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图书基本信息

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书名：全分布式光纤传感技术
ISBN：9787030363817
著者：张旭苹
出版社：科学出版社
POD版定价：89元
正文语言：中文
装帧：平装
开本：16
页数：324
字数：400000

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目录

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前言
第1章 光纤传感技术
1.1 光纤传感技术概述
1.1.1 光纤传感技术原理与特点
1.1.2 光纤传感技术的分类
1.2 国内外光纤传感技术的发展历史和现状
1.2.1 国际光纤传感技术的发展历史和现状
1.2.2 我国光纤传感技术的发展历史和现状
1.3 全分布式光纤传感技术
l.3.1 全分布式光纤传感技术的特点
1.3.2 全分布式光纤传感技术的主要参数
1.3.3 全分布式光纤传感技术的应用
1.3.4 全分布式光纤传感技术的发展方向
参考文献
第2章 光纤中的光散射
2.1 光纤中的自发散射谱
2.2 宏观麦克斯韦方程组
2.3 电荷对电磁场的响应
2.4 瑞利散射
2.5 自发拉曼散射
2.6 自发布里渊散射
2.7 受激布里渊散射
2.8 总结
参考文献
第3章 基于瑞利散射的全分布式光纤传感技术
3.1 基于瑞利散射的光纤传感技术原理
3.2 光时域反射(OTDR)技术
3.2.1 OTDR原理
3.2.2 OTDR系统
3.2.3 OTDR的性能指标
3.2.4 OTDR的应用
3.3 相干光时域反射(COTDR)技术
3.3.1 COTDR原理
3.3.2 COTDR系统
3.3.3 超长距离COTDR系统中的非线性效应
3.3.4 COTDR的关键技术
3.3.5 COTDR的应用
3.4 偏振光时域反射(POTDR)技术
3.4.1 单模光纤中的偏振态
3.4.2 POTDR传感技术
3.4.3 POTDR的应用
3.5 光频域反射(OFDR)技术
3.5.1 OFDR原理
3.5.2 OFDR系统
3.5.3 OFDR的应用
参考文献
第4章 基于拉曼散射的全分布式光纤传感技术
4.1 基于拉曼散射的光纤传感技术原理
4.1.1 自发拉曼散射效应
4.1.2 基于拉曼散射的光纤温度传感器原理
4.2 拉曼光时域反射(ROTDR)技术
4.2.1 ROTDR原理
4.2.2 光纤拉曼传感解调原理与技术
4.2.3 光纤拉曼温度传感器的结构、参数与优化设计
4.2.4 光纤拉曼温度传感器的研究现状和发展趋势
4.2.5 拉曼相关双光源自校正光纤拉曼温度传感器
4.2.6 脉冲编码光源光纤拉曼温度传感器
4.2.7 基于非线性散射效应融合原理的光纤传感器
4.2.8 拉曼散射传感信号的采集和处理技术
4.3 拉曼光频域反射(ROFDR)技术
4.3.1 ROFDR原理
4.3.2 ROFDR的空间分辨率和传感距离
4.3.3 ROTDR和ROFDR的对比
4.3.4 ROFDR的研究现状
4.4 全分布式光纤拉曼温度传感器的应用
4.4.1 在智能电网中的应用
4.4.2 在地铁中的应用
4.4.3 在油井和石油管道监测中的应用
4.5 总结
参考文献
第5章 基于布里渊散射的全分布式光纤传感技术
5.1 研究概况
5.2 技术原理
5.2.1 光纤中的布里渊散射
5.2.2 基于布里渊散射的传感机制
5.3 布里渊光时域反射(BOTDR)技术
5.3.1 BOTDR原理
5.3.2 直接探测型BOTDR
5.3.3 相干探测型BOTDR
5.3.4 BOTDR中的交叉敏感问题
5.3.5 BOTDR系统性能改善方案
5.4 布里渊光时域分析(BOTDA)技术
5.4.1 BOTDA原理
5.4.2 基于差分脉冲对的BOTDA
