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

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• 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
• 传感应用

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出版社： 人民邮电

ISBN：9787115476494

商品编码：29770483398

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

光纤传感技术的新篇章：长周期光纤光栅级联结构及其前沿应用 在当今科技飞速发展的浪潮中，传感技术作为信息获取的关键一环，其重要性日益凸显。从工业生产的精密监测到环境保护的实时预警，再到医疗健康的精准诊断，无不依赖于先进可靠的传感系统。在众多传感技术中，光纤传感以其独特的优势，如抗电磁干扰、传输损耗低、体积小、易于组网等，已成为研究和应用的热点。而光纤光栅，特别是长周期光纤光栅（Long Period Fiber Grating, LPIG），作为一种高效的光学传感元件，正以其优异的性能和广阔的应用前景，引领着光纤传感技术迈向新的高度。 本文旨在深入探讨长周期光纤光栅的级联结构在传感特性和应用方面所展现出的巨大潜力。我们将从基础理论出发，逐步揭示其工作原理、结构特点，并重点剖析其在构建高性能传感器阵列、实现多参数同步测量以及拓展传感应用领域等方面的突破性进展。 一、 长周期光纤光栅：超越单点传感的精密之选 长周期光纤光栅，与传统的短周期光纤光栅（Short Period Fiber Grating, SPIG）不同，其周期长度（通常在数百微米量级）远大于光在光纤中的波长。正是这一“长周期”的特性，使得LPIG能够耦合光纤的基模（LP01）与高阶模（LPmn, m>0或n>0）发生谐振。这种谐振现象表现为在透射谱中产生一系列窄带的吸收峰或透射峰，其中心波长对外界环境参数的变化极为敏感。 LPIG的传感机制主要依赖于外界环境参数（如温度、应变、折射率、压力等）引起的纤芯和包层模式折射率的变化。当环境参数发生变化时，不同模式的有效折射率也会随之改变，从而导致与特定高阶模的谐振条件发生偏移，最终表现为吸收峰/透射峰的中心波长发生移动。这种波长移动与环境参数之间存在着明确的函数关系，为传感测量提供了基础。 相较于SPIG，LPIG在传感应用上具有以下显著优势： 高灵敏度： LPIG对外部环境参数的变化具有更高的灵敏度，能够实现更精密的测量。 多模式耦合： LPIG能够耦合多种高阶模，为实现多参数传感和增强信息提供了可能。 易于制作： LPIG的制作工艺相对成熟，可以通过紫外曝光、二氧化碳激光烧蚀等技术实现。 宽测量范围： LPIG的传感特性可以根据设计进行调控，适应不同的测量需求。 二、 级联之妙：构建多功能、高分辨率传感系统 在实际应用中，单一的LPIG可能难以满足复杂环境监测或多参数同步测量的需求。此时，将多个LPIG以串联（级联）的方式集成到同一根光纤中，便能构建出功能更强大、分辨率更高的传感系统。LPIG的级联结构能够实现以下关键突破： 1. 实现多点、分布式传感： 通过在不同位置刻写具有不同中心波长响应的LPIG，可以在一条光纤上实现对多个独立点的温度、应变等参数进行同步监测。这种分布式传感能力对于监测大型结构（如桥梁、隧道、管道）的健康状况尤为重要，能够及时发现潜在的风险点。 2. 提升传感分辨率与区分度： 级联结构中，不同LPIG的谐振峰波长可以设计得相互靠近或重叠。通过精细的光谱分析和算法处理，可以区分出不同LPIG的响应，从而提高传感系统的空间分辨率。此外，通过选择性地激发不同的高阶模，可以进一步优化传感器的分辨率和抗干扰能力。 3. 实现多参数同步测量： 这是LPIG级联结构最激动人心的应用方向之一。不同的LPIG或LPIG中的不同谐振峰，对不同环境参数（如温度和应变，或温度和湿度，或折射率和pH值）具有不同的敏感度。通过巧妙地设计级联LPIG的参数，例如，使其对温度的响应灵敏度远高于对温度的响应，或者对两种参数的响应函数具有非线性耦合，便能通过解算一组方程组，同时推断出多个环境参数的数值。这种能力在复杂的工业过程控制、精细农业监测以及生物医药研究中具有不可估量的价值。 4. 增强抗干扰能力： 在级联结构中，可以通过增加LPIG的数量或设计特定的LPIG阵列，来提高传感信号的冗余度，从而降低单一传感器失效对整体系统造成的影响。此外，通过引入差分测量技术，如使用一对具有相似响应但对某一种环境参数不敏感的LPIG，可以有效消除环境噪声或非目标参数的干扰。 5. 构建新型传感原理： LPIG的级联结构也为探索和实现一些全新的传感原理提供了平台。