光学与光子学丛书：光纤传感器基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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方祖捷，秦关根，瞿荣辉，蔡海文 著

图书标签:

• 光纤传感器
• 光学传感器
• 光子学
• 传感器技术
• 光纤通信
• 精密测量
• 物理学
• 工程技术
• 仪器仪表
• 检测技术

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030389534

版次：1

商品编码：12091700

包装：精装

丛书名： 光学与光子学丛书

开本：16开

出版时间：2014-01-01

用纸：胶版纸

页数：389

字数：496000

正文语种：中文

内容简介

　　光纤传感器是一种应用广泛、有重要实用价值的器件，它涉及光学、材料、电子学等众多学科领域。《光学与光子学丛书：光纤传感器基础》系统地论述了光纤传感技术的基础，是反映该领域近年来新进展的教科书和工具书。《光学与光子学丛书：光纤传感器基础》论述了光纤传感器的基本原理，用清晰的图示和基本公式解释其物理机理，介绍其主要结构、光学特性和基本性能。它不仅对高年级大学生和研究生的课程学习有一定指导作用，而且对该领域工作的研究者和工程技术人员有参考价值。
　　《光学与光子学丛书：光纤传感器基础》由7章组成。在引言之后，第2章综述光纤的基本原理，包括电磁场理论和射线光学理论。第3章论述光纤敏感性和光纤器件。第4章分析各种结构的光纤光栅及其在传感技术中的应用。第5章综述基于光纤内瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射的分布式光纤传感器。第6章介绍几个有特殊应用意义的光纤传感器，包括光纤陀螺、光纤水听器、光纤法拉第传感器和基于表面等离子元的传感器。第7章讨论光纤法布理-珀罗干涉仪传感器。附录提供有关的数学公式、弹性力学基础、偏振光学基础、相关材料和器件的性能参数。
　　《光学与光子学丛书：光纤传感器基础》的读者对象，一是大专院校的学生，特别是攻读博士学位和硕士学位的研究牛，二是从事光纤传感器及其应用的研发工作的科研工作者和工程技术人员。

内页插图

目录

前言

第1章 引言
1．1 历史回顾和展望
1．2 光纤传感器的分类和应用
1．3 本书各章内容提要
参考文献

第2章 光导纤维基础
2．1 光导纤维简介
2．1．1 光纤的基本结构和制备
2．1．2 光纤的基本特性
2．1．3 光纤的分类
2．2 阶跃折射率光纤的电磁场理论
2．2．1 圆柱坐标系的麦克斯韦方程
2．2．2 边界条件和本征值方程
2．2．3 弱导近似、混合模和线偏振模
2．2．4 场分布和偏振特性
2．2．5 多模光纤和包层模
2．2．6 光脉冲在光纤中的传输
2．3 梯度折射率光纤的基本理论
2．3．1 非均匀介质中的射线方程
2．3．2 梯度折射率光纤的射线光学
2．3．3 梯度折射率光纤的波动光学
2．3．4 梯度折射率透镜的基本特性
2．4 特种光纤
2．4．1 稀土掺杂光纤和双包层光纤
2．4．2 保偏光纤
2．4．3 光子晶体光纤和微结构光纤
习题
参考文献

第3章 光纤敏感性和光纤器件
3．1 光纤对所处物理条件的敏感性
3．1．1 光纤对轴向应变的敏感性
3．1．2 光纤对侧向压力的敏感性
3．1．3 光纤弯曲导致的双折射
3．1．4 光纤扭转导致的偏振模交叉耦合和偏振旋转
3．1．5 光纤弯曲损耗
3．1．6 光纤中的机械振动和波
3．1．7 光纤的温度敏感性
3．2 光纤耦合器
3．2．1 2x2光纤耦合器的结构和制备
3．2．2 光纤耦合器的基本特性和理论分析
3．2．3 Ⅳ×Ⅳ和lxN星型光纤耦合器
3．2．4 轴向模式耦合和锥形光纤
3．3 基于耦合器的光纤环路器件
3．3．1 光纤萨格纳克环
3．3．2 光纤单向环
3．3．3 光纤马赫一曾德尔干涉仪和迈克耳孙干涉仪
3．3．4 基于3x3耦合器的光纤环路器件
3．4 光纤的偏振特性
3．4．1 光纤中偏振态的演变
3．4．2 偏振模色散的基本特性
3．4．3 自旋光纤和圆双折射光纤
3．4．4 法拉第旋转和旋光效应
3．5 光纤偏振器件
3．5．1 光纤偏振器
3．5．2 光纤偏振控制器
3．5．3 光纤退偏器和扰偏器
3．5．4 光纤光隔离器和环行器
习题
参考文献

