光纤传感技术论文范文

光纤传感技术论文篇1

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.

[5]时书丽，曾子铭，计算机辅助教学在光纤通信专业课程中的应用[J].辽宁大学学报自然科学版，2006，33（4）：374-377.

光纤传感技术论文篇2

【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.

[4] 李文植. 光纤传感器的发展及其应用综述, 科技创业月刊, 2006,7.

光纤传感技术论文篇3

【关键词】 FBG；高应变；桩基检测；预制桩

【中图分类号】TU196+.1 【文献标识码】 B

Study on high strain detection of precast pile using FBG sensing technology

Qiu Zhenhong

(Shanghai jiangnan architectural design institute co,. ltd ShangHai 201800)

【Abstract】 FBG which has the advantage of high precision, strong ability of anti-electromagnetic, strong adaptive capacity to environment, long service life, etc has become a new advanced detection way in the field of pile foundation and bridge. This paper introduces the measure principle of FBG sensing technology and the implantation process of fiber grating into precast pile. Combined with the specific project, the traditional high strain data and FBG strain data is compared. The results showed that FBG data is suitable for high strain detection.

【Keywords】 FBG; high strain; detection of pile foundation; precast pile

0 引言

桩基检测中高应变检测是一项重要检测内容，通过分析应力应变随桩身变化情况分析桩身完整性和桩的承载性状[1-2]。由于采用高应变进行承载力检测具有工期短、成本低、效率高等特点，促进了高应变检测法的推广，但是高应变检测的精度很大程度上与测试传感器有关。传统的电阻式、钢弦式、电感式传感器普遍存在灵敏度差、精度低、抗电磁干扰能力弱，受水腐蚀失真或失效等缺点，难以适应现代工程精确检测的要求。而近年来兴起的光纤光栅传感器则具有精度高、抗电磁干扰、防水防潮、抗腐蚀和耐久性长等特点[3-6]，其体积小、重量轻，便于铺设安装，且不存与监测对象不匹配的问题，对监测对象的材料性能和力学参数等影响较小。另外，光纤光栅传感技术采用光纤进行信号传输，传输损耗小，容易实现远距离信号传输，正好弥补了传统检测技术的不足。本文结合具体的工程实例，将FBG传感器植入检测的预制桩中，同时采集传统

的高应变检测应变数据和FBG应变数据，并进行对比研究。结果表明：FBG测量数据可靠，具有较好的适用性。

1 FBG传感技术测量原理

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,简称FBG）是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位,光栅其作用的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜，使得光在其中的传播行为得以改变和控制[7]。

图1 光纤光栅传感器的构造

如图1所示，FBG传感器分布在光纤纤芯的一小段范围内，它的折射率沿光纤轴线发生周期性变

作者简介：邱正红，1982年出生，男，汉族，重庆潼南县人，工学学士，助理工程师，主要从事岩土工程勘察和基坑设计工作。E-mail：qzh@live.it

化，图中纤芯的明暗变化代表了折射率的周期变化。光纤布拉格光栅是光纤纤芯折射率沿光纤轴向呈周期性变化的一种光栅。目前已有的基于光纤布拉格光栅的各种传感器的工作原理都可以归结为对布拉格光栅中心波长的测量[8-9]，即通过对由外界扰动引起的布拉格光栅中心波长漂移量的测量，得到被测参数；布拉格光栅中心波长与光纤纤芯有效折射率以及光纤光栅长度周期Λ相关[10]即：

(1)

其中：为布喇格光栅的中心波长；为光纤纤芯的有效折射率；为布喇格传感器光栅的栅距。

图2FBG传感器工作原理图

显然，宽带光源的输入光谱在通过FBG传感器1后，形成了波谷峰值为的凹陷，而反射光谱则具有波峰。当光栅所在处的光纤产生轴向应变时，栅距变为：

(2)

此时布喇格波长产生相应的变化，它满足：

(3)

其中：为有效光弹系数,它的值约为0.22。

另外，温度变化会引起光纤折射率的变化，同时也会引起栅距的变化，当温度变化为时，将引起布拉格波长产生移动，可以表示为：

(4)

其中：为光纤的热膨胀系数，；为光纤的热光系数，。

由(3)、(4)两式得到同时考虑应变与温度变化时，所引起的波长移动：

(5)

