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
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• 结构传感
• 物理传感
• 光学传感器
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• 传感应用

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出版社： 人民邮电

ISBN：9787115476494

商品编码：29770395257

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 书籍简介 本书深入探讨了长周期光纤光栅（LPFG）及其级联结构在传感领域的独特性能与广泛应用。作为一种重要的光纤传感元件，LPFG凭借其独特的谐振特性、高灵敏度以及对外界环境参数的敏感性，在物理、化学、生物以及工程等多个学科领域展现出巨大的潜力。本书旨在为研究人员、工程师和学生提供一个全面而深入的知识框架，理解LPFG的工作原理、关键设计因素、制备技术、传感机制，以及如何通过级联结构进一步提升其传感性能，并最终将其应用于实际的传感系统中。 第一章 绪论 本章将首先介绍光纤传感技术的发展历程及其在现代社会中的重要地位。在此基础上，引出光栅传感器的概念，并重点阐述长周期光纤光栅（LPFG）作为一类新兴的光纤传感器所具备的独特优势，如高灵敏度、良好的选择性、抗电磁干扰能力以及易于集成等。将简要介绍LPFG的基本原理，包括其工作机制、关键参数（如谐振波长、带宽、损耗）及其与环境参数之间的关系。最后，将概述本书的整体结构和各章节的主要内容，为读者构建一个清晰的学习路径。 第二章 长周期光纤光栅（LPFG）的基本原理 本章将详细阐述LPFG的物理原理。首先，介绍光纤光栅的基本概念，包括布拉格光栅（FBG）与长周期光纤光栅（LPFG）的区别与联系。着重讲解LPFG的形成机制，即通过周期性地改变光纤的折射率，使得不同模式的导行光在周期性扰动下发生耦合。详细介绍LPFG的谐振条件，即当光波的相位匹配条件满足时，基模（LP01）将耦合到高阶模，并在特定波长产生强烈的谐振吸收峰。将深入分析LPFG的衍射效率、损耗谱特性以及谐振波长对周期、折射率调制深度、模场重叠度等参数的依赖关系。此外，还将探讨LPFG的模场分布特性，以及不同高阶模的特性对传感响应的影响。 第三章 LPFG的制备技术 本章将系统介绍LPFG的制备技术。重点讲解常用的LPFG制备方法，包括： 紫外（UV）写入法：详细介绍如何利用紫外激光通过掩模版或聚焦扫描的方式，在光纤内部形成周期性的折射率调制。讨论不同掩模版的设计、激光功率、曝光时间等参数对LPFG性能的影响。 电弧放电法：阐述通过周期性地对光纤施加电弧放电，引起光纤横截面变形，从而产生周期性折射率变化的方法。分析电弧放电参数（如放电强度、持续时间、脉冲频率）与LPFG特性之间的关系。 机械拉伸法：介绍如何通过周期性的机械拉伸来改变光纤的周期性形变，从而实现LPFG的制备。讨论拉伸幅度、周期、次数等参数的控制。 其他制备技术：简要介绍一些新兴的或特定应用场景下的LPFG制备方法，例如二氧化碳激光烧蚀法、飞秒激光加工法等，并对比各种方法的优缺点。 本章还将强调制备过程中的关键控制因素，如光纤类型、环境条件、工艺稳定性等，以及如何通过后处理技术（如退火）来提高LPFG的稳定性。 第四章 LPFG的传感特性 本章是本书的核心章节之一，将深入分析LPFG的传感特性。重点阐述LPFG对各种环境参数的响应机制： 温度传感：解析光纤材料的热光效应和热膨胀效应对LPFG谐振波长的影响。介绍LPFG的温度灵敏度计算方法，并与其他温度传感技术进行比较。 应变传感：分析机械应变对LPFG周期和光纤折射率的改变，进而导致谐振波长漂移的机理。讨论LPFG在单轴、双轴应变下的响应特性。 折射率传感：重点讲解LPFG对周围环境折射率变化的敏感性。