5.4.3 基于序列脉冲光的B0TDA
5.4.4 其他一些B0TDA
5.5 布里渊光频域分析(BOFDA)技术
5.6 布里渊光栅的产生及传感应用
5.6.1 布里渊光栅的特性
5.6.2 布里渊光栅的产生和读取
5.6.3 基于布里渊光栅的温度和应变传感器
5.7 布里渊光纤传感技术的应用
5.7.1 在结构健康监测中的应用
5.7.2 在通信领域中的应用
5.7.3 在智能电网中的应用
参考文献

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光纤传感的无限可能：洞悉微观世界，掌控宏观局面 在科技飞速发展的今天，我们对世界的认知和掌控能力正以前所未有的速度深化。从宇宙的宏大尺度到物质的微观结构，人类的探索从未止步。而在众多前沿技术中，光纤传感以其独特的优势，正逐渐成为连接物理世界与数字信息之间的桥梁，为我们揭示那些肉眼不可见、传统传感器难以触及的奥秘。 本书并非详述某一特定领域的应用，而是旨在为你展开一幅光纤传感技术的宏伟画卷，揭示其背后的科学原理、多样的实现途径以及它们如何共同构建起一个更加智能、高效、安全的感知体系。我们并非聚焦于“按需印刷”这一商业模式，也不是深入探讨“分布式”的概念本身，而是深入剖析那些让光纤能够“感知”的精妙设计和物理规律。 第一章：光之脉搏——光纤传感的基本原理 本章将带你走进光纤传感的“心脏”，探究光波在其中是如何传递信息，又如何被外界的物理量所“调制”。我们将从最基础的光的性质入手，包括光的传播、反射、折射和干涉等现象，并以此为基础，解释光纤传感的核心机制。 光纤作为传感载体的优势： 我们会详细阐述为什么光纤能够成为如此理想的传感介质。其在电磁干扰下的稳定性、绝缘性、轻质化、耐腐蚀性以及可塑性等优点，将为你描绘出一个“无所不能”的传感骨架。 物理量与光信号的转化： 这一部分是本章的重中之重。我们将深入解析，当温度、压力、应变、位移、振动，甚至化学物质等物理量发生变化时，是如何通过各种物理效应影响光在光纤中的传播。这包括： 光纤折射率的变化： 温度和应变是影响光纤折射率最直接的因素。我们将阐述焦耳效应（Joule effect）、压电光效应（photoelastic effect）等在微观层面上的表现，以及它们如何改变光信号的幅度和相位。 光纤长度或模式的变化： 某些传感器会利用光纤长度的微小变化，或者通过激励光纤产生特定的模式（如布里渊散射、拉曼散射），来探测外界的刺激。 表面等离激元共振（SPR）等近场效应： 对于一些基于光纤的化学和生物传感器，我们将介绍如何在光纤表面诱导SPR等现象，实现对特定分子的灵敏检测。 传感机制的分类： 我们将根据不同的传感原理，将各种光纤传感技术进行初步的分类，例如基于散射的、基于干涉的、基于损耗变化的等等，为你构建一个清晰的传感技术框架。 第二章：光纤的“触角”——多种光纤传感器的实现方式 在本章中，我们将走出理论的殿堂，走进各种巧妙的光纤传感器设计。这里没有“按需印刷”的模式，也没有“分布式”的笼统概念，而是关注那些具体的光纤器件和技术，它们如何将光纤的感知能力转化为现实。 基于光的散射原理的传感器： 布里渊散射（Brillouin Scattering）： 重点解析布里渊散射如何通过测量光纤内部声波的频率移动来精确感知温度和应变。我们将探讨其高空间分辨率的潜力，以及在结构健康监测中的应用前景。 拉曼散射（Raman Scattering）： 阐述拉曼散射如何提供更丰富的光谱信息，用于识别材料成分和检测特定物质，例如环境监测中的污染物检测。 基于光纤光栅（Fiber Grating）的传感器： 长周期光栅（Long Period Grating, LPG）： 介绍LPG如何通过耦合不同模式的光来实现对周围环境折射率的变化敏感，常用于折射率传感。 倾斜光栅（Tilted Fiber Grating, TFG）： 探讨TFGs如何用于更宽范围的应变和温度测量，以及其在多参数传感中的潜在价值。 