度的方法，通过CoventorWare软件数值模拟，确定模型的最优参数， 仿真计算得出在0~10 Pa范围内其灵敏度可以达到0.252 nm/Pa(光谱偏移/剪应力)；相比较于传统的设计，在相同的作用下，组合型浮动块的机械位移量增加了约40.85%，提高了敏感元件的灵敏度。仿真结果表明，该模型由于采用一体化材料可以降低工作环境温度对传感器的影响，同时具备可靠的性能，为剪应力传感器设计的改进提出了可行的方案。

基于生物受激发光与流场机械刺激间的相关性，构建了库埃特流场刺激下的生物受激发光实验平台，分析了影响生物发光的水动力因素剪应力。实验结果显示：引起多边膝沟藻受激发光的剪应力阈值为0.1 N/m2；当流场中的剪应力大于发光阈值后，生物发光强度随着剪应力的增大而增强。采用FLUENT软件模拟计算了不同航速下某潜艇尾流场中的剪应力，计算结果表明：剪应力随着尾流长度的增加而减小，在近场区域剪应力出现了类似正弦波振荡的减小，且航速越大减幅越大，减速越快；当潜艇航速大于4.1 m/s航行时，2 000 m处尾流的剪应力仍然大于引起生物发光的剪应力阈值。