光纤传感技术论文第1篇

关键词：光纤传感；军队人才培养；课程建设与改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）09-0065-04

一、引言

光纤传感技术是一门基础理论与工程应用紧密结合、理论与实践能力并重的系统学科，既要求学员有扎实的光学、电学基础，又要求学员能够摆脱课本的束缚、根据实际工程应用灵活运用已学到的知识。为适应这一形势，2006年以来，我们针对技术类本科生、军事指挥类本科生、硕士研究生和博士研究生的不同特点和未来适应部队工作的不同要求，建立了光纤传感技术系列课程。

作为一门应用学科，“学以致用”是光纤传感技术系列课程的特色之一。为此，课程建设非常注重学员对课程知识的实践应用能力培养，在教学实践中，结合课程特点和授课对象的学习特点，大力推进教学方法与手段的研究改革，在多层次一体化课程体系建设、教学方法与手段改革、创新人才培养、教师队伍建设等方面取得了较大成绩，下面分别进行介绍。

二、光纤传感技术多层次一体化课程建设

我校早在上世纪90年代就开设了《光纤传感技术》课程，并作为光纤传感专业研究生的必修专业基础课，为培养光纤传感技术人才起到了不可替代的作用。然而随着光纤传感技术在现代化信息战争中的应用越来越广泛，部队对光纤传感专业的人才数量和质量要求越来越高。我校原有的只针对研究生展开的《光纤传感技术》课程已经远远不能适应培养部队所需人才的紧迫要求。从2004年开始我院开始酝酿对光纤传感技术课程进行深入改革，将授课对象拓展到全校本科生和本院研究生，并从2006年开始实行。经过6年多的系统建设，最终建立起了完备的多层次光纤传感系列课程。

由于本科生和研究生、本专业和非本专业学员、技术类和军事指挥类学员的知识基础和应用方向差异太大，如何科学划分课程层次、清晰明确课程内容、准确定位课程目标是光纤传感系列课程建设的重点和难点。

在广泛调研军队需求、不同类别学员的知识积累和兴趣及国内外学校同专业的课程设置基础上，我们建立起了分别面向本科生和研究生、技术类和军事指挥类、本院专业和全校学员的光纤传感系列课程。新增了技术类《光纤传感技术》、军事指挥类《光纤传感技术》，面向全校本科生专题研讨课《基于虚拟仪器的光纤传感技术》三门课程，原有针对研究生的《光纤传感技术》则改为《光纤传感系统》[1，2]。

（一）建立起针对本院技术类本科生的《光纤传感技术》课程内容体系，以“扎实广泛的技术基础为核心，典型的系统应用为亮点”

考虑到授课学员在学习本课程之前已经在《光纤通信》、《光电检测技术》等课程中对光纤和光纤器件等有初步了解，在本课程中首先介绍光纤传感技术的概念和内涵，然后针对光纤传感系统的特点，介绍光纤、光纤器件、光纤传感原理和光纤传感信号解调原理。这四部分内容涵盖了强度型、偏振型、波长型、相位型和分布式光纤传感的系统构成、传感原理和关键技术，为光纤传感基础知识，具有信息量大、知识点多、覆盖范围广泛的特点；最后以2-3种典型的光纤传感系统为例，向学员示范在系统中如何对基础知识进行灵活应用，启发学员根据学到的基础知识来分析理解新型光纤传感系统。

（二）研究生的《光纤传感系统》课程以“系统应用技术为核心，系统设计为亮点”

与原有的研究生《光纤传感技术》相比，新的课程内容和标准进行了大幅度的改革，突出“系统应用”，大幅度削减了光纤传感基础知识，而是以四大类典型光纤传感系统为授课重点。课程中的四大类典型光纤传感系统选取了目前应用最为广泛或技术难度较高的光纤水听器系统、光纤陀螺系统、分布式光纤传感系统和光纤光栅传感系统，针对每一类对其应用背景、系统组成、系统指标和关键技术进行详细分析，构建课本知识到实际工程应用的技术桥梁。在讲解完每一类典型光纤传感系统后，特别设计了光纤传感系统设计环节，要求学员以分组的形式，根据特定应用背景设计出光纤传感系统，阐明系统特色和关键技术。

课程调整所面临的最大难题在于：学习本课程的研究生既包括本校本专业的学员，也包括来自于外院和外校的本科非光信息专业的学员。对于前者，通过本科生阶段的《光纤传感技术》学习已经具备了良好的基础，在新课程学习中应尽量避免内容重复；对于后者，直接学习典型光纤传感系统中的关键技术存在一定难度，需要对光纤传感基础知识进行介绍。为此，在研究生的《光纤传感系统》课程中，首先设定了3个课时对光纤传感基础知识进行回顾和总结，并点明各部分基础知识所涉及的参考书。同时由于使用了与本科生《光纤传感技术》课程同一系列的教材，为解决学员基础参差不齐的难题提供了有效的解决办法，而面向全校的《基于虚拟仪器的光纤传感技术》则为毕业于本校其他专业的研究生学员提供了学习本课程的基础。

（三）军事指挥类本科生的《光纤传感技术》课程以“完善学员知识结构为重点，突出军事应用特色为亮点”，为学员提供装备相关知识基础

课程针对军事指挥类本科学员培训的主要目标，将军事指挥类本科生《光纤传感技术》课程的主要任务确定为拓展军事指挥类学员的知识面，完善知识结构，了解最新军用传感器技术，一方面可以充分发挥我军现有装备的作战效能，另一方面可以掌握外军作战手段，有效克敌制胜。课程简化了基础知识部分内容，扩充了典型光纤传感部分，特别是注重光纤水听器、光纤陀螺和分布式光纤传感器在军事中的应用，并拓展光纤水听器在声纳系统应用中的相关知识，让学员在进行工作岗位后可以更快的掌握相关装备的使用和维护。

（四）面向研究生的《虚拟光纤传感技术》以“引导学员自主学习为核心，激发学员独立思考为亮点”

课程以光纤传感技术中相干检测技术为背景，以虚拟仪器技术为手段，通过一个具体实例为研讨对象，让学员一边学习新知识，一边动手做实验，一边学会自主学习。课程首先在学员高中已经具备的光学知识基础上讲解干涉型光纤传感的基本内容，然后引导学员自习LabVIEW虚拟仪器语言，通过研讨学习心得让学员掌握LabVIEW基本知识，最后要求学员利用所学知识和工具完成光纤传感中一个典型信号处理问题。整个课程以学员自己动手动脑为主，精选了一门易学好用的虚拟仪器语言LabVIEW，使学员可以在四到五次课的时间内学会，并结合光纤传感技术系列课程的建设成果，让学员可以在课程上针对典型的干涉型光纤传感系统进行信号处理实验，一方面提升了学员的学习的积极性，另一方面加强了学员的自信心，并为学员以后的创新实践奠定了基础。

三、教学方法与手段改革

在教学过程中，在教学方法和教学手段上也进行了一系列的改革，使用了大量的新技术、新手段、和新的教学方式。主要体现在以下几个方面：

（一）充分运用科研成果和虚拟仪器技术的特点，增加了大量的课堂演示实验环节

在光纤传感技术系列课程中引入堂演示实验，对于加深学员对知识的理解效果最为明显。在课程建设中，充分利用所在实验室在光纤传感技术研究上的优势，在每门课程讲授中都加入了1～2个课堂演示实验。

与专门的实验课不同，课堂演示实验的侧重点在实验效果上，通常都是完整的光纤系统，包括光源、光传输链路、光接收模块、显示模块等等，并注重演示效果。以往的光纤系统虽然功能性明显，但结构复杂。近年来，课题组所在的实验室在光纤传感系统的工程可靠性研究上投入了大量精力，一些便携式高可靠性的光纤传感集成模块在科研项目中得到广泛应用；这些科研成果的突破使得在课堂上演示一些复杂的光纤传感系统实验成为可能[5]。另一方面，由于虚拟仪器技术在光纤传感技术中的广泛应用，复杂的信号解调可以通过电脑直观的显示在课堂多媒体系统中，“所见即所得”的方式使得课堂演示实验的效果非常直观和可信。以研究生的《光纤传感系统》课程为例，我们选取了光纤光栅应变系统作为课堂演示实验内容。在硬件上，这套系统的光收发模块为集成化的便携式光纤光栅解调仪，采用法兰盘对接可串接起多个光纤传感阵列；而复杂的信号解调系统则全部通过虚拟仪器技术在电脑上软件实现，解调结果直接显示在电脑程序界面中。通过这套系统，我们完整地演示了光纤传感器设计、光纤传输链路构成、复用光纤传感网络、和光纤传感信号解调等多项知识内容，学员普遍反映通过这一演示实验对光纤传感系统有了清晰深刻的了解。