由此可知，只要测出布喇格波长的变化，就可以得到外界的应变或温度扰动。

2 预制桩FBG植入工艺

预制桩一般是在工厂制作而成的，特别是预应力预制桩是在预制厂经过先张预应力，离心成型及高压蒸养等工艺生产而成的高强预制混凝土构件[11]，无法将光纤光栅浇注到其中。在打桩的过程中，由于预制桩管壁与土体的摩擦力很大，将光纤光栅贴在预制桩表面时，很容易造成打桩时光纤光栅被刮断[12]。本文采用在预制桩表面刻槽后放入光纤光栅再用高强度胶进行密封，这样既成能保证光纤光栅的成活率，又能保证光纤光栅与预装桩身变形的一致性。预制桩的FBG植入工艺主要包括以下四个工序。

（1）光纤熔接

在FBG传感技术测量中，光纤只是进行光信号的传输，真正起到测量作用的是光栅的那部分。所以要根据桩长截取相应长度的传输光纤与FBG传感器进行熔接。

（2）刻槽布纤

用开槽机在预制桩身表面沿着布纤路线刻槽，槽宽和槽深以能放入光纤为准(太深容易破坏桩身强度)，光纤放入槽内用502胶水进行定点固定，刻槽布纤如图3所示。

图3 刻槽布纤

（3）光纤保护

用高强胶（环氧树脂）填充槽内进行光栅粘贴和光纤线路保护，在桩端出露的光纤用套管进行保护，将多余的光纤盘绕在桩头并用缓冲材料进行包裹保护，光纤保护如图4所示。

图4 线路保护

（4）打桩对接

将布好光纤的桩按顺序进行打入，在桩对接时进行上下两桩光纤的对接，并将多余光纤盘绕在接头地方进行强化处理，打桩对接如图5所示。

图5 打桩对接

3 工程实例

3.1 工程背景

嘉定区城北大型经济适用房（南块）位于上海市嘉定区，住宅楼和配套商业拟采用桩基础，地下车库、地下P型站和地下水泵房拟采用抗拔桩。工程主要负责桩基设计参数可行性研究工作。根据设计需要，结合勘察资料，进行现场原位测试，包括：模型桩单桩竖向抗压、单桩竖向抗拔静载，锤击桩高应变跟踪监测及桩身应力分析，获得各层土设计参数。

3.2 测试方法

本文主要研究该工程中管桩（管桩桩长13.0m，内径0.22m，外径0.4m）的高应变检测。通过光纤光栅测得应变数据分别与高应变测桩仪导出数据进行对比。桩身应力测量采用光纤光栅应变传感器。光纤光栅应变传感器布设：在桩顶以下1m处（-1m)布设一个；在土层交界处6.5m处（-6.5m)布设1个，在桩底以上50cm处（-12.5m)布设1个，FBG传感器布设如图6所示。

图6 FBG传感器布设图

高应变初打跟踪监测试验按照《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2003）进行，测试方法见图7。

图7 高应变测试图

3.3 检测数据分析

本文选取了一根测试桩，对桩的锤击高应变数据进行分析。通过预埋在桩身上的光纤光栅测得应变数据分别与高应变测桩仪输出数据进行对比研究，FBG传感器测试出的数据曲线如图8所示。曲线中第一个峰值的出现表示在击打过程中桩身产生的最大应变，其余峰值是由于击打过程中余震产生。图形显示在-1m处峰值最高，其次-6.5m处，-12.5m处峰值最小。这表明：在被击打过程中，离测试桩由桩顶至桩底，桩身应变逐渐减小，在桩顶处会产生最大应变，所以在锤击过程中要加强对桩顶的保护。

图8高应变时光纤测得应变曲线图

由于-1m处安装的FBG传感器与高应变检测中的应变片安装位置接近（检测传感器的安装用膨胀螺栓安装在距桩顶约2倍桩径处），将-1m处的FBG测试数据与应变片的数据进行了对比，光纤应变曲线与高应变仪导出应变曲线对比图如图9所示。从图9中可以看出，两者的曲线较为吻合，这说明FBG传感技术适用于高应变检测。

图9 高应变时光纤曲线与高应变仪导出曲线对比图

4 结论

（1）本文将FBG传感监测技术应用于桩基检测中，将光纤光栅测得应变数据与高应变测桩仪输出数据进行比较研究。结果表明：FBG传感数据能较好地适用于高应变检测，但也存在不足，由于高应变检测同时需要应变数据和加速度数据，而此次测试只采集了桩身FBG应变数据，如果在桩身相应的位置能安装FBG加速度传感，同时采集FBG应变和加速度数据，拟合桩基的承载力与传统高应变测桩仪测出的桩基承载力进行对比，将是本论文需要深入研究的一个方向。