第4章 光纤光栅和相关器件
4．1 光纤光栅简介
4．1．1 光纤光栅的基本结构和原理
4．1．2 光纤的光敏性
……

第5章 分布式光纤传感器
第6章 特种用途光纤传感器
第7章 非本征光纤法布里一珀罗干涉仪传感器

附录A 数学公式
附录B 弹性力学基础
附录C 偏振光学基础
附录D 相关材料和器件的性能参数

索引
后记

前言/序言

　　长期以来，我一直想组织同行出一套适合于光学、光学工程工作者和研究人员需求的光学与光子学的丛书。如今，在科学出版社同志们的努力推进和工作在光学与光子学科研、教学一线的广大专家们的大力支持下，这样一个愿望终于得以实现，这使我感到由衷的欣慰和喜悦，我深信这样一套丛书的出版必将有效地促进我国光学、光电子以及光学工程技术的创新发展。
　　当今世界科学技术发展日新月异。科技创新能力已成为一个地区、一个国家，尤其是一个大国经济和社会发展的核心竞争力。在众多纷繁的科技领域中，光学与光子学的发展直接影响到其他诸多学科领域的发展及其可能取得的成就。不但物理学、化学、生命科学、天文学等基础科学的发展离不开光学与光子学，对现代人类社会和人类生活影响甚大的一些技术科学，如照明、通信、洁净能源、遥感、显示、环境监测、国防和空间开发、医疗与诊断、先进制造等，都需要光学与光子学的知识。光学与光子学是渗透到各个学科领域内的前沿科学，光学与光子学涉及几乎所有技术前沿的核心技术。中华民族要真正走向繁荣昌盛离不开对光的驾驭。
　　编委会把丛书的名称定为《光学与光子学丛书》，是想以此既包含经典光学（classicaloptics）的精华.也容纳现代光学（modernoptics）即光子学（photonics）的最新研究进展。我和所有编委们一同期待着这套丛书能够在涉及光科学和光学技术知识的深度和广度上都达到一个崭新的高度。积跬步至千里，汇小溪成江河。改革开放三十年的成就使得我国的光学事业处在了一个新的起点上。让我们大家共同努力，以此套高质量、高水准的《光学与光子学丛书》作为对中国光学事业大发展的鼎力贡献。