（二）借鉴国外大学相关专业的教学模式，在考核中引入小型综合设计环节，充分考察学员的综合素质

课题组的两位教员具有国外留学的经历，在课程建设中充分参考国外大学在光纤传感技术课程的教学方法，在作业环节引入小型光纤传感综合设计内容，并将其作为课程考核评价标准的一部分，实现对学员综合素质的培养和考核评价。

光纤传感综合设计参考了香港理工大学和英国南安普顿大学的教学经验，以对知识的综合运用为主要考察目标。本科生光纤传感技术采用适当的综合设计题目难度，重视对知识融会贯通和综合应用能力的考察，一般在授课过程中只进行1次；研究生除了要求基础知识综合应用能力，更注重对实际工程应用系统的完整性和前沿问题的拓展性考察[6]，一般则开设2～3次。综合设计作业由学员分组完成，小组内成员根据资料调研、方案设计、报告撰写等工作内容的不同进行明确分工，并推选一位组员参加课堂专门设置答辩环节。

（三）针对授课内容的层次划分和授课对象的学习特点，科学合理设置研讨专题

研讨式教学我校近年来大力推广的教学方式之一。由于光纤传感技术具有经典与前沿相结合、理论与工程应用相结合的特点，在系列课程建设中，课题组在原有研究生《光纤传感技术》的研讨式专题内容基础上，进行了深入的思考和大胆的拓展，将课程中的研讨专题划分为三大类：经典理论知识的研讨、前沿研究的研讨和学位论文研究方法的研讨。

经典理论知识的研讨要求学员在授课之前对相关内容进行预习，并在课堂上对全体学员讲解自己对该问题的理解。如在进行“光纤干涉仪传感系统”的授课时，要求学员预习时弄明白两个问题：什么是随机相位衰落？什么是偏振诱导信号衰落？进行研讨时不要求学员对这两个问题进行深入剖析，但要求学员用精炼的语言阐明问题的物理含义。学员普遍认为这种研讨专题不是特别复杂，通过预习教材即可，但大部分学员会准备PPT课件，且自愿上讲台讲述的学员一般在以往的学习过程中接触过与该专题相关的研究工作，因此在其课件上还会加入自己以往的工作、自己对该问题的扩展认知及自己尚未弄明白的问题等。这种教学效果是在深入了解学员的知识积累基础上，通过巧妙设置研讨专题取得的。

前沿研究的研讨要求学员进行大量的资料查阅，特别是光纤传感前沿研究课题的查阅。对于某一个问题，由于课堂讲授的时间受限或者教材中没有系统的描述，对该问题的课堂讲授可能不够全面，在这种情况下，教师会提供相关信息，要求学员查阅该文献并进行精读，然后在课堂上进行研讨。这种研讨专题分为两种：一种是教师提供明确的检索信息，由学员查阅到该文献后精度文献，分析文献的精华及不足；另一种则是教师提供所要解决的问题，由学员对该问题进行解读，提炼关键检索信息，进行检索后，对检索文献进行初步分析，总结该问题的研究现状。学员反映这种研讨专题的难度稍大于第一种，但一般稍花时间都能解决。

学位论文研究方法的研讨目的在于：无论是本科生还是研究生，在学习完相应的光纤传感技术课程后马上就要投入到学位论文工作中。通过对这类问题的研讨，学员逐渐掌握了在未来从事学位论文研究中必须具备的研究方法，这类的研讨主要培养学员的仿真计算能力和光纤传感系统的设计能力。例如在讲授完光纤光栅的基本理论之后，学员反映耦合模理论的公式很繁琐，难以一眼看出其中的物理特性，为此，我们安排了相关理论的仿真计算研讨，要求学员根据课堂讲授的公式进行理论仿真，计算光纤光栅反射光谱，并绘制带宽、反射率等关键参数随着光栅参数的变化曲线。学员在课堂研讨时要讲述自己的关键参数设置和仿真结果。通过这种研讨方式，学员对光纤光栅的反射谱特性建立了深入的了解，效果远远好于课堂直接讲授相关结论。

根据光纤传感课程层次划分，不同的光纤传感技术课程对三种研讨专题的应用程度也不相同，本科生的光纤传感技术课程以经典理论知识的研讨为主，并设置1～2次前沿研究的研讨；研究生的光纤传感技术课程则以前沿研究的研讨专题和学位论文研究方法的研讨专题为主，对特别重要的概念设置少量经典理论知识的研讨专题。

四、以光纤传感技术课程为支撑的创新型人才培养

光纤传感技术的应用范围极广，一套实用的光纤传感系统可以很庞大很复杂，也可以很小巧灵活。针对这一特点，课题组教师在学院本科生和研究生的各项教学活动中，积极开展与光纤传感技术相关的各项活动。

针对本科生的光纤传感技术系列课程，在授课结束后，在光电设计大赛、毕业设计等教学活动中开设了大量关于光纤传感技术应用的课题，引起学员浓厚的兴趣和广泛的参与热情。一方面，参与光纤传感技术相关的本科毕业设计学员数量大幅度提高。以技术类本科毕业设计为例，2013、2014年参与光纤传感技术相关课题的学生均达到光信息专业学员总数的50%以上。另一方面，学员完成课题的质量也得到大幅度提升，近年来有8名本科生获得学校创新资助，从侧面反映出光纤传感技术课程教学效果的日渐提高。这些竞赛成果也作为评价授课效果的标准之一，并将学员在课外延拓活动中的效果和意见及时反馈到教学过程中[3，4]。

针对研究生的光纤传感技术系列课程，一方面鼓励学员在课程学习的基础上努力拓展研究深度，在光纤传感研究领域不断创新。在课题组所在实验室所培养的研究生中，有3名研究生获得学校创新资助，1名研究生获得湖南省创新资助，其课题都是光纤传感领域的研究重点和难点。此外还有5项研究生参与申请的光纤传感技术相关专利；另一方面，鼓励学员积极参与到与光纤传感技术相关的科研项目中，在实际工程环境中对课程知识进行融会贯通。目前在光纤信息专业的毕业研究生中，参加过光纤传感相关的湖上或海上试验的学员达到95%以上，为其真正走向工作岗位后充分适应部队对光纤传感技术人才的需要积累了宝贵的经验。

五、高素质教师队伍建设

作为教育的重要媒介，教师是活动中的主要因素。教员整体素质的高低，直接影响着教学质量的高低。因此，建立一支教学水平高、结构合理的高素质师资队伍显得尤为重要。

（一）从教学和科研两个方面锤炼教师队伍，使教师的教学水平和科研能力相互促进共同提高

科学研究是教师工作的重要组成部分，是提高教学水平的重要手段，也是提高自身素质的重要途径。对于光纤传感技术系列课程而言，学即能致用是其重要特点之一，教学和科研的相互促进作用尤为明显。课题组全部教员均参加了多个重大科研项目。通过重大科研项目的历练，教员的学术水平得到很大的提高，一方面教员接触了学术前沿，开拓了学术视野，经历了科研实践，在课堂教学中自然会将科研最新成果、专业发展动向带进课堂，另一方面，教员在参与重大科研项目时对光纤传感的技术内容有了更加深刻的认知，对于在课堂上清楚明白的讲好各个知识点至关重要。同时，通过教学活动中对课程内容的反复推敲及与学员之间展开的研讨交流，可以加深教员对技术环节的领悟，甚至激发教员的灵感。通过在科研和教学两个方面同时锤炼，促进教师知识更新和自身进步，提高教师的创新能力和教学质量，将真正做到科研教学一体化。