例如，可以利用级联LPIG与其它光学元件（如短周期光栅、布拉格光栅）的协同作用，实现对微小形变量、化学物质浓度等参数的超灵敏检测。 三、 前沿应用：从理论走向实践的无限可能 基于长周期光纤光栅级联结构的传感技术，已在众多领域展现出巨大的应用潜力，并已逐步从实验室走向实际应用： 1. 结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）： 桥梁与大坝： LPIG级联传感器可以嵌入桥梁或大坝的混凝土结构中，实时监测温度、应变、振动等信息，评估结构的完整性和稳定性，提前预警潜在的损坏风险。 隧道与地下工程： 监测隧道内部的温度、湿度、应变变化，以及周围土体的压力和位移，为施工安全和后期运营提供保障。 航空航天器： 在飞机、火箭等结构件上布置LPIG级联传感器，监测飞行过程中的温度、应变、振动载荷，确保飞行安全，并为结构优化提供数据支持。 风力发电机： 监测风力发电机叶片、塔筒等关键部件的应变和温度，优化运行策略，延长设备寿命，降低维护成本。 2. 工业过程控制与安全： 石油与天然气管道： 监测管道内部的温度、压力、流速变化，以及外部环境的应变，检测泄漏，保障能源输送安全。 化工生产： 实时监测反应釜内的温度、压力、介质浓度等参数，实现精准控制，提高产品质量，并预警潜在的安全隐患。 电力设备： 监测变压器、高压输电线路等关键电力设备的温度和应变，评估运行状态，防止过载或短路引发事故。 3. 环境保护与气象监测： 水体监测： 监测水温、pH值、溶解氧、污染物浓度等参数，评估水质状况，为水资源管理提供依据。 大气环境监测： 监测空气温度、湿度、风速、污染物浓度等，为气象预报和空气质量评估提供数据。 地质灾害监测： 监测地震活动区域的温度、应变、地下水位变化，为地震预测和预警提供支持。 4. 生物医学与健康监测： 体温监测： 研发可植入式或可穿戴式LPIG传感器，实现对人体体温的精准、长时间监测。 血糖监测： 通过设计对特定生化物质敏感的LPIG，有望实现无创或微创的血糖实时监测。 生物力学分析： 监测人体运动时的关节应变、肌肉收缩等，为康复治疗和运动科学研究提供数据。 5. 新兴交叉领域： 智能交通系统： 监测道路表面温度、应变、交通流量等，优化交通管理，提高出行效率和安全性。 智慧农业： 监测土壤温湿度、光照强度、CO2浓度等，实现精准灌溉、施肥，提高作物产量和品质。 水下探测与通信： 利用LPIG的声学敏感性，开发新型水下声呐传感器，或与其他光纤通信系统结合，拓展水下应用。 四、 未来展望：走向智能化、集成化的传感网络 长周期光纤光栅级联结构作为一种高度集成化、功能化的传感技术，其未来发展方向将更加聚焦于： 智能化与自适应性： 结合先进的信号处理算法、机器学习和人工智能技术，实现传感数据的智能分析、故障诊断和自适应校准。 微型化与集成化： 进一步优化LPIG的制作工艺，实现更小尺寸、更高集成度的传感器芯片，方便嵌入各种复杂环境。 无线化与低功耗： 探索低功耗数据传输与供电方案，实现传感网络的无线部署和长期自主运行。 多物理场耦合传感： 研发能够同时响应多种物理量（如电磁场、声场、化学场）的LPIG级联传感器，构建全方位、多维度感知体系。 量子传感融合： 探索将LPIG传感技术与量子传感技术相结合，实现更高精度、更高分辨率的测量。 总而言之，长周期光纤光栅的级联结构，凭借其独特的传感机理、灵活的结构设计和卓越的性能表现，正在为光纤传感领域注入新的活力。从精确测量到智能感知，从单点监测到分布式网络，LPIG级联技术正以前所未有的广度和深度，渗透到现代社会的各个角落，为科技的进步和社会的发展贡献着不可或缺的力量。对其进行深入研究和持续创新，必将为人类带来更多意想不到的惊喜和突破。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和排版着实令人眼前一亮。封面设计简约而不失深度，那种低饱和度的蓝与白灰的搭配，很符合科学专著的稳重气质，拿在手里沉甸甸的，让人感觉内容必然扎实可靠。内页的纸张选择了略带米黄色的哑光纸，阅读起来长时间也不会感到眼睛疲劳，这对于需要长时间研读技术细节的读者来说，是非常贴心的考量。更值得称赞的是，图表的清晰度达到了专业水准。那些复杂的物理模型示意图和实验装置图，线条锐利，标注详尽，即便是初次接触该领域的人，也能通过图示迅速把握核心概念的几何关系和物理布局。再谈谈目录的逻辑性，它不像某些教科书那样生硬地堆砌知识点，而是呈现出一种清晰的递进关系：从基础理论的铺陈，到核心器件的原理剖析，再到系统集成和实际应用案例的探讨，条理清晰，层层深入，仿佛引导着读者进行一次结构化的学习攀登，而不是盲目地在知识的海洋里漂浮。这种对物理形态和阅读体验的重视，体现了出版方对学术质量的严格把控，也极大地提升了阅读的愉悦感。

