荧光光纤温度测量技术及应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

贾丹平，伞宏力，赵立民 著

图书标签:

• 荧光光纤传感器
• 温度测量
• 光纤技术
• 光学传感器
• 分布式温度测量
• 生物医学工程
• 工业应用
• 环境监测
• 材料科学
• 传感技术

店铺： 北京爱读者图书专营店

出版社： 科学出版社有限责任公司

ISBN：9787030448156

商品编码：29596138225

包装：平装

出版时间：2016-04-01

基本信息

书名：荧光光纤温度测量技术及应用

定价：66.0元

作者：贾丹平,伞宏力,赵立民

出版社：科学出版社有限责任公司

出版日期：2016-04-01

ISBN：9787030448156

字数：200000

页码：

版次：31

装帧：平装

开本：B5

商品重量：0.4kg

编辑推荐

---

导语_点评_推荐词

内容提要

---

目录

---

作者介绍

---

文摘

---

序言

---

序言

《光纤传感技术在环境监测中的前沿进展》 概述 本书聚焦于光纤传感技术在环境监测领域的最新研究成果与应用实践，深入探讨了多种光纤传感技术在测量温度、湿度、压力、气体成分、化学物质以及生物标记物等环境参数方面的独特优势与突破性进展。通过梳理光纤传感器的基本原理、结构设计、材料选择、信号处理以及与数据分析平台的融合，本书旨在为环境科学、工程技术、公共卫生及相关交叉学科的研究人员、工程师和决策者提供一个全面、深入的技术参考和发展视角。本书强调了光纤传感技术在提升环境监测的精度、实时性、灵敏度和空间覆盖范围方面的巨大潜力，尤其是在应对气候变化、污染防治、生态保护以及灾害预警等重大挑战中扮演的关键角色。 第一章 光纤传感技术的基本原理与发展历程 本章将从基础理论出发，系统阐述光纤传感器的核心工作原理。我们将深入剖析光在光纤中传输的物理机制，包括全内反射、衍射、干涉、散射等现象，以及它们如何被用于编码和传递被测环境信息。 光纤传感器的工作原理：本节将详细介绍不同类型光纤传感器的工作机制。 强度型光纤传感器：讲解光的强度变化与被测参数之间的关系，例如弯曲损耗、吸收损耗等。 相位型光纤传感器：重点介绍光的相位变化，如法布里-珀罗干涉仪（FPI）、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）等，它们如何对外界微小变化敏感。 波长型光纤传感器：探讨光的波长或光谱特征改变，如布拉格光栅（FBG）传感器，其反射或透射波长随应变、温度等参数变化。 偏振型光纤传感器：分析光的偏振状态变化，如偏振损耗、偏振平移等，与应力、磁场等参数的关联。 光纤传感器的基本构成：介绍光纤传感器通常包含的关键组成部分，包括光源、光纤（传感光纤、传输光纤）、调制/解调元件、探测器以及信号处理系统。 光纤传感技术的发展历程：回顾光纤传感技术从早期概念提出到如今的蓬勃发展的关键节点。我们将介绍早期的一些里程碑式研究，以及随着激光技术、光电子技术、半导体技术、精密加工技术和先进材料科学的进步，光纤传感器在性能、成本和集成度方面取得的飞跃。 光纤传感技术与传统传感技术的比较：分析光纤传感器在电磁兼容性、抗腐蚀性、绝缘性、体积小巧、分布式传感能力、高带宽传输以及信号远传等方面的独特优势，与传统的电学、化学传感器进行对比，阐述其在恶劣环境和特殊应用场景下的不可替代性。 第二章 环境监测中的关键参数与光纤传感器的应用需求 环境监测是一个多维度、多尺度的复杂系统工程，涉及对各种物理、化学和生物参数的实时、准确测量。本章旨在梳理环境监测领域的核心关注点，并由此引申出对光纤传感器在这些领域应用的具体需求。 环境监测的重点领域： 大气环境监测：包括空气质量（PM2.5、PM10、O3、SO2、NOx、CO等）、温湿度、风速风向、降水、气压等参数的监测。 水环境监测：涉及水质（pH、溶解氧、氨氮、重金属离子、有机污染物、浊度、电导率等）、水温、水位、水流速度等参数的监测。 土壤环境监测：关注土壤湿度、温度、pH值、养分含量（N、P、K）、重金属污染、有机污染物残留等。 生态环境监测：包括生物多样性（如通过监测特定生物标记物）、植被健康、森林火灾预警（温度、湿度、烟雾）、海洋环境监测（温度、盐度、pH、溶解氧、污染物）等。 工业污染监测：烟气排放监测（SO2、NOx、CO、HCl等）、废水排放监测、泄漏检测等。 