长周期光纤光栅及其级联结构的传感特性及应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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胡兴柳王彦杨忠 编

图书标签:

• 光纤光栅
• 长周期光栅
• 光纤传感器
• 传感技术
• 光纤通信
• 结构传感
• 物理传感
• 光学传感器
• 光纤器件
• 级联结构

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出版社： 人民邮电

ISBN：9787115476494

商品编码：29770573184

开本：16

出版时间：2018-01-01

基本信息

• 商品名称：长周期光纤光栅及其级联结构的传感特性及应用
• 作者：胡兴柳//王彦//杨忠
• 定价：88
• 出版社：人民邮电
• ISBN号：9787115476494

其他参考信息（以实物为准）

• 出版时间：2018-01-01
• 印刷时间：2018-01-01
• 版次：1
• 印次：1
• 开本：16开
• 包装：平装
• 页数：204
• 字数：265千字

内容提要

胡兴柳、王彦、杨忠著的《长周期光纤光栅及其 级联结构的传感特性及应用》系统地阐述了长周期光 纤光栅（LPG）传感器及其级联结构（LPGP）的传感 特性及应用研究，共分11章。
     第1章介绍了LPG在通信和传感领域的应用以及国 内外研究现状；第2章采用耦合模理论对LPG及LPGP进 行分析；第3章对LPG的主要参数进行频谱分析和仿真 ；第4章对LPG的基本传感特性进行了理论分析和实验 研究；第5章研究设计LPG解调系统，实现对板结构振 动信号的监测；第6章应用LPG实现基于小波包能量谱 分析的结构损伤识别；第7章研究了LPG在土木工程结 构中耐久性健康监测的应用；第8章对LPGP的温度、 应变、弯曲和折射率传感特性进行了理论和实验研究 ；第9章研究了温度和应变的同时测量技术；**0章 用LPGP来实现对超声波的检测，获得相应的超声场的 参数；**1章提出了对LPGP减敏保护、温度补偿的封 装设计。本书是一本有关智能监测与控制方面的专著 ，反映了作者近年来在这一领域的主要研究成果。
     本书内容新颖，理论联系实际，适合大专院校及 科研院所光纤光栅、智能监测与控制领域的高年级本 科生、研究生阅读，也可供相关领域的教师、科研人 员及工程技术人员作参考。
    

目录

第1章 绪论
1.1 引言
1.2 LPG的理论研究现状
1.3 LPG的制备技术
1.4 LPG的应用概况
1.4.1 LPG在通信领域的应用
1.4.2 LPG在传感领域的应用
1.5 LPG的发展趋势
1.6 本书的研究内容及结构
参考文献
第2章 LPG及LPGP的理论分析
2.1 光纤光栅的结构
2.2 耦合模理论
2.3 LPG模式耦合
2.3.1 纤芯基模有效折射率及其场分布
2.3.2 包层模有效折射率及其场分布
2.3.3 耦合特性分析
2.3.4 LPG的模式耦合方程
2.4 LPGP模式耦合
2.5 本章小结
参考文献
第3章 LPG及LPGP谱特性的仿真和研究
3.1 表征LPG的谱特性的参数
3.2 LPG对结构参数的敏感特性分析
3.2.1 光栅参数对频谱的影响
3.2.2 光纤结构参数对频谱的影响
3.3 LPGP对结构参数的敏感特性
3.4 本章小结
参考文献
第4章 LPG的传感机理
4.1 LPG的温度传感
4.1.1 谐振波长的温度特性理论分析
4.1.2 损耗峰幅值的温度特性
4.1.3 温度特性实验研究
4.2 LPG的轴向应变传感
4.2.1 轴向应变理论分析
4.2.2 轴向应变实验研究
4.3 LPG的弯曲传感
4.3.1 弯曲特性理论分析
4.3.2 弯曲特性实验研究
4.4 LPG的折射率传感
4.4.1 折射率特性理论分析
4.4.2 折射率特性实验研究
4.5 LPG的横向负载传感
4.5.1 横向负载特性理论分析
4.5.2 横向负载特性实验研究
4.6 LPG的温度补偿技术
4.6.1 温度补偿方法
4.6.2 温度补偿实验
4.6.3 其他温度补偿方法