（二）鼓励教员进行对外交流，充分借鉴国内外同类专业课程的教学经验

课题组有两名教员具有国（境）外留学经历，其他教员也多次参加国内外的学术活动和教学活动交流，在课程建设过程中充分利用了这一优势。在教员已经带回的国外大学教学经验的基础上，鼓励教员在回到学校后仍然定期与留学单位交流，及时获取留学单位最新的课程设置和教学安排信息，并通过交流，不断补充自身的不足，更新课程内容，丰富教学手段，提高自身教学水平。在对外学术活动交流中，有意识的了解其他院校同类专业课程的教学情况，对于感兴趣的单位积极主动与对方联系进行实际考察。活跃的对外交流活动极大地激发了教师的教学热情，并不断提高其教学水平。

（三）加强青年教师的教学技能培训

目前，课题组教员是一支相对年轻化的队伍，很多才刚刚博士毕业，青年教师充满热情，思想活跃，比较了解学员的思想，与学员进行交流方面具有优势。但是，他们大多没有经过系统的教学技能训练，普遍缺乏教学经验。为了使青年教师尽快掌握教学技能，提高业务能力与水平，课题组指定认真负责、教学经验丰富的老教师担当青年教师的导师，对青年教师实行“一对一”的“传、帮、带”指导，指导青年教师备课、编写教案；采取措施督促教员投入足够的精力。教员上岗前，必须经过教研室、系所、学院三级试讲，每次授课必须重新编写教案、编写课件、编制教学日历；在教学过程中，教学指导委员会、督导组、院系领导经常性听查课，督促教学水平的提高。

通过从科研和教学两方面锤炼教学队伍，课题组教员自身水平得到了大大提高，多次在全军和全校获得教学优秀奖，其中获军队院校育才奖1人次，优秀研究生导师奖3次，校本科“研究型”教学比赛三等奖1人次，校研究生教学优秀三等奖1人次，教员在国内教学期刊上发表高水平教学论文10篇，课题组已经成为了一支能独立承担授课任务的高水平教师队伍。

参考文献：

[1]孟洲，胡永明，姚琼，宋章启.《光纤传感技术》研究生课程改革探讨[J].中北大学学报（社会科学版），2007，23（2）：98-100.

[2]孟洲，姚琼，曹春燕，梁迅，张学亮.光纤信息技术本硕博系列课程体系研究与实践探索[J].高等教育研究学报，2012，35（1）：50-53.

[3]周建华，邱琪，周晓军，光纤通信实验教学改革探讨[J].电子科技大学学报社科版，2003，5（2）：89-91.

[4]胡昌奎，杨应平，黎敏，刘辛，易迎彦，光电信息类专业光纤系列课程教学内容与课程体系的改革[J].高等理科教育，2008，（2）：16-18.

光纤传感技术论文第2篇

参考文献

[1]梁瑞冰，孙琪真，沃江海，刘德明.微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究[J].物理学报.2011（10）

[2]钱银博.基于SOA的长距离无源光网络理论与实验研究[D].华中科技大学2010

[3]赵攀，隋成华，叶必卿.微纳光纤构建M-Z干涉光路进行液体折射率变化测量[J].浙江工业大学学报.2009（03）

[4]李宇航，童利民.微纳光纤马赫-泽德干涉仪[J].激光与光电子学进展.2009（02）

[5]刘盛春.基于拍频解调技术的光纤激光传感技术研究[D].南京大学2011

[6]高学强，杨日杰.潜艇辐射噪声声源级经验公式修正[J].声学与电子工程.2007（03）

[7]胡家艳，江山.光纤光栅传感器的应力补偿及温度增敏封装[J].光电子·激光.2006（03）

[8]牛嗣亮.光纤法布里-珀罗水听器技术研究[D].国防科学技术大学2011

[9]曹锋.新一代周界防入侵软件系统研究及其应用[D].华中科技大学2010

[10]唐天国，朱以文，蔡德所，刘浩吾，蔡元奇.光纤岩层滑动传感监测原理及试验研究[J].岩石力学与工程学报.2006（02）

[11]詹亚歌，蔡海文，耿建新，瞿荣辉，向世清，王向朝.铝槽封装光纤光栅传感器的增敏特性研究[J].光子学报.2004（08）

[12]孙运强.激光内通道传输的气体热效应研究[D].国防科学技术大学2011

[13]刘浩吾，吴永红，丁睿，文利.光纤应变传感检测的非线性有限元分析和试验[J].光电子·激光.2003（05）

[14]邓磊.OFDM技术在无源光网络及光无线系统中的应用与研究[D].华中科技大学2012

[15]胡家雄，伏同先.21世纪常规潜艇声隐身技术发展动态[J].舰船科学技术.2001（04）

[16]ZuyuanHe，QingwenLiu，TomochikaTokunaga.Ultrahighresolutionfiber-opticquasi-staticstrainsensorsforgeophysicalresearch[J].PhotonicSensors.2013（4）

[17]YiJiang，WenhuiDing.Recentdevelopmentsinfiberopticspectralwhite-lightinterferometry[J].PhotonicSensors.2011（1）

[18]AnSun，YuliyaSemenova，GeraldFarrell.Anovelhighlysensitiveopticalfibermicrophonebasedonsinglemode-multimode-singlemodestructure[J].Microw.Opt.Technol.Lett..2010（2）