相移光栅（Phase-Shifted Fiber Grating）： 详解相移光栅如何显著提高传感器的灵敏度和分辨率，特别是在精密测量领域。 基于干涉原理的传感器： 马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer, MZI）： 解释MZI如何利用分光和合光原理，将光纤中的微小变化转化为干涉条纹的变化，实现高灵敏度测量。 法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot Interferometer, FPI）： 剖析FPI如何通过多光束干涉，实现对压力、温度等参数的精确测量，尤其是在恶劣环境下。 其他创新型光纤传感器： 光纤光子晶体（Photonic Crystal Fiber, PCF）： 介绍PCF独特的结构如何赋予光纤全新的光学特性，以及其在新型传感器设计中的应用，例如用于气体传感或生物传感。 表面等离激元光纤传感器： 聚焦于如何在光纤表面构建SPR等结构，实现对微量物质的超灵敏检测。 第三章：光纤的“神经末梢”——光纤传感技术的应用场景 光纤传感的魅力在于其广泛的应用前景，能够为各个领域带来革命性的提升。本章将聚焦于光纤传感在不同场景下的具体实践，展现其强大的感知能力如何转化为实际的价值。 结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）： 桥梁、隧道、大坝等基础设施： 详细介绍光纤传感器如何埋设在结构内部，实时监测应力、应变、温度和裂纹扩展，提前预警潜在风险，保障公共安全。 飞机、火车、船舶等交通工具： 探讨光纤传感在提高交通工具安全性方面的作用，例如监测机翼的弯曲、车厢的振动以及船体的应力分布。 工业过程监测与控制： 石油化工： 在高温、高压、腐蚀性环境中，光纤传感器如何实现对温度、压力、液位等参数的精确测量，保障生产安全和效率。 电力系统： 实时监测输电线路的温度、电缆的应力，以及变压器的运行状态，防止过载和故障。 制造业： 在精密加工过程中，利用光纤传感器监测刀具的磨损、工件的变形，提高产品质量。 环境监测与地球物理探测： 土壤湿度与温度监测： 助力精准农业，优化灌溉策略。 地震监测与地质勘探： 探测地下的微小位移和振动，提高地震预报的准确性。 水体污染监测： 利用光纤传感器实时检测水中的污染物，守护生态环境。 空气质量监测： 识别空气中的有害气体，为环境保护提供数据支持。 医疗健康领域的创新应用： 微创手术器械： 搭载微型光纤传感器，提高手术的精准度和安全性。 生物传感器： 检测血液、体液中的特定生物标记物，实现疾病的早期诊断。 可穿戴设备： 作为非侵入式生理信号监测的载体，例如心率、呼吸频率等。 航空航天领域的特殊需求： 高空环境监测： 在极端温度和压力下，光纤传感器能够稳定工作，监测飞行器的关键参数。 空间站和卫星的健康监测： 确保航天器的长期运行安全。 第四章：光纤传感的未来展望 在本章中，我们将跳出具体的器件和应用，放眼光纤传感技术的未来发展趋势。我们将探讨哪些技术瓶颈亟待突破，哪些新兴领域将为光纤传感带来新的机遇。 智能化与网络化： 探讨如何将光纤传感与物联网、人工智能相结合，实现数据的智能分析、自主诊断和预测性维护。 多功能与集成化： 追求单一光纤传感器同时测量多种参数的能力，以及将不同传感功能集成到同一根光纤上的可能性。 微型化与柔性化： 致力于开发更小巧、更灵活的光纤传感器，以适应更广泛的应用场景，特别是与生物体、柔性电子设备等结合。 新材料与新工艺： 探索新型光纤材料（如量子点掺杂光纤、二维材料涂覆光纤）以及先进制造工艺，进一步提升传感器的性能和功能。 传感网络的复杂化与智能化管理： 随着传感器数量的指数级增长，如何构建高效、可靠、易于管理的传感网络将是未来的重要课题。 本书旨在为你提供一个全面而深入的光纤传感技术视角，让你理解这项技术是如何通过精妙的设计和物理原理，为我们打开感知世界的新维度。我们希望通过严谨的论述和丰富的案例，让你领略光纤传感技术的强大潜力和无限可能，激发你在相关领域的思考与探索。