光学与光子学丛书：光纤传感器基础 内容简介 本书系统深入地阐述了光纤传感器的基本原理、关键技术、典型应用及发展趋势，旨在为读者提供一个全面而扎实的光纤传感器知识体系。作为“光学与光子学丛书”的重要组成部分，本书以严谨的学术态度和清晰的逻辑结构，力图帮助读者理解光纤传感器从概念到实际应用的各个环节，无论您是光学、物理、工程领域的研究者，还是致力于光纤传感技术开发与应用的工程师，亦或是希望深入了解这一前沿技术的研究生，本书都将是您宝贵的参考资料。 第一章：光纤传感器概论 本章首先从宏观角度介绍了光纤传感器的概念、发展历程以及其在现代科技中的重要地位。我们将探讨光纤传感器为何能够兴起并迅速发展，分析其相较于传统传感器所具有的突出优势，例如： 抗电磁干扰能力强： 光信号在光纤中传输，不受外界电磁场的影响，这使得光纤传感器在强电磁干扰环境下表现出色，如电力系统、航空航天等领域。 绝缘性好，安全性高： 光纤传感器不导电，非常适用于易燃易爆、腐蚀性强等危险环境，能够有效避免电火花等安全隐患。 体积小，重量轻，易于敷设： 光纤纤芯直径通常只有微米级别，光缆轻便灵活，可以轻松集成到各种结构中，甚至可以作为结构的一部分进行监测。 传输带宽大，抗腐蚀性强： 光纤能够传输高带宽的光信号，实现多路传感信息的同时采集，同时玻璃光纤具有优异的化学稳定性，不易被腐蚀。 传感原理多样，易于小型化和集成化： 基于多种光学效应，能够实现对多种物理量的精确测量，并且易于与微纳技术结合，实现传感器的微型化和阵列化。 随后，我们将对光纤传感器的工作原理进行初步的概述，包括其核心组成部分：光源、调制器件、光纤、传感头和解调系统。我们将简要介绍不同类型光纤传感器的工作机理，为后续章节的深入讲解打下基础。最后，本章将列举光纤传感器在工业监测、医疗诊断、环境监测、国防安全等领域的代表性应用，勾勒出其广阔的应用前景。 第二章：光纤传感器的基本原理 本章将深入剖析光纤传感器的核心工作原理，重点介绍其实现对物理量敏感性的基本物理机制。我们将从以下几个方面进行阐述： 光纤的传输特性： 回顾光的全内反射原理，讲解光在光纤中的传播模式，以及光纤结构（纤芯、包层、涂覆层）对光传输的影响。我们将讨论单模光纤和多模光纤的区别及其在传感应用中的选择。 基于损耗变化的光纤传感器： 介绍利用光纤传输损耗随外界环境变化而改变的原理。例如，弯曲损耗、挤压损耗等。 基于光相位变化的光纤传感器： 重点讲解基于干涉效应的光纤传感器，如法布里-珀罗干涉仪（F-P）、马赫-曾德尔干涉仪（M-Z）和Sagnac干涉仪。我们将详细分析这些干涉仪如何将外界物理量的变化转化为光相位信号，并介绍其结构和工作过程。 基于光强（幅度）变化的光纤传感器： 介绍非干涉型光纤传感器，例如利用光纤的散射、吸收、耦合损耗等效应。 基于光谱变化的光纤传感器： 讲解布拉格光栅（FBG）的工作原理，包括其结构、制造方法以及如何通过改变布拉格波长来监测应变、温度等物理量。我们将深入探讨FBG的传感机制，包括其对温度和应变的响应。 基于偏振变化的光纤传感器： 介绍利用光纤偏振态随外界环境变化的原理，例如偏振保持光纤的应用。 本章将通过大量的物理模型和数学推导，帮助读者深刻理解各种传感原理背后的物理机制，为后续的传感器设计和性能分析奠定理论基础。 第三章：常用光纤传感器类型与结构 本章将详细介绍目前应用最广泛、最具代表性的几种光纤传感器类型，并对其典型结构进行深入分析。 基于布拉格光栅（FBG）的光纤传感器： 原理与特性： 详细讲解FBG的反射光谱特性，以及其中心反射波长（Bragg Wavelength）如何随温度、应变等物理量的变化而移动。 制造工艺： 介绍FBG的几种主要制造方法，如紫外曝光法、飞秒激光直写法等，以及不同工艺对FBG性能的影响。 传感器设计与应用： 讲解基于FBG的温度传感器、应变传感器、压力传感器、液位传感器等的设计思路，并列举其在结构健康监测（SHM）、航空航天、土木工程等领域的具体应用案例。 多参数传感： 探讨如何通过复用不同中心波长的FBG或结合其他传感原理实现对温度、应变等多个物理量的同时测量。 基于干涉仪的光纤传感器： 法布里-珀罗（F-P）干涉仪传感器： 介绍其工作原理，包括不同反射镜结构的F-P腔，以及如何利用F-P干涉谱的变化来测量压力、温度、加速度等。 马赫-曾德尔（M-Z）干涉仪传感器： 讲解M-Z干涉仪的光路设计，以及其在折射率、流速、声波等传感应用中的特点。 Sagnac干涉仪传感器： 重点介绍Sagnac干涉仪在光纤陀螺、光纤水听器等领域的应用，并分析其对旋转和振动的灵敏度。 分布式光纤传感器： 基本原理： 介绍分布式光纤传感器的概念，即利用光纤本身作为传感元件，实现对长距离、连续区域的参数监测。 基于瑞利散射的分布式传感： 讲解基于瑞利散射的分布式温度传感（DTS）和分布式应变传感（DSS），分析其工作过程和空间分辨率。 基于拉曼散射的分布式传感： 介绍拉曼散射在DTS中的应用，及其对温度的敏感性。 基于布里渊散射的分布式传感： 重点讲解布里渊散射在分布式温度传感（DTS）和分布式应变传感（DSS）中的应用，分析其工作原理、优势和局限性。 应用前景： 探讨分布式光纤传感器在输油输气管道监测、隧道边界监测、电缆故障定位等领域的应用。 其他类型传感器： 简要介绍基于光纤耦合损耗、光纤光栅阵列、表面等离激元共振（SPR）等原理的光纤传感器。 