参考文献

[1]孙运强.激光内通道传输的气体热效应研究[D].国防科学技术大学2011

[2]赵兴涛.掺镱、亚波长空芯及新型高非线性光子晶体光纤的研究[D].北京交通大学2015

[3]杨春勇.GMPLS智能光网络中波长路由器的研究[D].华中科技大学2005

[4]许荣荣.光纤环形腔光谱技术与传感应用的研究[D].华中科技大学2012

[5]张磊.基于光子晶体光纤非线性效应的超宽带可调谐光源[D].清华大学2014

[6]王超.基于高频等离子体法制备掺镱微结构光纤及其特性的研究[D].燕山大学2014

[7]林桢.新型大模场直径弯曲不敏感单模及少模光纤的研究[D].北京交通大学2014

[8]苏伟.新型光子准晶光纤及石英基光纤的微观机制研究[D].北京交通大学2015

[9]许艳.基于飞秒光频梳的绝对距离测量技术研究[D].华中科技大学2012

[10]钱新伟.PCVD单模光纤高速拉丝工艺与光纤性能研究[D].华中科技大学2009

[11]刘国华.高功率光纤激光器的理论研究[D].华中科技大学2007

[12]常宇光.光纤射频传输（ROF）接入系统及无线局域网应用研究[D].华中科技大学2009

[13]张雅婷.基于光子晶体光纤的表面等离子体传感技术研究[D].华中科技大学2013

[14]张小龙.同轴电缆接入网信道建模与故障诊断方法研究[D].华中科技大学2013

[15]张传浩.电信级以太无源光网络接入理论与实验研究[D].华中科技大学2009

[16]吴广生.无源光网络与电网络复合接入技术研究[D].华中科技大学2009

[17]江国舟.10Gbps以太无源光网络关键技术与应用研究[D].华中科技大学2009

[18]张利.以太无源光网络安全性与增强技术研究[D].华中科技大学2009

[19]冯亭.MOPA光纤激光系统放大级增益光纤特性与高质量种子源关键技术研究[D].北京交通大学2015

[20]张曙.EPON和WLAN融合网络架构下的上行链路调度算法研究[D].华中科技大学2009

[21]孙琪真.分布式光纤传感与信息处理技术的研究及应用[D].华中科技大学2008

[22]孙运强.Ⅰ钳式镍配合物的合成及性质反应研究Ⅱ有机氟化物的合成新方法研究[D].山东大学2014

参考文献

[1]刘钰旻.纳米功能材料在能量转换与储存器件中的应用[D].武汉大学2013

[2]曾谦.声表面波技术在微流控芯片中的集成及应用研究[D].武汉大学2011

[3]彭露，朱红伟，杨旻，国世上.微沟道内两相流速比对液滴形成的影响[J].传感技术学报.2010（09）

[4]郭志霄.微液滴和海藻酸凝胶颗粒在微流控芯片中的应用研究[D].武汉大学2011

[5]全祖赐.环境友好型多功能氧化物薄膜的微结构、光学、电学和磁学性能研究[D].武汉大学2010

[6]彭涛.功能电极材料在染料敏化太阳能电池中的应用[D].武汉大学2014

[7]黄妞.光阳极修饰和二氧化钛形貌调制在染料敏化太阳能电池中的应用[D].武汉大学2013

[8]国世上.电子辐照铁电共聚物P（VDF-TrFE）及超声传感器的研究[D].武汉大学2004

[9]韩宏伟.染料敏化二氧化钛纳米晶薄膜太阳电池研究[D].武汉大学2005

[10]何荣祥.纳米功能材料器件及其在流体和细胞检测中的应用研究[D].武汉大学2013

[11]周聪华.染料敏化太阳能电池中电极材料和寄生电阻的研究[D].武汉大学2009

[12]胡浩.碳材料对电极在染料敏化太阳能电池中的应用[D].武汉大学2011

[13]李伟平.铁电共聚物P（VDF-TrFE）的性能和换能器的模拟研究[D].武汉大学2004

[14]蓝才红，蒋炳炎，刘瑶，陈闻.聚合物微流控芯片键合微通道变形仿真研究[J].塑料工业.2009（05）

光纤传感技术论文第3篇

【论文摘要】：介绍了光纤传感器的基本构成及原理，综述了近年来光纤传感器技术的应用和发展，对光纤传感技术的研究发展方向进行了展望。

光纤传感器随着光纤通信技术的实用化有了迅速发展，且以体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优于传统传感器的特点，其应用范围深入至国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医学等。现如今光纤传感器已经能够对温度、压力、温度、振动、电流、电压、磁场等物理量进行测定，发展空间相当广阔。

1. 光纤传感器的基本构成和组成原理

光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3部分组成，光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区，在调治区内，外界被测参数作用于进入调区内的光信号，是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器而获得被测参数，光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成，纤芯和包层具有不同的折射率，树脂涂层对光纤起保护作用，光纤按材料组成分为玻璃光纤和塑料光纤；按光纤纤芯和包层折射率的分布可分为阶跃折射率型光纤和梯度折射率光纤两种。光纤能够约束引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播，具有感测和传输的双重功能，是一种非常重要的智能材料。

2. 光纤传感器的类型及特点

光纤传感器的类型很多，按光纤传感器中光纤的作用可分为传感型和传光型两种类型。

传感型光纤传感器又称为功能型光纤传感器，主要使用单模光纤，光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而发生变化的特点，使光波传导的属性(振幅、相位、频率、偏振)被调制。因此，这一类光纤传感器又分 为光强调制型，偏振态调制型和波长调制型等几种。对于传感型光纤传感器，由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。

传光型光纤传感器又称非功能型光纤传感器，它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在输出段进行光信号处理而进行测量的。在这类传感器中，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调治的敏感元件才能组成传感元件。

3. 光纤传感器的应用

光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用:

(1) 城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力从而来评估桥梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构性能。

(2) 在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普通光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度，定位精度可达米的量级，测温精度可达1度的水平，非常适用于大范围多点测温的应用场合。

(3) 在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物、CO等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重的是会引起安全事故。因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。

(4) 在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前，我国水源的污染情况严重，临床检验、食品安全检测手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。

(5) 医学及生物传感器。医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统;圆锥形微型FOS测量氧气浓度及其他生物参数;用FOS探测氢氧化物及其他化学污染物;光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器;生物适应FOS系统应用于海水监测、生化技术、医药。

光纤传感器在实践中运用到的例子举不胜举，这些技术都是多学科的综合，涵盖的知识面广，象光纤陀螺，火花塞光纤传感器，光纤传感复合材料，以及利用光纤传感器对植物叶绿素的研究等等；随着科技的不断进步，越来越多的光纤传感器将面世，它将被应用到生产生活的每一个角落。

4. 光纤传感器的技术发展方向

光纤传感技术经过20余年的发展也已获得长足的进步，出现了很多实用性的产品，然而实际的需要是各种各样的，光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要。目前，光纤传感器技术发展的主要方向是。

(1) 传感器的实用化研究。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能够对多种物理量进行同时测量。

(2) 提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器网络工程。注意分布式传感器的参数，即压力、温度，特别是化学参数(碳氢化合物、一些污染物、湿度、PH值等)对光纤的影响。

(3) 传感器用特殊光纤材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤的研究等。这些将是以后传感器进一步发展的趋势。

(4) 在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用。

(5) 新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器。

参考文献

[1] 肖军， 王颖. 光纤传感技术的研究现状与展望[J]. 机械管理开发， 2006，6.

[2] 吴洁， 薛玲玲. 光纤传感器的研究进展[J]. 激光杂志， 2007，5.

[3] 吴琼， 吴善波， 刘勇， 袁长迎. 新型光纤传感器的设计及其特性研究[J]. 仪表技术与传感器， 2007，11.

光纤传感技术论文第4篇

关键词：BOTDR；温度；变形；分布式传感；冶金设备

中图分类号：TM41 文献标识码：A

1 概述

光纤传感技术是上世纪八十年代伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术，该技术可通过时域技术（OTDR）和复用技术实现了分布式传感测试，为最具前途的分布式传感技术之一。它应用光纤几何上的一维特性，把被测参量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量，同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化的信息。分布式光纤传感技术中，光纤既是传感介质，又是信号传输通道，不需要任何传感探头，采用价格很低廉的普通通信光纤就可以作为传感光纤实现传感和信息采集；光纤具体积小、重量轻、几何形状适应性强，植入到监测体中不影响监测体强度；光纤采用光信号为信息媒介，具有信息通量大、传输距离远，抗电磁干扰，特别适合长距离远程监测；光纤传感材料为二氧化硅，具有电绝缘性好，化学稳定性好，特别适合在一些环境恶劣的场所中进行长期监测。

目前基于光纤传感的分布式调制解调技术有：准分布的布拉格光纤光栅解调技术（简称FBG），光时域反射计（简称OTDR）；拉曼散射光时域反射测量技术（简称ROTDR）；布里渊散射光时域反射测量技术（简称BOTDR）和布里渊光时域分析测量技术（简称BOTDA）等，其中准分布布拉格光纤光栅技术是开发最为成熟、应用最为广泛的光纤传感技术，基于布里渊散射技术的分布式传感系统是目前国际上的研发热点，是最具潜力的一种分布式传感技术。正因为分布式光纤传感技术具有众多的独特优势，自问世以来，很快从通信领域中通信光纤光损和断点的检测和监测中脱颖出来，开始在航天、国防、医学等领域得广泛应用。基于布里渊光时域反射技术（BOTDR）的光纤传感技术可实行对应变和温度的测量。具有分布式测量、测试距离长、可植入性强及操作简便等特点，具有传统的传感技术无可比拟的优势。在冶金企业中，有很多大型的设备需要进行变形和温度的监测，BOTDR光纤传感器的独特特点使得其在冶金产业应用中有先天的优势。

2 BOTDR传感原理

利用BOTDR光学解调设备获得光纤上各点的布里渊频移值就可以对光纤的应变和温度值进行测量。为了实现光纤应变与温度的分布式测量，要利用光时域反射技术对光纤传感数据进行空间方位的解析。光时域反射（OTDR）技术是实现分布式光纤传感的关键技术。脉冲光注入光纤后，光子与光纤中的粒子会发生弹性和非弹性碰撞，与脉冲光传播的相反方向就会出现背向散射光，通过测定该散射光的回波时间就可确定散射点的位置。

3 BOTDR技术在冶金设备监测中的应用

将BOTDR技术应用于冶金设备监测中要解决以下问题：

a.传感光纤的选择：对于应变传感和温度传感，要选择相应的传感光纤，应变传感光纤要考虑其长期疲劳效应，温度传感光纤要有良好的长期稳定性。

b.传感光纤的布设方式：应变传感光纤的布设要保证其与被监测设备变形协调，温度传感光纤要确保光纤不受外界变形的干扰。

c.应变监测的温度补偿：由于BOTDR传感技术对温度和应变双重敏感，对于应变测量，要消除温度对应变测量的干扰。

d.监测系统的开发：利用GIS，数据挖掘，小波分析，数值模拟，无线数据传输等技术开发集数据测试、分析处理及预报预警于一体的分布式远程监测系统。

结语

大型冶金设备的分布式实时监控是国际及国内的一大发展趋势，也是一项需要不断攻关的高新技术课题。本文介绍了BOTDR传感技术的基本原理，分析了其在冶金设备监测中的可行性，并提出了以后要解决的问题。BOTDR技术不断发展成熟，其应用前景十分广阔。

参考文献

[1]Ohno H Naruse H Kihara M et al. Industrial applications of theBOTDR optical fiber strain sensor[J]. Optical Fiber Technology 2001 7（1） 45 64

[2]ANDO Electric CO.， LTD. （2001）. “AQ8603 optical fiber strain analyzer instruction manual.”