（2）FBG传感器可以安装在桩体的任何位置，如果将FBG传感技术运用于高应变检测中，就可以

测得桩体任何位置的应变，而不仅仅局限于桩顶附近。

（3）检测数据的精确度不但与测试方法有关，还与传感器的性能有关，FBG传感器正是由于其高精度、抗电磁干扰能力强等特点得到了工程界广泛的关注。但是，由于其比较高的价格也限制着它的发展。随着科学技术的发展，FBG传感技术将会得到广泛发展。

参 考 文 献

[1] 刘万恩，蔡克俭，夏结祥． 海上超长大管桩的高应变动力检测[J]． 施工技术，2006增刊，249-252．

[2] 时猛． 东营市预应力管桩高应变动力检测的竖向承载力计算[D]．中国石油大学（东华），2008．

[3] 田德宝，张大煦，孙俊良，等． 光纤布拉格光栅应变测量在天津奥体中心工程中的应用[J]． 施工技术，2008， 37(11)：64-66．

[4] 嵇雪蘅，李宏男，任亮，等． 光纤布拉格光栅传感器在钢架结构健康监测中的应用研究[J]．防灾减灾工程学报，2008，28(1)：43-48．

[5] 武胜军，王宏力，敖红奎．FBG传感器在隧道锚杆支护结构监测中的应用研究[J]．传感器与微系统，2007，12(26)：31-33．

[6] 余小奎．分步式光纤传感技术在桩基测试中的应用[J]．岩土工程勘测，2006，6：12-16．

[7] 李川，张以谟，等．光纤光栅原理、技术与传感应用[M]．北京：科学出版社，2005．

[8] 王惠文．光纤传感技术与应用[M]．北京：国防工业出版社，2001．

[9] 徐恕宏．传感器原理及其设计基础[M]．北京：机械工业出版社，1988．

[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，2007，21(3)：342-347．

[11] 阮起楠．预应力混凝土管桩[M]．北京：中国建材工业出版社，2000．

光纤传感技术论文篇4

论文摘要：介绍了一种在玻璃基板上切割v型槽并对v型槽纤芯距进行高精度测量的光纤偏振光干涉仪，该系统包括光源、偏振器、偏振控制器、波片、自聚焦透镜和探测器组成，并对这种光纤传感器原理进行分析。其理论上其测量精度可达到0.01nm，很好地解决了实际生产中高精度的非接触在线检测，并满足了光通信行业对v型槽纤芯距的实际要求。

引言

在光通信纤维阵列用玻璃基板上刻高精度v型槽（通用型槽间距即纤芯距为127±0.5um和250±0.5um）的关键技术被日韩等少数国家垄断，国内使用的光纤阵列用v型槽基板均需要依靠进口，价格昂贵，严重制约了我国光纤到户（ftth）工程的进程。而光通信纤维阵列用v型槽基板是光纤到户工程中必不可少的光器件，主要用于对光纤精确定位生产各种衔接光纤干线与家用光纤之间的信号传输的光器件。

日本在光通信纤维阵列用v型槽基板的加工设备开发上起步较早，也具有较为成熟的技术方案。目前，日本等国家生产光通信纤维阵列用v型基板全部采用高精度的专用切割机，而此类设备日本等发达国家对我国实施禁运，国内部分 企业 与机构也曾尝试对此方面进行研究，皆因为技术难度较高，而最终以失败告终，因此在国内尚属于空白。

在先进的生产制造过程中，非接触的在线检测发挥着越来越重要的作用。在线检测的对象在被测过程中是不断变化着的，因此对检测传感器不仅要求其精度高、稳定可靠、有良好的动态性能、能对快速信号实时响应监控，而且一般要非接触式测量，并便于安装。

本文提出一种新型的光纤偏振光干涉仪，它将偏振光干涉技术和光纤传感技术相结合，能对玻璃基板v型槽的纤芯距进行高精度的在线检测的非接触测量。

1、实验原理设计

即

该线偏振光 的偏振方向与x轴夹角为 。

（1）

被测物 位移 变化一个波长 则合成光 的偏振方向转动了 角。因此，通过检测出偏振方向角 ，即可得到位移 。所以，可将干涉仪的位移测量精度，由一般检测干涉条纹的位相细分转变为检测偏振光的偏振方向角的角度细分；而检测角度细分要比检测位相细分精度高，从而可得到较高的测量精度。

由式(1) 可得位移 的变化量 。如 ，当角度检测精度 时，则可测得位移精度 ；而当 时，则 ，因此光纤偏振光干涉仪可以具有很高的灵敏度和精度。

2、 测量实例及结果

本项目结合光学精密测量技术实现通用切割机主轴的精确定位，通过设计稳定的工作平台，选用硬度合适的刀具，选择最佳的切削参数，完成v形槽的亚微米超精密机械加工，尽可能减少由于机械方面引起的切割误差。