本章通过大量示意图和具体实例，使读者能够直观地理解不同光纤传感器的结构和工作方式，并对其适用范围和性能特点有清晰的认识。 第四章：光纤传感器解调技术 光纤传感器的解调技术是将光信号的变化转化为可测量的物理量数据（如电压、数字信号）的关键环节。本章将系统介绍各种先进的解调方法。 基于光谱分析的解调技术： 光栅光谱仪： 介绍如何利用光栅光谱仪对FBG的反射光谱进行实时监测，实现对波长变化的精确测量。 法布里-珀罗干涉仪解调： 讲解如何通过分析F-P干涉条纹的移动来提取传感信息。 干涉光谱仪（如FTIR）： 介绍傅里叶变换红外光谱仪在某些光纤传感器解调中的应用。 基于电学和电子学的方法： 光电探测器与信号处理： 介绍各种类型的光电探测器（如PIN管、APD）在接收光信号中的作用，以及后续的电子信号放大、滤波和模数转换过程。 锁相放大技术： 讲解如何利用锁相放大器提高传感信号的信噪比，尤其适用于微弱信号的检测。 高速数据采集： 讨论在动态传感应用中对高速数据采集系统的要求。 基于模式识别和机器学习的解调： 神经网络与深度学习： 介绍如何利用机器学习算法对复杂的传感信号进行模式识别和特征提取，提高传感器的精度和鲁棒性，尤其在处理多参数耦合或非线性关系时。 支持向量机（SVM）、决策树等： 讨论其他常用的机器学习算法在光纤传感器数据分析中的应用。 分布式传感器的解调技术： 时域反射计（OTDR）： 详细介绍OTDR的工作原理，及其在分布式光纤传感中的应用，包括如何通过测量回波信号的时间延迟和幅度来定位故障和测量参数。 相关技术： 介绍其他与OTDR相关的技术，如光时域反射计（OFDR）等。 本章将重点分析各种解调技术的优缺点、适用范围以及对传感器性能的影响，帮助读者选择最适合其应用需求的解调方案。 第五章：光纤传感器在不同领域的应用 本章将通过丰富的案例研究，全面展示光纤传感器在各个关键领域的广泛应用，深刻体现其技术价值和社会意义。 工业监测与控制： 结构健康监测（SHM）： 在桥梁、隧道、大坝、建筑物等大型基础设施中，利用FBG传感器监测应力、应变、温度、位移等，及时发现结构损伤，评估安全状态。 设备状态监测： 在电力变压器、发电机、风力涡轮机等关键设备中，利用光纤传感器监测温度、振动、应力等，实现预测性维护，提高设备可靠性。 过程控制： 在石油化工、冶金等行业，利用光纤传感器实现对温度、压力、液位、流量等的实时精确测量，优化生产过程。 航空航天： 飞机结构监测： 集成光纤传感器于飞机蒙皮、机翼、起落架等部位，实时监测结构受力情况，提高飞行安全。 发动机性能监测： 利用耐高温光纤传感器监测发动机内部的关键参数，优化发动机性能。 火箭与航天器监测： 在发射和太空运行过程中，监测关键部件的温度、应力、振动等，保证任务成功。 医疗健康： 生物传感： 利用特殊设计的光纤传感器对血糖、pH值、氧气浓度、特定生物分子等进行无创或微创检测。 介入治疗： 在内窥镜、导管等医疗器械中集成光纤传感器，实时监测患者生理参数，辅助手术。 医学影像： 探索光纤技术在光学相干层析成像（OCT）等无损检测技术中的应用。 环境监测： 环境参数监测： 监测空气质量、水体污染、土壤墒情、地下水位等。 灾害预警： 用于监测地震、滑坡、泥石流、火山活动等自然灾害的发生前兆。 环境安全： 监测核设施、化工厂等区域的泄漏、温度异常等。 国防安全： 军事目标监测： 用于边界巡逻、反恐维稳、军事装备状态监测等。 水下监测： 光纤水听器在潜艇探测、海洋环境监测等领域发挥重要作用。 结构安全监测： 监测军事设施、桥梁、隧道等关键基础设施的结构健康。 本章将通过详细的案例分析，展示光纤传感器的实际性能和带来的巨大价值，激发读者的研究和应用兴趣。 第六章：光纤传感器发展趋势与挑战 本章将展望光纤传感器技术的未来发展方向，并探讨当前面临的挑战。 发展趋势： 小型化与微型化： 结合微纳技术，开发更小巧、更集成的光纤传感器，满足更多细分领域的应用需求。 多功能集成化： 实现多种传感功能（如同时测量温度、应变、压力）于一体的传感器。 智能化与网络化： 结合物联网（IoT）、大数据、人工智能（AI）等技术，构建智能化的光纤传感网络，实现数据的自主分析、预测和决策。 新材料与新工艺： 探索新型光纤材料（如陶瓷光纤、柔性光纤）和先进的制造工艺，提升传感器的性能和适用范围。 分布式传感技术的进步： 提高分布式光纤传感器的空间分辨率、测量精度和监测距离。 新型传感机理的探索： 持续探索新的物理效应，开发具有更高灵敏度、选择性和鲁棒性的新型光纤传感器。 面临的挑战： 成本问题： 部分高性能光纤传感器及配套解调系统的成本较高，限制了其大规模应用。 标准化与互操作性： 缺乏统一的行业标准，不同厂商的产品之间互操作性较差。 环境适应性： 在极端恶劣环境下（如超高温、强腐蚀、高辐射）工作的光纤传感器性能仍需提升。 数据处理与分析： 海量传感数据的高效处理、挖掘和可视化是未来发展的关键。 人才培养： 复合型人才的培养，能够同时掌握光学、电子、计算机和应用领域知识的专业人才。 最后，本章将对光纤传感器技术的未来发展前景进行总结性论述，鼓励读者积极投身于这一充满活力和潜力的技术领域。 本书的编写力求严谨、系统、实用，既注重理论的深度，也关注技术的广度与应用的前沿性。我们希望通过本书，能够为广大读者提供一个学习和研究光纤传感器技术的重要平台，为推动相关领域的发展贡献一份力量。