长周期光纤光栅及其级联结构的传感特性及应用 图书简介 引言 光纤传感技术作为一门新兴的、发展迅速的光学测量技术，以其独特的优势，如抗电磁干扰、体积小、重量轻、绝缘性好、易于集成等，在工业监测、生物医学、环境科学、国防军工等诸多领域展现出巨大的应用潜力。而长周期光纤光栅（LPFG）作为一种重要的光纤传感元件，凭借其独特的传感机制和灵活的设计能力，在近年来得到了学术界和工业界的广泛关注。本文旨在系统性地阐述长周期光纤光栅的基本原理、制备工艺、传感特性以及级联结构的设计与应用，为相关领域的研究人员和工程师提供一份详实的参考。 第一章 长周期光纤光栅的基本原理 本章将深入探讨长周期光纤光栅的核心理论基础。我们将从光纤的模式理论出发，详细介绍单模光纤和多模光纤的传播特性，以及光纤中的基本模式（基模）和高次模式。在此基础上，引入光纤光栅的概念，阐述周期性折射率调制如何影响光波在光纤中的传播。 重点将放在长周期光纤光栅上。我们将详细阐述长周期光纤光栅的形成机理，即通过周期性的折射率变化，在特定的波长范围内，将光纤的基模耦合到不同传播常数的高次模上，从而在传输光谱中产生一系列窄带的吸收峰或透射峰。我们将深入分析耦合的条件，包括相位匹配条件，以及不同高次模式与基模之间的耦合。 此外，本章还将介绍LPFG的衍射特性。由于LPFG的周期长度远大于可见光波长，其衍射行为与短周期光栅（如FBG）有所不同。我们将分析LPFG在不同周期长度、调制深度和占空比下的光谱响应，并探讨这些参数对LPFG传感性能的影响。最后，我们将简要介绍LPFG与短周期光栅（FBG）在原理上的区别与联系，为后续章节的深入讨论奠定基础。 第二章 长周期光纤光栅的制备工艺 本章将详细介绍当前主流的长周期光纤光栅制备技术。我们将首先从紫外（UV）曝光法讲起，这是目前最常用、最成熟的LPFG制备技术之一。我们将详细阐述UV曝光法的原理，包括利用紫外激光束对光纤内的光敏材料进行周期性曝光，从而引起光纤核心折射率的周期性变化。我们将介绍不同类型的紫外激光器、曝光掩模的设计与制作，以及曝光参数（如曝光剂量、曝光时间、扫描速度等）对LPFG性能的影响。 除了UV曝光法，本章还将介绍其他LPFG制备技术，如： 电弧放电法（Electric Arc Discharge）：通过在光纤上施加周期性的电弧放电，引起光纤形状的周期性变形和折射率的变化，从而实现LPFG的制备。我们将分析电弧放电的参数（如放电电流、放电次数、放电间隔等）如何影响LPFG的特性。 机械拉伸法（Mechanical Stretching）：通过周期性的机械拉伸和松弛，在光纤中产生周期性的应变，从而引起折射率的变化。我们将讨论如何实现精确的周期性拉伸，以及应变对LPFG光谱响应的影响。 飞秒激光直写法（Femtosecond Laser Direct Writing）：利用飞秒激光在光纤内部或表面进行精确的加工，直接诱导折射率的周期性变化。我们将介绍飞秒激光加工的优势，如高精度、三维加工能力，以及其在制备复杂LPFG结构方面的应用。 本章还将讨论制备过程中需要考虑的关键因素，如光纤的选择（包层模式区分光纤、普通单模光纤等）、周期长度的设计、调制深度的控制以及LPFG的可靠性与稳定性等。通过对不同制备工艺的详细介绍，读者将对LPFG的实际制备过程有全面的认识。 第三章 长周期光纤光栅的传感机理与特性 本章将深入剖析长周期光纤光栅的传感机理，并详细阐述其关键传感特性。LPFG的传感效应主要源于其对外部环境变化敏感的包层模式。我们将详细解释，当外部环境参数（如温度、应变、折射率、压力等）发生变化时，会引起光纤折射率、长度或形状的改变，进而影响基模与包层模式之间的耦合条件，导致LPFG传输光谱中的特征峰（吸收峰或透射峰）发生移动。 我们将重点分析LPFG对不同物理量的传感机理： 温度传感：温度变化会引起光纤材料的折射率（热光效应）和光纤长度（热膨胀效应）的变化，从而导致LPFG的共振波长发生漂移。我们将分析温度对LPFG传感灵敏度的影响。 应变传感：应变会引起光纤长度的拉伸或压缩，以及折射率的变化，同样会导致LPFG共振波长的偏移。我们将分析LPFG在不同应变方向和应变量下的响应。 折射率传感：LPFG的包层模式在一定程度上与外部环境的介质相互作用。当外部介质的折射率发生变化时，会影响包层模式的传播常数，从而导致LPFG的共振波长发生显著变化。我们将重点介绍LPFG在外部折射率传感方面的优势。 压力传感：通过设计特殊的LPFG结构，或结合其他传感机制，可以实现对压力的传感。