长周期光纤光栅及其级联结构的传感特性及应用

　　本书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；第10章用LPGP来实现对超声波的检测，获得相应的超声场的参数；第11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。

　　胡兴柳（1974-），女，工学博士，金陵科技学院智能科学与控制工程学院教授、硕士生导师。江苏省“青蓝工程”学术带头人，安徽省信息化专家咨询委员会委员。2004年4月南京航空航天大学电力电子与电力传动专业硕士毕业，2012年3月南京航空航天大学智能监测与控制专业博士毕业，2014年-2015年国家公派新加坡南洋理工大学访问学者。主要研究方向为光纤传感技术、嵌入式系统软硬件设计等。先后主持国家自然科学基金、省自然科学研究重点项目、省自然科学基金面上项目、省教育厅自然科学研究项目、横向协作等项目10余项。在国内外重要期刊及国际学术会议上发表学术论文30余篇，其中，SCI与EI检索13篇。授权的国家发明专利5项，实用新型专利1项。王彦（1975-），女，工学博士，安徽工业大学电气与信息工程学院教授、硕士生导师。2008年南京航空航天大学智能监测与控制专业博士毕业，国家公派美国密苏里科技大学访问学者。主要研究方向为光纤传感技术、仪器仪表技术等。先后主持和参加了国家自然科学基金项目、安徽省自然科学研究重点项目、安徽省自然科学基金、江苏省自然科学基金、安徽省杰出青年人才基金以及横向项目多项，在国内外重要学术期刊及国际学术会议上发表论文20余篇，其中，被SCI、EI收录10余篇。获国家专利多项。杨忠（1968-）， 男，工学博士，博士后，金陵科技学院智能科学与控制工程学院院长、教授、研究生导师。江苏省重点建设学科“控制科学与工程”学科带头人，中国自动化学会智能自动化专业委员会委员，全国机械安全标准化技术委员会委员。获南京航空航天大学工学博士学位，东南大学自动控制学科博士后出站。主要研究方向为智能控制理论与应用、光伏发电智能控制、人工智能等。承担国家自然科学基金项目、教育部产学协同育人项目等20余项科研教研项目。发表学术论文60余篇，其中，SCI收录9篇、EI收录15篇，出版专著2本、国家标准1部；获得授权55项专利。获中国人民解放军科技进步二等奖1项；获中国机械工业科学技术二等奖1项；获省部级科技进步三等奖5项；获江苏省高等教育教学成果二等奖等。