评分☆☆☆☆☆

我对光纤传感器应用领域的了解一直停留在表面，直到我翻开了《光学与光子学丛书：光纤传感器基础》。这本书的内容让我大开眼界，它不仅仅是理论的堆砌，更充满了实际应用的前瞻性和深度。书中关于传感器在航空航天、医疗健康、环境监测等领域的应用案例，让我看到了光纤传感器巨大的潜力和价值。比如，在航空领域，书中提到光纤传感器可以用于监测飞机结构的应力变化，这对于提高飞行安全至关重要。在医疗方面，微型光纤传感器在微创手术中的应用更是让我惊叹。让我印象深刻的是，书中并没有仅仅罗列应用，而是深入分析了不同应用场景下对传感器性能的具体要求，例如精度、稳定性、抗干扰能力等，并探讨了如何通过设计和材料选择来满足这些需求。这部分内容对于我思考如何将光纤传感器技术转化为实际产品非常有启发。整体而言，这本书的深度和广度都令人赞叹，它成功地将复杂的科学原理与前沿技术应用相结合。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是一场惊喜！我一直对光纤传感器这个领域充满好奇，但又担心会过于艰深。然而，《光学与光子学丛书：光纤传感器基础》完全打消了我的疑虑。作者从最基础的光学原理讲起，循序渐进地引入光纤传感器的概念。比如，书中对光在光纤中传播的机理进行了非常细致的阐述，包括全反射、折射等关键点，并辅以清晰的图示，让我这个光学门外汉也能迅速理解。接着，书中详细介绍了不同类型光纤传感器的结构和工作原理，像是我们常听到的基于折射率变化的传感器，书中不仅解释了其物理基础，还给出了几个实际应用的例子，比如用于测量温度、应变等。我特别喜欢书中关于传感器灵敏度和选择性的讨论，这部分内容非常实用，为我理解传感器性能提供了重要的理论支撑。而且，这本书的语言风格非常亲切，不像有些技术书籍那样枯燥乏味，读起来就像和一位经验丰富的老师在交流。即使是对光学背景不是很扎实的读者，也能从中获益良多。