光纤传感技术论文第5篇

关键词：光纤传感技术；结构健康监测；BOTDR；FBG

引言

随着我国经济建设的快速发展，各类土建工程纷纷上马，其中不乏很多大型工程结构和基础设施，如超高层建筑、水坝、桥梁、隧道、地下人防工程等。这些大型工程结构往往服役时间较长，在其使用期内由于地震、洪水和台风等环境因素的作用不可避免的要产生损伤。这些大型结构的健康监测工作因而变得十分重要，工程监测也已发展成为一个重要的研究课题。

目前广泛用于工程结构上的检测系统，主要由若干种传感器构成。这些传感器布设在结构中，采集应力、应变、位移、温度等物理力学参数。常规的传感器有差动电阻式、电阻应变计式、电感式、弦式等，其中最常用的是差动电阻式及弦式传感器。常规传感器有着悠久的使用历史和广泛的应用；在大量的使用过程中，工程人员也积累了许多实际经验，因而仍是目前建构健康监测的主力。但是另一方面，常规传感器在实践过程中也包露出其局限性，主要表现在[1]：

1.点式检测，监测范围小，连续性不好。常规传感器的点式布置方法决定了其在空间分布上的不连续性，这种不连续带有一定的随意性，最危险的部位常常会被遗漏；由于传感器在结构物中不能无限地布设，因而实际检测效果要大打折扣。

2.传感器成活率低、稳定性差。常用的传感器多为橡胶导线、金属封装，在恶劣的环境中橡胶老化、金属氧化腐蚀，接触不良、线路断裂更时有发生，导致传感器实际成活率和稳定性均不高。

3.自动化程度低、覆盖率有限、集成度差。目前工程中很多监测技术实则为检测技术，属于静态观测，而非实时的，这无法满足工程监测自动、实时的要求。此外，传感器的点式布设方式决定了其覆盖率不会很高，对长达数十公里（隧道）或数十平方公里（大型基建设施）的工程而言，这一方法显得无能为力。

随着现代科技发展，传统的结构健康监测技术也面临着更新换代，现代化的结构健康监测需要新鲜血液的补充。本文旨在介绍近十几年发展迅速的光纤传感技术并着重介绍其在土木工程监测中的应用现状及发展。

1.光纤传感技术

光导纤维（Optical Fiber），简称光纤，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。当光纤所处位置的温度、应力等环境条件发生变化时，会引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等特征参量变化，通过测量这些光波量的变化，就可以分析得到相应的温度、应力等物理量的变化，这就是光导纤维传感器的原理[2]。按照是否对测量信号进行调制来划分，光纤传感器可分为非本征型和本征型两类[3]。非本征型管线传感器中光纤只传输信，作用相当于导线，由其他探测装置调制获取信号。本征型光纤传感器不仅传输信号，也起着传感作用。我们通常所说的光纤传感器即是指本征型光纤传感器。其原理如图1所示。

与传统的电信号传感器相比，光纤传感器的主要优点如下[4，5]：1.抗电磁干扰能力强。适用于恶劣环境中的监测工作。2.体积小、质量轻。便于埋入结构内部，对被测结构影响小。3.耐腐蚀。光纤表面涂覆层是由高分子材料组成，耐腐蚀性强，适用于长期监测。4.能实现分布式测量。适用于大体积、长线路的监测工程。5.灵敏度高。由于采用了波长调制技术，测量分辨率可达到波长尺度的纳米量级。

目前国际上主流的传感技术包括[6]：基于自里渊散射和受激布里渊散射原理的全分布式光纤传感技术（如BOTDR/BOTDA）、基于拉曼背向散射原理的全分布式光纤传感技术（如ROTDR）、基于瑞利散射的全分布式光纤传感技术（如OFDA）以及基于布拉格光纤光栅的准分布式光纤传感技术（如FBG）等。国际上光纤传感器的研究与应用处领先地位的美国和日本，其中美国偏重于军用而日本偏重于民用；此外，在欧洲关于光纤传感器的研究与应用也开展得较为广泛。目前国内发展较成熟、应用较多的是基于自里渊散射BOTDR传感技术和基于布拉格光纤光栅的FBG传感技术。

1.1BOTDR基本原理

BOTDR是布里渊光时域反射计（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer）的简称。光在光纤中传输会产生非线性散射，其中布里渊散射的阈值较低，是较为常见的一种非线性散射。布里渊散射同时受温度和应变的影响，当光纤沿线的温度改变或存在轴向应变时，光纤中背向布里渊散射光的频率将发生漂移，而此漂移量与光纤温度及应变的变化呈线性关系，因而通过测量漂移量即可得到光纤沿线温度和应变的分布情况。

1.2FBG基本原理

FBG是布拉格光栅（Fiber Bragg Gratting）的简称。FBG是利用光敏光纤在紫外光照射下产生的光致折射率变化效应，使纤芯的折射率沿轴向呈现出周期性分布而得到的。在光纤光栅全长范围内，周期和折射率是均匀的。当待测量（温度或应变等）发生扰动时，光纤光栅的折射率和周期将发生相应的变化，进而使光纤光栅的布拉格反射波长漂移，而通过测取此波长的漂移量即可获得待测量的变化[9]。

2.光纤传感技术的工程应用

光纤传感技术广泛引入我国是近20年的事，在科研之余，许多学者致力于将这一技术推广到工程应用，并在结构工程、隧道工程、边坡工程、基坑工程等各领域取得了显著的成果。

2.1结构监测

大型结构工程因其结构与施工的复杂性，常需进行多点监控，传统的传感器布设效率低且存活率差，往往不能得到理想的监测结果。光纤传感器体积小且属于分布式，很适合大型工程施工监测。李宏男等[10]采用了不锈钢钢管封装自行研发的FBG应变传感器与温度传感器，并将其埋入一栋5层的钢混结构，监测在在施工过程中梁、柱的应变与温度变化。其研究结果表明，埋入的FBG传感器可以方便地监测施工过程中混凝土结构内部温度与应变的变化，为混凝土结构的健康监测提供详实的依据；并且，用该种方式封装的FBG传感器传感性能良好，成活率高，寿命长，这为光纤传感器在结构内部布设提供了一个良好的思路。

赵鸣等[11]应用FBG进行大体积混凝土基础表面温度和内部最高温度的监测。通过在混凝土内部埋置光纤光栅传感器来对在浇筑以及养护过程中的温度变化进行实时监测，成功预测了基础混凝土中的温度应力，并采取有效措施控制了混凝土的最大温差，确保了基础底板混凝土的施工质量。

2.2隧道工程

隧道工程往往工程量大、安全要求高，需要监测的数据量也大，其特殊的监测需求正与光纤传感监测特性相匹配。施斌等[12]在一个隧道工程实例中引入了BOTDR传感监测技术，应用以全分布为主，点测为附的全线布测方案，实现了结构整体变形及局部破损点位变化的监测。此外，通过人为制造1m 长度应变段，验证了监测系统的灵敏性；并通过与室内试验结果的误差比对，验证了精度。

2.3边坡工程

边坡工程最为常见、分布广泛，每个边坡工程都需要进行大量、系统的监测，将光纤传感技术用于边坡工程是物尽其用。基于光纤布拉格光栅研制了原位测斜仪。以原位测斜仪在边坡坐标系中的位置和滑裂面的形状为约束条件，建立最优化数学模型来推求潜在滑裂面的具置。在工程现场安装了近百个光纤光栅传感器，组建了一个光纤传感边坡监测与预警系统，对边坡的加固效果及稳定状态进行了长期监测。监测的主要对象是边坡的变形趋势以及土钉、

抗滑桩的受力性状。施斌[12]等通过室内小比例尺模型试验，分别将光纤植入土工布和土工格栅等柔性复合材料中并一起铺设在边坡模型不同深度处，利用BOTDR监测边坡在外荷作用下的变形特征。

2.4基坑工程

同边坡工程相似，基坑工程分布广泛，监测任务繁重，很适合引入光纤传感监测手段。

2.5其他工程监测

在模型试验、管道工程、海堤工程中，基于光纤传感技术的监测手段也被广泛应用。

3.结论

1.光纤传感技术具有分布式、长距离、实时性、抗干扰性强和耐久性长等特点，具有较高的应变测量精度，是大坝、桥梁、桩基础、基坑、边坡、隧道等工程的一种理想监测技术；

2.文中提及的两种光纤检测技术，FBG适用于模型试验或具体工程关键部位的检测，定位精准；BOTDA/BOTDR适用于大型工程的全线监控。二者结合使用可以建立疏密结合的空间检测网络，即可覆盖室内模型试验、具体工程项目节点部位检测、以及大型模型或大型工程的全线监控。

3.光纤传感技术及其应用还有进一步的发展空间，需要大量的理论及实践研究。

参考文献：

[1]施斌，张丹，王宝军.地质与岩土工程分布式光纤监测技术及其发展[J].工程地质学报，2007（Suppl.2）：109-116.