第 1章 绪 论\t1
1．1 引言\t1
1．2 LPG的理论研究现状\t2
1．3 LPG的制备技术\t3
1．4 LPG的应用概况\t6
1．4．1 LPG在通信领域的应用\t7
1．4．2 LPG在传感领域的应用\t8
1．5 LPG的发展趋势\t9
1．6 本书的研究内容及结构\t10
参考文献\t12
第 2章 LPG及LPGP的理论分析\t17
2．1 光纤光栅的结构\t17
2．2 耦合模理论\t19
2．3 LPG模式耦合\t20
2．3．1 纤芯基模有效折射率及其场分布\t20
2．3．2 包层模有效折射率及其场分布\t21
2．3．3 耦合特性分析\t25
2．3．4 LPG的模式耦合方程\t26
2．4 LPGP模式耦合\t27
2．5 本章小结\t30
参考文献\t30
第3章 LPG及LPGP谱特性的仿真和研究\t32
3．1 表征LPG的谱特性的参数\t32
3．2 LPG对结构参数的敏感特性分析\t35
3．2．1 光栅参数对频谱的影响\t35
3．2．2 光纤结构参数对频谱的影响\t40
3．3 LPGP对结构参数的敏感特性\t45
3．4 本章小结\t49
参考文献\t49
第4章 LPG的传感机理\t50
4．1 LPG的温度传感\t50
4．1．1 谐振波长的温度特性理论分析\t50
4．1．2 损耗峰幅值的温度特性\t52
4．1．3 温度特性实验研究\t53
4．2 LPG的轴向应变传感\t54
4．2．1 轴向应变理论分析\t54
4．2．2 轴向应变实验研究\t55
4．3 LPG的弯曲传感\t57
4．3．1 弯曲特性理论分析\t57
4．3．2 弯曲特性实验研究\t59
4．4 LPG的折射率传感\t60
4．4．1 折射率特性理论分析\t60
4．4．2 折射率特性实验研究\t62
4．5 LPG的横向负载传感\t64
4．5．1 横向负载特性理论分析\t64
4．5．2 横向负载特性实验研究\t65
4．6 LPG的温度补偿技术\t66
4．6．1 温度补偿方法\t66
4．6．2 温度补偿实验\t67
4．6．3 其他温度补偿方法\t69
4．7 本章小结\t70
参考文献\t71
第5章 LPG振动信号监测\t72
5．1 薄板振动的微分方程\t73
5．2 LPG振动信号监测传感器\t76
5．2．1 动态信号监测原理\t76
5．2．2 LPG动态信号监测系统\t77
5．2．3 LPG动态信号的解调方案\t80
5．2．4 系统最优工作点的确定\t84
5．3 薄板结构振动信号的采集\t85
5．4 分布式振动信号采集系统\t89
5．5 具有自动跟随功能的振动信号监测系统\t91
5．6 本章小结\t93
参考文献\t94
第6章 基于小波包能量谱分析的LPG结构损伤识别\t95
6．1 板结构ANSYS分析\t95
6．2 小波包理论分析\t98
6．2．1 小波分析\t99
6．2．2 小波包分析\t100
6．3 信号的能量特征指标提取\t102
6．3．1 小波基的选取\t102
6．3．2 小波分解阶数和小波包分解尺度的选取\t103
6．3．3 特征指标的提取\t103
6．4 板结构的小波包能量谱分析\t104
6．4．1 同一位置不同程度的损伤\t104
6．4．2 不同位置相同程度的损伤\t107
6．5 本章小结\t109
参考文献\t110
第7章 LPG土木工程结构耐久性健康监测\t111
7．1 混凝土结构中的钢筋锈蚀\t111
7．1．1 钢筋锈蚀机理\t112
7．1．2 钢筋锈蚀过程\t114
7．2 混凝土结构中钢筋锈蚀监测方法\t115
7．3 实验方法确定\t116
7．3．1 钢筋锈蚀方法的确定\t116
7．3．2 混凝土中钢筋锈蚀率的测量\t117
7．4 基于LPG折射率特性的钢筋锈蚀监测\t117
7．4．1 传感器设计\t117
7．4．2 实验室环境实验\t119
7．4．3 双光栅测量\t121
7．4．4 实验讨论\t122
7．5 基于LPG微弯特性的钢筋锈蚀监测\t123
7．5．1 传感器设计及封装\t123
7．5．2 实验室环境实验\t125
7．5．3 混凝土埋入实验\t126
7．5．4 实验讨论\t129
7．6 本章小结\t130
参考文献\t131
第8章 LPGP传感特性的研究\t133
8．1 LPGP温度传感特性\t133
8．1．1 LPGP温度特性的理论分析\t133
8．1．2 LPGP温度特性的实验及分析\t136
8．2 轴向应变传感特性\t139
8．2．1 LPGP轴向应变特性的理论分析\t139
8．2．2 轴向应变特性实验\t141
8．3 弯曲传感特性\t144
8．3．1 LPGP弯曲传感特性的理论分析\t144
8．3．2 弯曲传感特性实验\t145
8．4 折射率传感特性\t148
8．4．1 LPGP折射传感特性的理论分析\t148
8．4．2 LPGP折射传感特性的仿真研究\t149
8．4．3 折射率传感特性实验\t152
8．5 本章小结\t156
参考文献\t156
第9章 基于支持向量回归机的单LPGP应变和温度同时测量技术的研究\t158
9．1 支持向量回归机理论基础\t158
9．2 温度与应变的同时测量\t163
9．2．1 交叉敏感问题的解决方案\t163
9．2．2 不同谐振峰应变与温度的测量\t164
9．3 矩阵分析方法\t166
9．4 基于SVR的温度与应变预测模型的建立\t168
9．4．1 支持向量回归机的表述\t168
9．4．2 -SVR相关模型参数选取\t172
9．4．3 基于SVR的温度和应变的预测\t174
9．4．4 SVR和标准矩阵法对应变和温度预测的比较\t174
9．5 本章小结\t175
参考文献\t176
第 10章 LPGP对超声波检测研究的初探\t178
10．1 超声波简介\t178
10．2 光纤光栅检测超声波的研究\t179
10．3 超声波作用于LPGP的原理\t180
10．4 超声波基本特性的LPGP实验研究\t183
10．4．1 超声波静态特性实验系统组成\t183
10．4．2 实验结果分析\t183
10．5 本章小结\t186
参考文献\t187
第 11章 LPGP的封装及在乐果溶液降解过程中的应用\t188
11．1 光纤光栅的封装类型\t188
11．1．1 保护性封装\t188
11．1．2 敏化性封装\t190
11．2 LPGP的封装\t191
11．2．1 LPGP温度补偿的封装原理\t191
11．2．2 LPGP温度补偿的封装设计\t193
11．2．3 封装的LPGP温度特性实验\t195
11．3 基于LPGP的乐果溶液污水降解的在线监测\t195
11．3．1 乐果溶液污水降解技术\t195
11．3．2 超声强化电絮凝技术降解乐果溶液污水原理\t197
11．3．3 超声强化电絮凝技术降解乐果溶液实验\t199
11．4 本章小结\t203
参考文献\t203