实际切割原理如图2所示，在实际中，算机通过控制偏振角度 的值来控制刀移动的位置来实行对玻璃基板上对v槽纤芯距的切割。实际切割的产品如图3所示。该图是8通道纤芯距为250um的v型槽的放大图。

如图4是 计算 机显示屏显示的控制情况。从图可以看出，该系统可以很好地监控实际加工情况。

3、 结论

本项目开发出具有独立知识产权的基于迈克尔逊干涉仪实时测量监控系统。该系统已经用于玻璃基板v型槽加工的实时检测中，有效地保证的光通信用玻璃基板v型槽的精度要求，并在国内率先批量生产出高良率的光纤通信用玻璃基板v型槽，有利于推动我国光纤到户工程。

参考 文献

[1]胡永明. 全保偏光纤迈克尔逊干涉仪[j]。 中国 激光,1997 ,24 (10) :892 - 894

[2] olsson b e , karlsson m , andrekson p a. polarization mode dispersion measurement using a sagnac interferome ter and a comparison with the fixed analyzer method [j] .ieee photo. tech. lett. , 1998, 10 (7): 997 - 999

光纤传感技术论文篇5

关键词：光纤光栅 桥梁监测应变

中图分类号： TU997 文献标识码： A 文章编号：

一般在桥梁施工监测中常用传感器为振弦传感器、金属应变片等，随着科技的技术光纤传感器越来越受到人们的关注，与传统的传感器相比其具有测量精度高、动态范围大、频带宽并可实现绝对测量以及抗电磁干扰、耐腐蚀的特点。

本文基于城市高架桥盖梁的施工过程，在其典型受力位置埋入光纤光栅应力和温度传感器，对其各典型施工阶段进行理论应力和实测应力的对比分析。

光纤光栅传感技术

光纤是光导纤维的简称，一般由纤芯、包层、涂覆层构成，是一种多层介质结构的圆柱体光学纤维。纤芯和包层为光纤结构的主体，其主要材料是二氧化硅，对光波的传播起着决定性作用，纤芯的折射率比包层的折射率稍大，但满足一定的入射条件时，光波就沿着纤芯向前传播。

光栅传感器满足Bragg条件（光波的耦合模理论），也即光纤光栅的中心波长与有效折射率和光栅周期满足下式：

可见，光纤光栅的反射波长主要和光栅周期和有效折射率有关，当光纤光栅感受到外界环境温度变化或应变变化时，不仅会引起光栅周期的变化，而且还会引起有效折射率的变化，从而引起反射光波长的偏移，这就是光纤光栅传感的基本原理。

对于光纤光栅而言，有效折射率的变化主要由弹光效应和热光效应引起，光栅周期的变化主要由热膨胀效应和外界的应变引起。但对于成品的传感器中，弹光效应和热光效应为光纤光栅的特性，可以通过实验进行标定，最后转换成成品中给出了传感器的应变灵敏系数和温度灵敏系数。

光纤光栅埋入与盖梁施工

直立式大悬臂盖梁结构，墩柱尺寸为1.8m*2.0m；盖梁整体形式为T型，悬臂长度为6.6m，根部高度为2.2m，端部高度1.2m。在盖梁理论计算中采用大型有限元软件Midas FEA，为实体有限元模型，在结构建模计算中严格按照结构的实际施工过程进行。施工过程为：

盖梁钢筋的绑扎—盖梁混凝土浇筑—4根N2钢绞线的张拉（浇筑9天后）—一侧右边架设4片小箱梁（N2张拉10天后）—钢绞线N4和N6张拉—全部小箱梁架设—剩余钢绞线张拉（架梁16天后）。

在桥墩盖梁建模中，为提高分析精度，采用四面体单元进行墩柱盖梁的网格划分。采用钢筋单元模拟预应力钢束，根据空间位置关系与混凝土实体单元耦合，同时考虑施工阶段混凝土材料时间依存关系的影响。

图1光纤光栅传感器的埋入

传感器的埋入如图2所示，在预应力张拉及上部结构主梁安装过程中，盖梁上缘结构应力的变化相对较大，集中张拉预应力或大批量安装主梁却未及时张拉预应力，均极有可能造成盖梁根部截面受拉而开裂。为了排除混凝土水化热和其收缩、徐变产生的影响，在盖梁中预埋了光纤光栅温度传感器。