阐述LPFG的谐振峰随外部介质折射率变化而移动的原理，并分析其在生物、化学传感中的应用潜力。 弯曲传感：研究LPFG在不同弯曲半径和方向下的响应特性。分析弯曲如何影响模场分布以及模式耦合，从而导致谐振波长发生变化。 其他传感参数：简要介绍LPFG对压力、振动、化学物质浓度等其他参数的传感能力，并探讨相关的传感机理。 本章还将对LPFG的传感灵敏度、线性度、迟滞性、重复性以及稳定性等关键性能指标进行详细分析，并提供相应的测量和表征方法。 第五章 LPFG级联结构的传感特性 本章将重点研究LPFG级联结构的传感特性及其优势。首先，介绍级联LPFG的基本概念，即将两个或多个LPFG在同一根光纤上串联起来。深入分析级联LPFG的工作原理，包括： 多波长谐振：探讨级联LPFG如何实现多波长谐振，以及如何通过调整各个LPFG的参数来设计特定的谐振谱。 模式耦合的协同作用：分析不同LPFG的模式耦合如何相互影响，从而产生比单个LPFG更优异的传感性能。 级联对传感灵敏度的影响：详细讨论级联结构如何通过增强特定模式的耦合效率或引入新的耦合机制来提高LPFG的传感灵敏度。 级联对传感选择性的影响：研究级联LPFG如何通过组合不同灵敏度的LPFG，实现对多种环境参数的同时解耦测量，提高传感系统的选择性。 级联对传感范围的影响：分析级联结构如何拓宽LPFG的传感范围，或实现更精细的传感测量。 本章还将介绍级联LPFG的设计方法，包括如何选择合适的LPFG组合，以及如何优化级联结构以满足特定的传感需求。 第六章 LPFG及其级联结构的传感应用 本章将展示LPFG及其级联结构在各个领域的广泛应用，并提供具体的案例分析： 环境监测：应用于空气质量监测（如SO2、NOx、VOCs）、水质监测（如pH、溶解氧、重金属离子）、土壤湿度监测等。 工业过程控制：用于温度、压力、流量、液位等参数的实时监测，提高生产效率和安全性。 结构健康监测：应用于桥梁、隧道、建筑物、风力发电机叶片等结构的应力、应变、裂纹、振动监测，及时发现潜在的安全隐患。 生物医学传感：用于生物标志物的检测（如葡萄糖、尿素）、蛋白质和DNA的传感、细胞培养过程的监测、体温和pH值的实时测量等。 航空航天领域：用于飞机结构监测、发动机状态监测、高精度姿态测量等。 通信与导航：在高密度波分复用（DWDM）系统中作为滤波器的应用，以及在光纤陀螺仪和惯性导航系统中的潜在应用。 针对每个应用领域，本章将详细介绍所采用的LPFG或级联LPFG传感器的设计、制备、标定过程，以及实际应用效果和数据分析。 第七章 LPFG及其级联结构在多参数传感中的挑战与机遇 本章将深入探讨LPFG及其级联结构在多参数传感方面所面临的挑战，并展望未来的发展机遇。 多参数解耦的难题：分析不同环境参数对LPFG传感响应的耦合效应，以及如何有效地区分和解耦这些参数的信号。 传感选择性与灵敏度的权衡：探讨在追求高灵敏度的同时，如何保持良好的传感选择性。 信号处理与数据融合：介绍适用于LPFG传感数据处理的先进算法，以及如何利用数据融合技术提高传感系统的鲁棒性和准确性。 LPFG的长期稳定性与可靠性：讨论LPFG在复杂工作环境下的长期稳定性和可靠性问题，以及相应的解决方案。 微型化与集成化：展望LPFG及其级联结构向微型化、集成化方向发展的趋势，以实现更广泛的应用。 新型LPFG结构与传感机制的探索：鼓励读者探索新型LPFG结构（如多芯光纤LPFG、微结构光纤LPFG）以及新的传感机理，以突破现有技术的局限。 第八章 结论与展望 本章将对全书内容进行总结，并对LPFG及其级联结构在传感领域的未来发展方向进行展望。重申LPFG作为一种强大而灵活的光纤传感技术所具有的重要意义。总结本书介绍的关键理论、技术和应用。最后，将对未来研究方向提出建议，例如： 进一步提高LPFG的传感灵敏度、选择性和稳定性。 开发更先进的级联LPFG结构，以实现更复杂的多参数传感。 拓展LPFG在更多新兴领域的应用，如物联网、智能制造、智慧医疗等。 与人工智能、机器学习等技术深度融合，实现传感系统的智能化。 本书力求内容详实，理论严谨，并结合丰富的实例，为相关领域的科研人员和工程技术人员提供宝贵的参考和指导。