我们将探讨压力如何通过形变或应变影响LPFG的光谱响应。 本章还将详细讨论LPFG的传感特性，包括： 传感灵敏度：定义和计算LPFG对不同物理量变化的响应速率。 传感范围：LPFG能够有效测量的物理量的取值范围。 传感分辨率：LPFG能够分辨的最小物理量变化。 稳定性与重复性：LPFG在多次测量或长期使用过程中的性能稳定性。 多路复用能力：如何通过设计不同周期的LPFG或利用其复杂的谱线结构，实现对多个传感点的同时监测。 第四章 LPFG级联结构的传感特性 本章将聚焦于长周期光纤光栅的级联结构。我们将详细阐述级联LPFG的优势，即通过将多个LPFG串联或并联，可以实现更复杂的传感功能，扩展传感范围，提高传感精度，或者实现对多个不同物理量的同时、独立测量。 我们将首先介绍不同类型的LPFG级联结构： 串联LPFG：将多个LPFG以串联的方式连接在同一根光纤上。我们将分析串联LPFG的光谱特性，以及级联的LPFG之间如何相互影响，以及如何通过优化级联结构实现更优的传感性能。 并联LPFG：通过分光器件或特殊的光纤连接方式，将多个LPFG并联。我们将讨论并联LPFG在多参数传感方面的应用，以及如何通过信号处理区分不同LPFG的响应。 混合级联结构：将LPFG与其他类型的光纤光栅（如FBG）或其他光纤传感器结合，形成混合级联结构。我们将探讨这种结构的优势，例如结合FBG的定位能力和LPFG的宽谱响应能力。 本章将重点研究级联LPFG的传感机理与特性。我们将深入分析： 多参数传感：如何通过级联LPFG实现对温度、应变、折射率等多种物理量进行独立、同时测量。我们将讨论如何通过解耦算法来区分不同参数的影响。 传感范围扩展：通过级联多个具有不同共振波长的LPFG，可以有效扩展LPFG的传感范围。 传感灵敏度与分辨率提升：通过优化级联结构和利用其独特的谱线特性，可能实现对特定物理量的更高灵敏度和更高分辨率的测量。 冗余与自校准：设计具有冗余传感点的级联结构，以提高系统的可靠性，并在一定程度上实现传感器的自校准。 第五章 LPFG及其级联结构的应用 本章将系统介绍长周期光纤光栅及其级联结构在各个领域的实际应用。我们将从理论走向实践，展示LPFG作为一种强大传感工具的潜力。 工业监测： 结构健康监测：在桥梁、隧道、航空航天器等大型结构上监测应力、应变和温度，及时发现潜在的损伤。 过程控制：在化工、石油等行业中监测流体温度、压力、液位等参数，优化生产过程。 机械设备监测：监测发动机、涡轮机等设备的关键部件的温度和应力，预防故障。 生物医学应用： 生物传感：用于检测生物分子、血糖、pH值等，在体外诊断和体内监测中具有广阔前景。 微创介入治疗：作为导管或探针的一部分，用于监测体内温度、压力等参数。 药物释放监测：监测药物在体内的释放过程。 环境科学： 水质监测：监测水体中的温度、pH值、溶解氧以及污染物浓度。 气体传感：通过对LPFG进行特殊涂覆，实现对特定气体的检测。 地质监测：监测地下水位、地应力等变化。 其他领域： 通信领域：作为光信号处理器件。 国防军工：用于精确制导、目标识别等。 对于每一种应用，我们将结合具体的LPFG结构设计、传感机理以及级联结构的优势，详细阐述其工作原理和取得的成果。例如，在折射率传感方面，我们将重点介绍其在生物液体的浓度检测、化学反应过程监测等方面的应用；在多参数传感方面，我们将展示级联LPFG如何实现对温度和应变的独立监测，克服传统传感器的局限性。 结论与展望 本章将对全书内容进行总结，并对长周期光纤光栅及其级联结构未来的发展趋势进行展望。我们将回顾LPFG在传感领域取得的重大进展，并指出当前存在的挑战，例如提高传感器的稳定性、降低制备成本、开发新型的LPFG结构等。 未来，LPFG有望在以下几个方面实现突破： 新型LPFG结构的设计与制备：开发具有更高灵敏度、更宽传感范围、更好稳定性的新型LPFG结构，例如利用啁啾LPFG、多周期LPFG等。 智能化与集成化：将LPFG传感器与微处理器、无线通信模块集成，实现传感数据的智能处理和远程传输。 与其他传感技术的融合：将LPFG与其他光学、电学、声学传感器融合，形成多模态传感器，实现更全面的信息获取。 新型功能LPFG的开发：开发具有特定功能，如偏振敏感、非线性响应等LPFG，拓展其应用领域。 本书的出版旨在为广大科研人员、工程师和学生提供一个全面、深入了解长周期光纤光栅及其级联结构传感特性与应用的学习平台，并为该领域未来的创新发展贡献一份力量。