[2]任亮.光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用 [D].大连：大连理工大学.2008.

[3]王慧文.光纤传感技术与应用 [M].北京：国防工业出版社.2001.

[4]Willsch R.Aplication of Optical Fiber Sensor：Technical and Market Trends [A].Proceedings of the SPIE/EOS SYMPOSIUM on Applied Photonics [C].SPIE，2000.4074：24-31.

[5]Nellen P M，et al.Application of Fiber Optical and Resistance Strain Gauges for Long Term Surveillance of Civil Engineering Structures [J].SPIE，1997，3046：77-86.

[6]朱鸿鹄，施斌.地质和岩土工程分布式光电传感监测技术现状和发展趋势——第四届OSMG 国际论坛综述 [J].工程地质学报，2013.21（1）：165-169.

[7]刘永莉.分布式光纤传感技术在边坡工程监测中的应用研究 [D].杭州：浙江大学.2011.

[8]隋海波，施斌等.地质和岩土工程光纤传感监测技术综述 [J].工程地质学报，2008.16（1）：135-143.

[9]孙汝蛟.光纤光栅传感技术在桥梁健康监测中的应用研究 [D].上海：同济大学.2007.

[10]李宏男，孙丽，梁德志.光纤布拉格光栅传感器用于混凝土结构施工监测 [J].建筑材料学报，2007.10（3）：342-347.

光纤传感技术论文第6篇

关键词：光纤传感技术；应用；工作原理；发展。

中图分类号：TP391 文献标识码：A

1. 光纤传感技术的发展

1.1光纤传感器的基本原理

光纤传感技术可分为传光型和传感型两类。光纤传感技术的核心是光纤传感器，相应的光纤传感器也分为传光型光纤传感器和传感型光纤传感器。

1.1.1传光型光纤传感器

传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器，光纤主要起传输光波的作用，传光型光纤传感器主要由光源、光纤、敏感元件、光电探测器、检测路等组成。传光型光纤传感器的原理是待测物理量引起光纤中的传输光光强I变化，通过光强I的检测实现对待测物理量的测量。强度调制的特点是简单、可靠、经济。

1.1.2传感型光纤传感器工作原理

传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器，光纤既传光又传感。当光在光纤中传播时，被测物理量或外界因素作用在光纤上，使得光纤中传输光的振幅、相位、波长、偏振态等发生改变，此过程为光调制，调制后的光经光纤传输到光电探测器解调后转换成电信号输出。传感型光纤传感器的原理比传光型光纤传感器的复杂得多，这里不再详细介绍。

1.2光纤传感技术的研究进展

1.2.1 光纤光栅传感器

光纤光栅传感器是目前国内研究的热点之一。FBG传感器具有灵敏度高，易构成分布式结构，在一根光纤内可实现多点测量。满足“智能结构”对传感器的要求，可对大型构件进行实时安全监测；也可以代替其他类型结构的光纤传感器，用于化学、压力和加速度传感中。但是温度、应力交叉敏感是其实用化的最大限制。

目前，随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展完善，光纤光栅传感技术已经向成熟阶段接近，部分也已经商用化。但在性能和功能方面需要提高。

1.2.2阵列复用传感系统

列阵复用传感系统将单点光纤传感器阵列化，实现空间多点的同时或分时传感，也称为准分布式系统。目前，应用最为广泛的是光纤光栅阵列传感和基于干涉结构的阵列光纤传感系统。

阵列化光纤传感的优点是可以实现大范围、长距离多点传感，是大规模光纤传感的一个重要发展趋势。阵列化的发展方向也对各个传感元的灵敏度、稳定性、批量制作可重复性、解调的快捷准确等提出新的要求。

1.2.3分布式光纤传感系统

分布式光纤传感系统是根据沿线光波分布参量，同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量的分布信息，可以实现长距离、大范围的连续、长期传感。

2. 光纤传感技术的应用

2.1光纤传感技术在结构工程检测中的应用

钢筋混凝土是目前非常广泛应用的材料，将光纤材料直接埋入混凝土结构内或粘贴在表面，是光纤的主要应用形式，可以检测热应力和固化、挠度、弯曲以及应力和应变等。混凝土在凝固时由于水化作用会在内部产生一个温度梯度，如果其冷却过程不均匀。热应力会使结构产生裂缝，采用光纤传感器埋入混凝土可以监测其内部温度变化，从而控制冷却速度。

混凝土构件的长期挠度和弯曲是人们感兴趣的一个力学问题，为此已研制出能测量结构弯曲和挠度的微弯应变光纤传感器，并用一根光纤连接整个结构不同位置上的传感器进行同时监测，每个传感器的位置可用OTDR来识别。光纤传感器还能探测混凝土结构内部损伤。在正常荷载作用下，由于钢筋阻止干化收缩或温度引起的体积变化都会引起裂缝，裂缝的出现和发展可以通过埋入的光纤中光传播的强度变化而测得。

2.2光纤传感技术在桥梁检测中的应用

桥梁是一个国家的经济命脉，桥梁的建造和维护是一个国家基础设施建设的重要部分。利用光纤传感器测量振动，主要可得到桥梁的振动响应参数如频率、振幅等，其方法是：将信号光纤粘贴于桥梁内部，它随着桥梁的振动而产生振动响应， 输出光的相位作周期性的变化，则光电探测器接收到的光强也作周期性的变化。

成功的案例有：加拿大在1993年将光纤传感器预装到一座碳纤维预应力混凝土公路桥上，在桥开通后连续监测了8个月，测量了混凝土内部的整体分布应变，并用动态规化理论处理数据，准确而又快速的评估了桥梁的使用状态及寿命。1996年，美国海军实验研究中心研制了新墨西哥州I -10桥健康检测系统，它由60个FBG传感器组成，可实现动态与静态应变测量。

2.3光纤传感技术在岩土力学与工程中的应用

岩土工程检测具有长时效性、环境复杂、具有时空限制、施工环境制约等特点，其检测工作一直是等待解决的难题。目前已有的常规的测试技术在长期的工程应用中表明，满足上述测试要求十分困难。而由于光纤传感器体积小、质量轻、不导电、反应快、抗腐蚀等诸多优良特性，使用它成为岩土力学工程的检测工具成为学者们的研究对象。下面列举一例成功应用光纤传感器检测岩土工程的成功案例：

三峡大坝坝前水温监测

三峡大坝坝体内部靠近上游面埋设有点式温度计，因埋设点位于坝体内，所测温度与实际库水温度存在一定的差异。为了能更真实地反映库水温度的变化规律，长江科学院结合坝前水温观测的实际现状，在左厂14-2坝段布设1条测温垂线，采取光纤Bargg光栅温度传感器进行监测，通过实际工程应用，光纤Bargg光栅温度传感器测量水温，可以满足水温监测的要求，且与水银温度计直接测量水温相比，结果较好。