评分☆☆☆☆☆

阅读本书的过程，更像是一场与作者思维同步进行的智力探险。作者在讨论传感应用时，展现了一种超越传统温度、应变测量的广阔视野。书中涉猎了生物化学传感，特别是利用特定分子印迹聚合物（MIPs）与LPGs的集成，实现对特定污染物或生物标志物的痕量检测。这种跨学科的融合处理得非常自然流畅，没有生硬的拼凑感。例如，在介绍基于折射率变化的传感机理时，作者巧妙地引入了非线性光学效应的考量，尽管这部分内容在光栅理论中较为高阶，但作者的阐述方式兼顾了深度和可读性，成功地引导读者思考如何通过结构设计来“调控”传感器的响应光谱，而不是被动地接收光栅给出的信号。这种主动设计和优化传感响应的理念，是这本书区别于其他同类书籍的关键所在，它鼓励读者从根本上重新审视光栅传感器的设计哲学。

评分☆☆☆☆☆

这部著作的选题视角极为新颖，直击当前光电子技术领域的前沿热点——长周期光纤光栅（LPGs）。我个人感觉，作者在处理复杂物理模型和实际工程应用之间的平衡上做得相当出色。书中对LPGs的理论基础，尤其是其耦合模理论的深入剖析，让人耳目一新。不同于市面上那些过于侧重数学推导而忽略直观理解的教材，本书在阐述波导与包层模之间的能量交换机制时，采用了大量的图解和类比，使得即便是初次接触这一领域的读者也能迅速建立起清晰的物理图像。特别值得称赞的是，作者并没有止步于基础理论的构建，而是将重点迅速转移到了“级联结构”这一关键创新点上。这种级联的思维方式，极大地扩展了传感器的灵敏度和多参数测量能力，书中对不同级联拓扑结构（如串联、并联以及混合结构）的性能差异对比分析，逻辑严密，数据详实，为后续的研究人员在设计高精度传感器阵列时提供了极具价值的参考蓝本。整体来看，这本书不仅是技术手册，更像是一部激发创新思维的灵感源泉。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图示质量值得特别提及。在处理复杂的物理现象时，清晰的视觉辅助至关重要，而本书在这方面做得堪称典范。大量的示意图不仅标注清晰，而且色彩运用得当，能够精准地突显出不同参数变化对耦合模式的影响。尤其是那些关于光栅“阶跃响应”和“传输谱”的仿真与实测对比图，直观地展示了级联结构如何通过多个共振峰的叠加和干涉，实现超窄带或高分辨率的滤波特性。对于我这种依赖视觉信息进行理解的读者来说，这些图表极大地缩短了知识吸收的曲线。此外，书中对不同制作方法的优缺点分析，采用了对比表格的形式，简洁明了，避免了冗长的文字描述。这种对信息呈现效率的重视，体现了作者对读者时间的尊重，使得学习和查阅过程变得高效且愉悦。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，这本书的深度对于入门级读者可能存在一定的挑战性，但这恰恰是其价值所在——它是一本面向未来研究者的参考书。作者在探讨长周期光纤光栅的非线性行为时，触及了光纤材料在强光注入下可能出现的载流子吸收和光致吸收效应，这些是传统线性模型难以解释的物理现象。书中关于如何利用这些非线性效应来设计具有自适应或饱和特性的传感器，虽然篇幅不长，但其概念的前瞻性令人振奋。它提示我们，光栅传感器的发展方向不仅仅是提高灵敏度，更在于拓宽其工作区间和稳定性。全书的行文风格从开篇的严谨学术探讨，到中后段对未来潜在技术瓶颈的讨论，始终保持着一种高度的专业性和批判性思维，非常适合那些希望在光纤传感领域做出原创性贡献的研究人员作为深度参考和灵感激发之用。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的实际应用案例部分印象尤为深刻，它真正体现了“学以致用”的价值。许多理论书籍往往停留在“如何工作”的层面，但这本书却非常务实地探讨了“如何在真实环境中稳定工作”。例如，在环境监测模块中，作者详细描述了如何通过优化光栅的制作工艺——如使用特殊的涂层材料或改进的拉制作参数——来抵抗温度漂移和机械应力敏感性，这是传感器设计中公认的“拦路虎”。书中对于传感特性测试的标准流程和数据后处理技术，如滤波算法的应用，给出了极其详尽的操作指南，几乎可以作为一份高质量的实验SOP（标准操作程序）来参考。我尤其欣赏作者对“不确定度分析”的严谨态度，这表明作者在追求高灵敏度的同时，并未牺牲测量结果的可靠性。这种对工程细节的关注，使得这本书的实用价值远远超过了一般的学术专著，更像是一位经验丰富的大师在毫无保留地传授“看家本领”。