评分☆☆☆☆☆

这本书在工程应用案例的选择上，展现出了极强的时代感和前瞻性。它没有仅仅停留在展示一些已经成熟的、被广泛应用的传统传感器案例，而是花了大量篇幅去探讨一些处于研发前沿的、对环境极端敏感的测量场景。比如，对于高压电缆内部温度的实时监测，传统热敏电阻的响应速度和空间分辨率都无法满足要求，书中对如何利用特定结构的传感单元，结合光纤的微弯效应进行高精度定位和快速响应的探讨，逻辑严密，数据翔实。我特别关注了其中关于“多点阵列集成”的章节，作者深入剖析了在同一根光纤上如何通过优化耦合系数和反馈机制，实现对数十个独立测量点的远程、同步、高保真读取，这对于大型工业设施的健康监测体系构建具有直接的指导意义。与其说这是一本理论书，不如说它是一本结合了深厚理论功底和前沿工程实践的“蓝图指南”，让我对未来的研究方向有了更明确的锚点。

评分☆☆☆☆☆

我花了整整一个周末来啃这本书的理论基础部分，不得不说，作者在阐述核心物理机制时的那种“慢工出细活”的态度，简直是教科书级别的典范。特别是关于波导色散与非线性效应耦合作用的分析，很多同类书籍往往一笔带过，或者直接给出复杂的最终公式，让读者望而却步。然而，这本书却采用了一种“剥洋葱”式的讲解方法，从麦克斯韦方程组在特定介质中的简化形式出发，逐步引入折射率的波长依赖性，再到更高阶的色散项的物理意义，每一步都有详尽的数学推导和清晰的物理图像对应。我尤其欣赏作者在引入一些关键假设时，都会明确指出其适用范围和局限性，这对于一个严谨的科研人员来说至关重要，因为它避免了知识的误用。读完这部分，我感觉自己对光在光纤中传输的本质，不再是停留在“会用公式”的层面，而是真正理解了“为什么是这个公式”，这种从源头上去把握事物规律的感觉，是阅读其他碎片化资料所无法比拟的。

评分☆☆☆☆☆

全书的语言风格呈现出一种内敛而精确的学术美感，很少出现煽情或夸张的词汇，完全以事实和逻辑为驱动力。作者的文字组织非常紧凑，几乎没有多余的赘述，每一个句子都承载着明确的信息负载。这使得阅读过程充满挑战，因为你必须保持高度的专注力，稍有走神就可能错过一个关键的限定条件或一个重要的推论。我曾尝试在非工作状态下阅读，结果发现效果甚微，这本书本质上要求读者进入一种“心流”状态，全神贯注地与作者的思维节奏同步。不过，正是这种高强度的信息密度，保证了它作为一本高级参考资料的价值。它不是用来睡前放松的读物，而是需要你拿出纸笔、反复演算和对照图表的“工作伴侣”。这种毫不妥协的专业性，恰恰是科研人员所需要的品质，它尊重了读者的智力水平，并期望读者能够跟上其严谨的步伐。

评分☆☆☆☆☆

这本书的一个突出优点在于它对实验数据处理和误差分析所给予的重视程度。在很多光纤传感器的研究中，理论模型和实际测量之间总存在一个难以逾越的鸿沟，主要原因就在于对环境噪声、光纤制造公差以及测量系统固有缺陷的处理不够到位。这本书在这方面做得非常到位，专门辟出一个章节详细讨论了“噪声源的建模与抑制”。作者不仅列举了常见的环境噪声（如温度波动、振动干扰），还深入探讨了光源自身的相对强度噪声（RIN）对低信噪比测量的影响，并给出了基于数字信号处理和先进滤波算法的有效对策。更令人印象深刻的是，作者在展示最终的实验结果时，总是会附带一套详尽的“不确定度分析”，清晰地标明了系统误差和随机误差的来源与贡献比例，这为后续研究者进行交叉验证和结果对比提供了极高的可信度基础，让这本书的结论更具说服力和可复现性。