灾害预警与监测：地质灾害（如滑坡、地震前的应力应变监测）、洪水监测（水位、流速）、极端天气监测等。 光纤传感器在环境监测中的应用需求分析： 高精度与高灵敏度：环境变化往往是细微的，要求传感器能够捕捉到微小的参数波动。 实时性与连续性：环境污染事件的发展往往迅速，需要能够进行连续、实时的监测以获取早期预警和及时响应。 远程与分布式监测：很多环境监测区域地势复杂、人口稀少或存在危险，需要传感器能够进行远距离传输和大规模、网格化的分布式布设。 多参数集成监测：单一参数的监测往往不足以全面了解环境状况，需要集成多种传感能力于一体的解决方案。 抗干扰性与可靠性：环境监测场所常常伴随电磁干扰、化学腐蚀、高低温、高湿等恶劣条件，对传感器的稳定性、耐久性和抗干扰能力提出严峻考验。 低成本与易维护性：大规模部署的环境监测网络需要考虑传感器的成本效益和日常维护的便利性。 智能化与数据融合：结合物联网、大数据和人工智能技术，实现数据的自动采集、分析、预警和决策支持。 第三章 基于光纤的光学原理在环境参数测量中的应用 本章将深入探讨如何利用光纤的光学特性来测量各种环境参数，重点介绍不同光学效应在实际环境监测应用中的具体实现。 折射率变化引发的光学信号调制： 比表面积与介电常数变化：很多环境参数（如湿度、气体浓度、特定化学物质的吸附）会改变传感材料的折射率，从而影响光在光纤中的传播。 应用实例：基于折射率变化的传感器在湿度监测、气体泄漏检测（如甲烷、CO2）、挥发性有机物（VOCs）检测等方面具有广泛应用。 吸收光谱技术在化学成分分析中的应用： 特定波长光的吸收：不同化学物质对特定波长的光具有选择性吸收，可以通过测量光纤传输光的吸收光谱来识别和量化物质。 应用实例：气体成分监测（如CO2、CH4、NH3、SO2、NOx等），水体污染物检测（如COD、BOD、特定有机污染物），以及某些生物标记物的检测。 散射效应与拉曼光谱/瑞利散射： 拉曼散射：分子振动产生的非弹性散射，其散射光谱具有独特的分子指纹，可用于物质的定性和定量分析。 瑞利散射：弹性散射，其强度与介质的密度、粒子尺寸等有关，可用于温度、压力和颗粒物浓度的测量。 应用实例：拉曼光谱在远程化学成分分析、物质识别、矿物成分分析等方面具有潜力；瑞利散射在分布式温度和应变监测中有重要应用。 干涉效应与高灵敏度测量： 法布里-珀罗干涉仪（FPI）与马赫-曾德尔干涉仪（MZI）：微小的环境参数变化（如温度、压力、位移）会导致干涉腔长度或光程差变化，引起干涉条纹的移动，从而实现高灵敏度测量。 应用实例：高精度温度传感器、压力传感器、应变传感器，也可用于监测微小的形变或振动。 布拉格光栅（FBG）传感技术： 光栅参数的敏感性：FBG的反射波长对温度、应变、压力等参数敏感，通过监测反射波长的漂移即可得知被测参数的变化。 应用实例：广泛应用于结构健康监测（桥梁、隧道、大坝）、管线监测、储罐监测、地质灾害监测，也是一种重要的温度、应变测量工具。 表面等离子体共振（SPR）与生物/化学传感： SPR原理：当光波与金属薄膜表面的自由电子发生共振时，会产生SPR现象，其共振条件对介质的折射率极其敏感。 应用实例：生物分子检测（如病毒、细菌、蛋白质、DNA）、环境污染物检测、水体生物毒性评估等。 光纤光栅的复用技术： 时分复用（TDM）、波分复用（WDM）、空分复用（SDM）：通过在同一根光纤上集成多个传感点，实现对更大范围、更复杂环境的监测，提高传感网络的效率和经济性。 第四章 光纤传感器在特定环境监测场景下的应用案例分析 本章将选取几个典型且具有代表性的环境监测场景，详细阐述光纤传感器是如何被部署和应用的，以及其解决的具体问题和带来的效益。 大气污染物与温湿度的分布式监测： 案例：在城市区域或工业园区内，利用FBG或基于吸收光谱的光纤传感器网络，实现对SO2、NOx、O3、CO等气体的实时浓度分布监测，并结合温湿度数据，为空气质量预报和污染溯源提供数据支持。 优势：克服了传统点式监测站覆盖范围有限的缺点，能够捕捉到局部的污染热点和变化趋势。 水体质量与水位监测： 案例：在河流、湖泊、水库或地下水系统中，部署基于SPR、吸收光谱或荧光传感器的光纤探头，实时监测pH、溶解氧、氨氮、重金属离子、有机污染物等指标，同时利用基于干涉或FBG的水位传感器监测水位变化。 优势：实现对水体污染的早期预警，为水资源管理和环境保护提供及时准确的信息。 