2.4光纤传感技术在军事上的应用

光纤传感技术在军事上同样应用广泛。光纤陀螺仪经过30多年的发展，已经广泛应用与民航机，无人机，导弹的定位和控制中。光纤水听器可以用于船舶军舰收集声音，探测越来越先进的潜艇。且近几年来，基于光纤传感技术的光纤网络安全警戒系统开始在边防及重点区域防卫中得到推广应用。目前，世界上发达国家使用的安全防卫系统就是基于分布式光纤传感网络系统的安全防卫技术。

3. 结语

从20世纪70年代中期至今，光纤传感技术经过快速发展已取得了长足的进步，测量各种参数的光纤传感器也应运而生。光纤传感器由于体积小、质量轻、不导电、反应快、抗腐蚀、不受电磁、射频及雷电流等的干扰和影响， 以及集传感与传输于一体的独特优点，使得光纤传感技术广泛应用于生活的各个方面。今后，光纤传感器和光纤传感技术将继续迅速发展，主要方向以提高性价比、降低成本、多用途、提高敏感度以及恶劣环境下的传感器研究。光纤传感器可能发展趋势有：（1）以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象；（2）集成化光纤传感器；（3）多功能全光纤控制系统；（4）开辟新领域。

参考文献：

1.光纤传感技术及军事应用，孟洲，胡永明，姚琼等

光纤传感技术论文第7篇

本文通过实验分析了多模光纤带宽对分布式光纤测温系统空间分辨率的影响。实验结果表明，多模光纤带宽处于500MHz*Km至6000MHz*Km范围内时，测温系统空间分辨率呈现先升高，后下降的趋势。为进一步通过优化光纤指标来提高分布式光纤测温系统的系统指标提供了数据支持。

【关键词】分布式光纤测温系统 光纤带宽 空间分辨率

1 引言

传统温度传感器由于测量原理的限制，易受外界环境，特别是电磁干扰的影响，无法长时间连续测量。使用光纤光栅等新型点式光学温度传感器，由于成本的限制，无法实现真正的分布式测量，限制了其应用范围。

近年来，使用普通光纤作为传感介质的新型光学传感器由于具有本征无源，抗电磁干扰，响应快速等特点，逐步取代了传统的探测方法，成为研究的热点。

同时，分布式光纤测温系统受激光脉冲在光纤中的展宽等因素的影响，空间分辨率指标无法得到有效提升。传统的方式是通过压缩入射光脉冲宽度，提高脉冲光峰值功率的方式来提高系统的空间分辨率，但此方式实现难度较高，并不能无限压缩光脉冲宽度，并且随光脉冲宽度的降低，加工难度和成本也随之大大提高，限制了系统的实际应用效果和应用范围。

本文在前期研究的基础上，利用已有的分布式光纤测温系统，展开了相关实验研究。测量了多种不同带宽光缆对应空间分辨率指标，并做了相关数据分析。试验结果表明：光纤的带宽对分布式光纤测温系统空间分辨率有较大影响，并在500MHz*km至6000MHz*Km范围内呈现先升高后降低的趋势。

2 实验原理与系统

系统基本架构如图1所示；

系统的工作过程如下：分布式光纤温度传感系统工作时，在同步控制单元的控制下，脉冲驱动电路产生电流脉冲，该脉冲驱动半导体激光二极管产生的光脉冲注入到激光器尾纤中，从激光器尾纤输出的光脉冲经过光路再进入传感光纤。光在光纤中发生散射后，其携带有温度信息的拉曼后向散射光返回到波分复用系统，波分复用系统不但可以将发射的光直接耦合进光纤，而且可以将散射回的不同于发射波长的斯托克斯和反斯托克斯光分离后送入两个光电探测器。光电探测器将光信号转换成电流信号，电流信号再被放大电路转换成电压信号并且放大后送入采集卡。采集卡将信号数字化后送入上位机，按照特定的算法计算出温度信息。

在上述系统的基础上，采用不同带宽的50/125μm多模探测光缆作为测试对象，验证了系统空间分辨率变化情况。

3 实验结果

实验中，共测试了不同带宽的多模50/125μm的光纤对应的系统空间分辨率，光纤及相关实验参数如表1。

注：空间分辨率恶化系数的计算方法如下：

空间分辨率恶化系数=空间分辨率绝对变化量/光纤长度

根据上述数据可以得知，多模光纤带宽与系统空间分辨率的关系如图2所示。

从图中可以看出，系统空间分辨率在500MHz*km至6000MHz*Km范围内呈现先变好后变差的趋势，并在1600MHz*Km左右达到最优。

4 理论分析

在分布式光纤测温系统中，系统的空间分辨率主要受光脉冲宽度、电路带宽、光电探测器响应时间等因素制约，在其它因素确定的条件下，光脉冲宽度称为影响空间分辨率的重要因素。光脉冲在传感光纤中传输，受到色散的影响，会出现不同程度的展宽效应。具体而言，在多模光纤中，光纤材料、波导结构和多种模式的光脉冲信号在光纤中传输，色度色散和模间色散是引起光脉冲展宽的主要因素。

其中分别是模式色散和波导色散。模式色散一般存在与多模光纤中，由于在多模光纤中同时存在多个模式，不同模式沿光纤轴向的传播速度不同，到达终端时就有先后，出现时延差，从而引起脉冲展宽。时延差越大，色散就越严重。而波导色散取决于光纤的折射率剖面结构。

两种色散共同决定了光脉冲展宽的程度，而光纤的3dB带宽与脉冲宽度δ是从不同角度描述光纤色散特性的两个参数，因而它们之间存在一定的关系。

光纤的带宽越宽，脉冲展宽约小，但这只是理论公式，通过实验数据表明，当光纤带宽小于1600MHz*Km时，满足该公式的关系，当超过该值时，脉冲展宽随带宽增加而增加。

5 结论

本文通过对不同带宽光缆对分布式光纤测温系统空间分辨率的影响进行测试，确认了在一定范围内光纤带宽指标影响系统空间分辨率的变化规律，并进行了理论分析。为进一步通过优化光纤指标来提高分布式光纤测温系统的系统指标提供了数据及理论支持。

参考文献

[1]Joseph C.Palais.Fiber Optic Communications，Fifth Edition[M] （117-124），2011.

[2]Djafar K.Mynbaev Lowell L.Scheiner，Fiber-Optic Communications Technology[M].2002：（139-160）.

[2]赵凯华，钟锡华.光学（下册）[M].北京：北京大学出版社，2011：254-257

[3]姚启钧.光学教程（第三版（[M].北京：高等教育出版社，2002：382-384.

[4]蓝信矩等.激光技术（第二版）[M].北京：科学出版社，2005：306-311.

[5]江毅，高级光纤传感技术[M].北京：科学出版社，2009：292-298.

[6]邓大鹏等.光纤通信原理[M].北京：人民邮电出版社，2006：102-104.

[7]张旭苹，全分布式光纤传感技术[M].北京：科学出版社，2013：135-136

[8]陈才和.光纤通信[M].北京：电子工业出版社，2004：142-145.

[9]黎敏，廖延彪.光纤传感器及其应用技术[M].武汉：武汉大学出版社，2008：9-10.

[10]宋扬，王丽.光纤色散效应对脉冲展宽的影响[J].光通信技术，2008 Vol 32，No.6.