评分☆☆☆☆☆

对于我这个偏向于光学工程背景的研究生来说，这本书最吸引我的地方在于它对“级联结构”的探讨。在实际应用中，单一的光栅往往只能测量单一参数，而多参数测量或复合环境监测的需求越来越迫切。如果书中能详尽介绍如何将多个LPG串联起来，形成级联系统，并有效解耦不同传感头的信号，那就具有极高的参考价值了。我希望看到的是关于级联结构设计原则的深入分析，例如，如何避免不同光栅之间的串扰，以及如何建立一套可靠的反演模型来解析复杂的级联光谱信息。这不仅仅是技术的堆砌，更考验着作者对系统集成和信号处理的深刻理解。我非常期待书中能有具体的案例研究，展示这种级联系统在例如油气管道安全监测或生化过程实时监控中的实际表现和性能指标。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我对“应用”部分更感兴趣，毕竟理论再好，最终还是要落地。这本书如果能提供一些具体的、有说服力的应用案例，那就为它增色不少。我希望看到的不只是实验室里的高精度测量，而是那些在恶劣工业环境下依然能稳定运行的实际部署案例。比如，在深海探测、高压锅炉内部温度监测，或者高精度医疗诊断领域，长周期光栅是如何克服环境干扰，提供可靠数据的？书中对这些实际应用中的挑战——比如光纤的封装、长期工作下的漂移问题，以及如何快速有效地进行现场标定——如果能提供一些前人的经验和教训，那这本书的实用价值将直线上升。毕竟，从“能做”到“好用”，中间隔着千千万万个工程细节。

评分☆☆☆☆☆

从一个纯粹的材料科学角度来看，我对光栅的制作工艺非常好奇。长周期光纤光栅的制备过程，尤其是如何精确控制光栅的周期、占空比和耦合效率，是决定其最终性能的关键。这本书是否会详细介绍不同制作技术，比如紫外激光写入、二氧化碳激光刻蚀等方法的优劣？更重要的是，如果它能探讨不同光纤材料（例如锗掺杂光纤、氟化物光纤）对光栅传感特性的影响，以及如何利用新型材料来拓宽LPG的测量范围或提升其抗疲劳能力，那无疑会让这本书的深度更上一层楼。毕竟，一把好的刻刀，才能雕琢出精美的艺术品，光纤制作的精度直接决定了传感器的上限。

评分☆☆☆☆☆

作为一名偶尔需要进行科研报告撰写和文献综述的读者，我非常看重一本书的结构逻辑和信息密度。这本书如果能提供一个清晰的脉络，从基础的光纤光学原理，过渡到LPG的基本理论模型，再到复杂的级联系统设计与信号处理，最后落脚于前沿应用，那么它将是一本出色的参考教材。我希望看到的是详尽的数学推导和清晰的物理图像，而不是空泛的概念描述。如果书中能对当前领域内尚未解决的关键科学问题有所提及，并对未来的研究方向进行展望，那就太有启发性了。一本优秀的专著，不仅要总结过去，更要为未来指明方向，激发读者的探索欲。

评分☆☆☆☆☆

这本《长周期光纤光栅及其级联结构的传感特性及应用》听起来就充满了硬核的科研气息，光是书名就让人对光纤传感技术的前沿发展充满了好奇。我最近在研究一些环境监测领域的新技术，正好关注到光纤光栅的一些应用。这本书如果能深入探讨长周期光纤光栅（LPG）是如何通过其独特的结构实现对温度、应变、折射率等多种参数的精密测量的，那就太棒了。特别期待看到关于其传感机理的详细阐述，比如模间耦合理论如何解释其光谱响应的变化，以及如何通过优化光栅参数来提升传感灵敏度和稳定性。对于那些在实验室里和这些精密器件打交道的工程师来说，这本书无疑是一本宝贵的工具书，能够帮助他们理解并优化实验设计，推动实际应用落地。