土壤墒情与养分监测： 案例：在农田或生态修复区域，利用基于吸收或折射率变化的光纤传感器，监测土壤湿度、温度、pH值以及氮、磷、钾等养分含量，实现精准农业或生态监测。 优势：为作物生长提供最佳条件，减少水和肥料的浪费，提高资源利用效率。 结构健康监测与灾害预警： 案例：在桥梁、大坝、隧道、矿井等基础设施中，布置FBG光纤传感器阵列，实时监测结构的应力、应变、位移和温度变化，及时发现潜在的结构损伤或变形，预测滑坡、坍塌等灾害风险。 优势：提高基础设施的安全性和可靠性，减少潜在的安全隐患和经济损失。 工业过程安全与泄漏检测： 案例：在石油化工、天然气输送管线、危险品存储等场所，利用光纤传感器监测温度、压力、应变以及特定气体泄漏，实现对工艺过程的实时监控和潜在泄漏的快速预警。 优势：提高工业生产的安全性，防止事故发生。 海洋环境监测： 案例：部署在海洋中的光纤传感器，用于监测海水温度、盐度、pH值、溶解氧、污染物以及海底地质活动，为海洋科学研究、渔业管理和海洋资源开发提供关键数据。 优势：在严酷的海洋环境下，光纤传感器的耐腐蚀性、抗压性和信号远传能力尤为重要。 第五章 光纤传感技术的挑战与未来发展趋势 尽管光纤传感技术在环境监测领域取得了显著成就，但仍面临一些挑战，同时也孕育着巨大的发展潜力。本章将探讨这些挑战，并展望未来的发展方向。 当前面临的挑战： 传感器件的集成与小型化：虽然光纤本身纤细，但包含检测层的传感器件有时仍显笨重，不利于大规模、高密度的部署。 传感网络的多功能集成：实现一根光纤同时监测多种参数，需要复杂的传感原理和信号处理技术。 低成本制造与批量化生产：某些高性能光纤传感器件的制造工艺复杂，成本较高，限制了其大规模应用。 数据处理与智能分析：随着传感网络规模的扩大，海量数据的存储、传输、处理和智能分析成为瓶颈，需要更先进的算法和平台。 标准化与互操作性：缺乏统一的行业标准，导致不同厂商的设备难以兼容，影响了传感网络的建设和数据共享。 长期稳定性与可靠性：在极端环境下，传感器的长期工作稳定性和可靠性仍需进一步提高。 能量消耗：尽管光纤传感器本身功耗低，但与之配套的信号处理和数据传输系统可能需要考虑能源供应问题，尤其是在偏远地区。 未来发展趋势： 新型光纤传感材料的开发：开发具有更高灵敏度、选择性和稳定性、更适合特定环境参数测量的功能性光纤和传感涂层材料，如纳米材料、量子点、MOFs（金属有机框架）等。 智能光纤传感器件的设计：集成微机电系统（MEMS）或纳米技术，实现传感、信号处理和通信功能的芯片化，进一步提升传感器的集成度和智能化水平。 分布式传感技术的突破：发展更长距离、更高空间分辨率、更宽监测范围的分布式光纤传感技术，如分布式声波传感（DAS）、分布式温度传感（DTS）和分布式化学传感。 光纤传感器与人工智能、大数据深度融合：利用机器学习、深度学习等AI技术，实现环境数据的自主学习、模式识别、异常检测、精准预测和智能决策。 无线光纤混合传感网络：结合光纤的稳定传输和无线传感器的灵活性，构建更具鲁棒性和普适性的混合传感网络。 低成本、模块化、可插拔的光纤传感节点：降低部署和维护成本，提高传感网络的灵活性和可扩展性。 在极端环境和新兴领域的应用拓展：如深海、深空、核环境、生物医学等特殊领域的应用探索。 结论 本书全面回顾了光纤传感技术在环境监测领域的关键进展，深入剖析了其基本原理、应用需求、技术实现以及面临的挑战。光纤传感技术凭借其独特的优势，正在深刻地改变着我们监测和理解环境的方式。随着技术的不断进步和新材料、新方法的涌现，光纤传感技术必将在未来的环境保护、可持续发展和人类福祉提升中发挥更加举足轻重的作用。本书旨在为读者提供一个清晰的认知框架，激发新的研究思路，并推动光纤传感技术在环境监测领域的广泛应用与创新。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构编排展现出一种非常清晰的逻辑递进关系，仿佛是为一位循序渐进的学习者量身定制的教程。开篇对光纤传感的基本原理做了扎实的基础铺垫，从材料特性到光路设计，基础打得极其牢固。随后，作者没有急于介绍高精尖技术，而是耐心地梳理了不同类型的光纤传感器的特性对比，这种横向比较的视角非常宝贵，帮助我迅速定位了哪种技术路线最适合我当前的项目需求。最让我印象深刻的是，在讨论到特定应用案例时，作者总能从“为什么选择这种方式”的角度切入，而不是简单地陈述“如何实现”。这种探究源头的叙述方式，极大地激发了我对技术发展脉络的好奇心，让我不仅仅停留在“知道怎么做”，更能理解“为什么要这么做”。