作者简介

王建强（1966-），男，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。

夏俊玲（1969-），女，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。

史振国（1981-），男，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。

光纤传感技术论文第8篇

关键词：应用现状；发展情况；光纤传感技术

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0026-01

目前光纤传感器在多个应用领域都有着广泛的传播，并且起到了不错的促进作用。为了更好的发挥其功能特点，在今后的研究过程当中，应该增强技术创新与发展，从而促进光纤传感技术性能的发挥。以下就光纤传感技术的发展与应用进行探讨分析。

1 光纤传感技术的发展

1.1 光纤光栅传感器

近几年，光纤光栅传感器成为了国内外的研究热点。一般的光纤光栅传感器都是通过对布喇格波长的漂移量进行测量来实现对被测量的检测。此种传感器可以很方便的构成分布式的结构，其灵敏度相对比较高，能够代替其它结构类型的光纤传感器，可以实现对大型的构件的实时监测，在一根光纤当中可以进行多点测量。由于光纤光栅传感器的多种优势，在很多场合都可以进行测量。至今国内外对其进行研究的范围主要体现在几个方面：

（1）对传感网络技术、封装技术等时机应用的研究；（2）α槊舳雀摺⑿⌒突、低成本的探测技术的研究；（3）对能够同时感测温度变化以及应变的传感器的研究[1]。

1.2 阵列复用传感系统

利用时分复用、空分复用以及波分复用等方式，将单点的光纤传感器进行阵列化，从而实现空间当中多个点分时或者是同时传感。如今应用比较广泛的有基于干涉结构的阵列光纤传感系统和光纤光栅阵列传感系统。这种阵列式的光纤传感系统能够进行长距离大范围的多点传感，同时也是大规模的光纤传感器的主要发展方向。在今后的研究过程当中，阵列式光纤光栅传感器的主要研究方向为综合复用式的应用，比如说将干涉型检查速度快、结构灵敏度高的特点融入到光纤光栅传感系统当中，使其与光纤光栅的插入损耗低、易于光纤耦合以及高波长选择性能的特点相结合，融合之后的结构对于大规模组网传感系统非常适合。但是阵列式的研究方向对传感元件的稳定性、灵敏度等也提出了更高的要求。

1.3 分布式光纤传感系统

这种类型的传感系统是根据沿线光波分布的参量以及被测量随着时间与空间变化的分部信息，进行大范围的并且长距离的连续传感，这代表了目前光纤传感器的一个重要的发展方面。从不同的技术类型的角度来看，可以分为前向传输耦合、布里渊散射、自发拉曼散射以及后向瑞丽散射四种技术类型。不同种技术类型的光纤传感器有着各自的特点，应该根据实际的应用来进行合理的选择。另外分布式的光纤传感系统可以实现空间的测量连续性，这样就很好的避免了使用多个分立的传感元件，从而降低了生产成本。但是为了达到更高的测量精度以及更快更好的测量，还需要进行更深一步的研究，其主要的研究方向包括几个方面：

（1）新型的传感机理的研究；（2）降低测量时间、扩大测量范围；（3）增强系统的空间分辨力以及对信号接收与处理的检测能力；（4）实现单根光纤上多个参数的策略[2]。

1.4 智能化光纤传感技术

其智能化主要表现在实现信号的获取传输与处理的一体化；实现多个功能的智能化；实现计算机技术、光纤通信传感技术的融合。如今在多个应用领域都对智能化的光纤传感系统有着非常广泛的应用，比如说石油测井、声发射检测以及环境感知等。这项技术能够对其周围的环境进行自我的感知、判断、复性等多种功能，除此之外在土木工程、医疗、航空航天等多个领域也应用非常广泛。

2 光纤传感技术的应用

2.1 在工程方面的应用

光纤传感技术在工程方面得到了非常广泛的应用。主要表现在对对布里渊光时域反射、拉曼光时域反射、光纤光栅等多种技术的应用。其中布里渊散射在对长距离的分布式应力进行监测时得到应用，另外在对大中型建筑工程的稳定性进行监测的时候也有所应有；拉曼光时域反射在对建筑物的火灾与渗透监测时得到应用；光纤光栅技术在对隧道以及桥梁的重点部位进行监测是应用较为广泛。

2.2 在电力领域方面的应用

伴随着人们对电力的要求不断提高，传统的传感器已经达不到人们的基本需求。以光纤传感技术为背景，构建的光纤电流传感器能够极大地提高电网的稳定性能，并且顺应了智能化电网的发展趋势，降低了供电损耗，提高了供电的质量，响应了国家节能减耗的号召。但是由于光纤传感器对外界的温度有着很强的敏感性，因此对其耐温性能有待进一步改良。

2.3 其他方面的应用

光纤传感器在石油工业、医用领域、复合材料领域等方面也有广泛的应用。在石油工业方面，基于反射光强的泄露和液位以及传输损耗调制的传感器，部分已经流入市场来用于对石油勘探的光纤加速度传感器以及光纤压力传感器在多个国家已经进行了大量的研究；在医用领域方面，对以激光多普勒频移技术为基础的血液流速进行测量。

3 结语

光纤传感器的优势在光电技术领域逐步的凸显出来，实现了与光纤通信技术、计算机技术等的融合，在多个新型应用领域都有着非常广泛的使用。以光纤传感技术为基础的各种传感器也得到了广泛的发展，所以，为了进一步促进光纤传感技术的发展，就必须不断地进行创新研究，根据实际情况，研究出更好的光纤传感器。

参考文献

光纤传感技术论文第9篇

关键词： CH4气体浓度； 气室长度； 传感灵敏度； 透光率

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）18?0142?02

0 引 言

近年来，光纤传感技术的研究非常重要[1]，具有灵敏度高、响应快、动态范围大、不受电磁干扰、耐腐蚀、体积小、可以实现信号的长距离传输和现场实时遥测、传感头可以放入恶劣环境中等优势[2]。光谱吸收型气体传感器是最重要，也是最简单的一类光纤气体传感器。它利用气体的吸收光谱因气体分子化学结构、浓度和能量分布差异产生的不同进行检测，从而具有了选择性、鉴别性和气体含量的唯一确定性等特点，因而光纤气体传感器的研究倍受关注[3]。甲烷（CH4）是矿井、工业领域和城市煤气中爆炸的主要成分，因此对光纤甲烷气敏传感器的研究更加引起广泛关注。光谱吸收型气体传感是基于分子振动/转动吸收特征谱或泛频/复合吸收谱线与发光光源发射谱间的光谱一致性[4]。本文主要介绍的是在近红外波段光纤甲烷气体传感器测量灵敏度的影响因素。

1 原理分析

光谱吸收型光纤气体传感器基本原理是气体分子的选择性吸收理论，即气体分子只能吸收能量恰好是它的某两个能级能量之差的光子[5]。根据甲烷气体的红外吸收光谱原理来检测甲烷体积分数的变化[6]。不同的气体对不同波长红外辐射的吸收程度不同。当光源被气体吸收而变弱时，将会出现红外吸收光谱。由于不同的气体分子化学结构不同，因而对应不同的吸收光谱，而每种气体在光谱中，对特定波长的光有较强的吸收[7]，表1给出了部分气体在近红外波段的吸收谱。

当光源发出的光经过光纤耦合器耦合作用进入入射光纤，光波通过测试气室与待测气体相互作用，通过出射光纤的耦合作用将出射光耦合到光电探测器上进行光电转换。当光源通过待测气体CH4时就会发生衰减，不同气体对应不同的吸收谱线，如果入射光谱范围包含被测气体的吸收谱线，则光源发出的光通过被测气体时光强发生衰减[8]。光纤传感器原理图如图1所示。

3 结 论

通过本文的数据分析可以得出对于红外光谱吸收光纤甲烷气体传感器气体灵敏度的检测，当不考虑杂散光、光路损耗、外界温度变化等光路吸收之外的影响因素时，当气室吸收长度一定时，增加气体浓度，则会提高传感灵敏度。当气体浓度一定时，提高气室吸收路径长度时，尤其当气体浓度较高时，则传感灵敏度较高。但是也不能一味地增加吸收路径，这样也增加了气室制作工艺的难度，在实际生产过程中，要综合考虑气室长度和气体浓度等因素来提高传感灵敏度。

参考文献

[1] 李文植.光纤传感器的发展及其应用综述[J].科技创业，2005（7）：152?154.

[2] 杨建春，徐龙君，章鹏.倏逝波型光纤气体传感器研究进展[J].光学技术，2008，34（4）：562? 567.

[3] 潘文娜，武林，周正利.吸收型光纤甲烷传感器的研究进展[J].光器件，2004（10）：48?50.

[4] 叶险峰，汤伟中.CH4气体光纤传感器的研究[J].半导体光电，2000，21（3）：218?220.

[5] 苏红艳.光纤气体传感器在检测气体浓度中的应用[D].无锡：江南大学，2009.

[6] JIN W， STEWART G， PHILP W， et al. Limitation of absorption?based fiber optic gas sensors by coherent reflections [J]. Applies Optics， l997， 36（25）： 625l?6255.

[7] 梁威，路立平，潘国峰，等.混合气体检测中纳米多孔膜晶振传感器的应用[J].仪表技术与传感器，2006（2）：52?54.

[8] 付华，井易鹏.测量甲烷体积分数的高灵敏度光纤传感器研究[J].传感器与微系统，2010，29（4）：15?17.