评分☆☆☆☆☆

这是一本真正能引发思考的著作。作者在《光学与光子学丛书：光纤传感器基础》中，不仅仅是在介绍知识，更是在引导读者去思考光纤传感器未来的发展方向。书中关于新型光纤材料、先进传感技术以及智能化传感网络的讨论，让我对这个领域的前景充满了期待。例如，书中提到了在智能制造领域，光纤传感器如何实现对生产过程的实时监控和优化，以及在物联网时代，光纤传感器如何扮演关键的信息采集角色。让我印象深刻的是，作者并没有给出明确的答案，而是提出了许多开放性的问题，鼓励读者去探索和研究。这是一种非常高明的写作方式，它激发了我自身的求知欲和创新思维。这本书不只是一本教科书，更像是一扇通往未来科技的大门，让我对光纤传感器技术有了更深层次的理解和更广阔的视野。

评分☆☆☆☆☆

这本书最大的亮点在于其清晰的结构和系统性的讲解。我一直认为，要真正掌握一门技术，必须先理解其根本原理。《光学与光子学丛书：光纤传感器基础》在这方面做得非常出色。书中将光纤传感器的发展历程、基本组成、工作机制以及各种典型的传感器类型，都进行了梳理和分类。让我印象深刻的是，书中对于每一种传感器，都从其核心的传感机制出发，详细解释了物理原理，例如干涉、衍射、散射等，并且会给出相应的数学模型和推导过程，虽然有些推导我可能需要反复研读，但这种严谨的态度让我觉得非常可靠。更重要的是，书中还讨论了传感器的校准、标定和数据处理技术，这些都是实际应用中不可或缺的环节。我尤其欣赏书中对于各种传感器优缺点的客观评价，这有助于读者根据具体需求做出最佳选择。总的来说，这本书为我构建了一个完整的光纤传感器知识体系。

评分☆☆☆☆☆

读完《光学与光子学丛书：光纤传感器基础》，我最大的感受是这本书对于初学者非常友好，同时又不失学术的严谨性。作者在讲解每一个概念时，都会先从一个通俗易懂的比喻或者一个简单的物理现象入手，然后再逐步深入到相关的理论和公式。比如，在介绍光纤传感器的基本原理时，作者用了“光线在玻璃管里跳舞”这样的形象描述，让我一下子就抓住了光纤传导光的核心思想。随后，书中会用清晰的图解和相对简洁的公式来解释光在光纤中的行为。即使是一些复杂的物理效应，如光纤的非线性效应，作者也 চেষ্টা (zhù shì - 尝试，努力) 运用了简单化的模型来阐述。对于我这样一个非物理专业背景的读者来说，这种循序渐进的学习方式极大地降低了学习门槛。而且，书中还穿插了许多小知识点和历史背景，让学习过程更加生动有趣。

评分☆☆☆☆☆

好好学习，天天向上

评分☆☆☆☆☆

很好的书，很有参考价值

评分☆☆☆☆☆

这次实在是对京东快递失望了，书都特码的破了，还是硬壳那种封面

评分☆☆☆☆☆

帮别人买的，应该还不错，正版

评分☆☆☆☆☆

书写的很详尽，专业。。。。。。。。

评分☆☆☆☆☆

拿在手里，觉得挺直，不过我貌似买错了

评分☆☆☆☆☆

这次实在是对京东快递失望了，书都特码的破了，还是硬壳那种封面

评分☆☆☆☆☆

很好的一本教材 受益匪浅

评分☆☆☆☆☆

很好的书，很有参考价值