评分☆☆☆☆☆

我花了大量时间研读了书中关于信号处理与数据采集那一部分，感觉作者在理论的深度和工程的实用性之间找到了一个绝妙的平衡点。很多同类书籍往往过于沉溺于晦涩的数学模型，让人望而却步，但这本书的讲解方式却非常“接地气”。它没有回避深奥的傅里叶变换和滤波理论，而是巧妙地将这些抽象概念与实际测量中的噪声抑制、漂移校正紧密结合起来，举例都非常贴近工业现场可能遇到的真实场景。例如，对于背景光干扰的处理，书中的算法描述不仅给出了严谨的数学公式，还配上了清晰的流程图，甚至提到了不同微控制器平台上的实现要点。这使得我对如何将实验室成果转化为可靠的现场监测系统，有了更清晰的路线图，极大地拓宽了我的工程视野，这种实操层面的指导价值，是单纯的理论书籍难以比拟的。

评分☆☆☆☆☆

作为一名长期从事相关领域研发的人员，我通常对市面上的新书抱持审慎的态度，因为很多所谓的“前沿”内容往往只是对现有文献的简单罗列。然而，这本书在数据分析和不确定度评定方面的论述，体现出了作者深厚的实践功底和批判性思维。书中关于系统误差来源的剖析细致入微，特别是对环境温度漂移和光纤老化效应的量化分析，提供了比标准教科书更为细致的参数模型。更令人称道的是，作者并未将“准确性”视为一个终极目标，而是围绕“可信度”展开讨论，详细阐述了贝叶斯推断在数据融合中的应用，这对于追求高可靠性测量的应用领域来说，无疑是提供了强有力的理论支持和工具箱。这种对测量本质的深刻洞察，使得本书的价值远远超出了技术手册的范畴。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书的过程，与其说是学习知识，不如说是一次与资深专家的深度对话。作者的文字风格极其严谨，但又不失温度，他似乎总能预见到读者在哪个节点会产生疑问，并提前在脚注或附录中给出补充说明或历史背景。例如，在介绍某一类专有光纤制备工艺时，作者穿插了一段关于该工艺在冷战时期早期研究的简短历史回顾，这使得原本枯燥的工艺流程瞬间变得生动有趣，充满了人文关怀。这种在技术细节中融入时代背景和发展历程的处理手法，极大地提升了阅读体验的层次感。它不再是冷冰冰的参数堆砌，而是有血有肉的技术演进史，让人在掌握核心技术的同时，也对整个学科的发展脉络有了更宏观的把握。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计非常吸引人，封面采用了一种深邃的蓝色调，配上抽象的、仿佛流动着的彩色光线图案，让人一眼就能感受到其中蕴含的科技感和神秘感。内页的纸张质感也相当不错，印刷清晰，墨色饱满，阅读起来非常舒适，长时间盯着看也不会觉得眼睛疲劳。排版布局上，作者显然是花了不少心思，章节之间的过渡自然流畅，图文并茂的部分安排得恰到好处，既有详尽的理论推导，也有直观的示意图，大大降低了理解复杂概念的门槛。特别是对于初次接触这个领域的读者来说，这种精心打磨的视觉体验无疑是一剂强心针，让人有持续深入阅读下去的动力。整体而言，这本书在物理呈现上达到了一个相当高的水准，单从书籍本身来说，它就具备了优秀教材或专业参考书的特质，让人愿意把它长期摆在案头，时不时翻阅品味。