传感器安装在盖梁钢筋绑扎完毕后，混凝土浇筑之前进行。光纤光栅传感器的埋置一般遵循以下顺序：串联传感器、预埋位置的确定、传感器线路的布置、传感器绑扎、引线保护等。

传感器绑扎过程中，扎丝应距离传感器端部约5cm，不应太靠近传感器中部，防止传感器在绑扎过程中受拉或受扭；两端引出线应采用软质细管（如注浆管）进行保护。串联传感器线路布置时，宜沿钢筋走向布置，避免过多的弯曲、缠绕等，其弯曲越小，对传感器波长测量影响越大。

3．测量结果分析

桥梁监控的一个重要目的便是荷载施加前、后盖梁典型截面处应力的变化，以此来推断盖梁的施工质量、钢绞线张拉情况、盖梁的实际受力情形等。此处施工荷载引起的应力变化，指各施工阶段前、后，该盖梁监控测点处应力改变的大小；盖梁根部上缘应力分别为四个测点的平均值。

实测值与FEA值结果对比

4．结语

由上述数据对比分析可知，一次架梁和二次架梁过程中，实测应力值和计算结果相差较大，原因可能为上部小箱梁架设和钢绞线张拉顺序的改变，对悬臂盖梁根部截面产生较大的应力起伏，施工过程中应引起足够的重视。应力变化趋势均与理论计算值有较好的吻合，说明光纤光栅传感器在测量由于荷载引起的盖梁典型截面应力变化时，其数据结果准确，误差较小，光纤光栅传感器在该盖梁施监控中发挥了良好的作用。

参考文献：

1周建华. 光纤光栅传感器应变传递特性研究[D].武汉理工大学硕士学位论文

2李志刚，唐小平. 基于光纤光栅传感器的混凝土梁应变检测[J].解放军理工大学学报（自然科学版）

光纤传感技术论文篇6

本书为第11届意大利传感器与微系统会议的论文集，其中精选了具有代表性的会议论文。这次会议展示了在传感器与微系统领域的理论模拟与实际应用的最新成果。传感器与微系统是一个新兴的交叉学科，其涉及到物理、化学、材料科学以及生命科学等领域。

本书共分为六部分，第一部分为化学传感器，主要介绍了：可调谐二极管激光光谱仪原位测量平流层微量气体；四苯基卟啉在高有序热解石墨上的组装：前所未有的吸附压缩驱动的双层模式组装；一种室温下的基于铂／氧化铱复合物的氧气传感器；聚合物涂层的长周期光栅作为高灵敏度化学传感器；用于低温下检测氢气的光纤传感器；溶剂对复合薄膜形貌和传感特性的影响；纳米钛对气体的传感性质；基于二元金属的碳水化合物传感装置；一种快速检测牛奶中M1黄曲霉素的便携式荧光计；利用光学传感器检测橄榄油的质量；质量标准体系在计划、设计和实现厚膜气体检测器中的应用；基于单壁碳纳米管的光纤传感器；合成且表征用于二氧化氮检测的纳米材料；铂金元素作为覆盖层的P型一氧化钛薄膜用于对氢气的检测；包含银纳米簇的氟化聚亚酰胺纳米复合薄膜用于对有机气体的光学检测等等。第二部分为物理传感器，主要介绍了荒芜环境中的固体定位风速计；一种具有溅射内核的二维平面磁通量阀门；一种用于探测RF电场的光学探针；通过拉曼散射来测量多孔硅结构的应力；对热传感器的一种十分有效的计算机模拟模型；对硅化铬应力传感器的认识。第三部分为生物传感器，主要介绍了基于不定型硅基器件检测DNA分子；抑制酪氨酸酶的有机相酶传感器；用于人乳头瘤病毒检测的DNA压电生物传感器；用于检测硬质小麦安全型的用户友好的电化学手持设备；采用SPR成像技术来研究DNA―DNA生物分子的相互作用。第四部分为微米纳米技术，主要介绍了实验室芯片技术对基因进行分析；利用硅基玻璃芯片对化学物质进行快速光学检测；采用不同导电纳米颗粒来控制复合材料聚合物的传感性质；采用电化学刻蚀硅片的方法制备嵌入式微通道；采用超声束沉积方式制备具有气体传感的金属氧化物／有机物杂化材料；聚焦离子束刻蚀用于气体传感技术；一种模拟IPMC传感器的软件工具；对印迹二氧化钛纳米粒子的合成与表征；机车安全与舒适度测量；悬臂梁的强制型阻尼振动。第五部分为传感器阵列和多重传感系统，主要介绍了整合型微重力化学物质检测装置；采用杂化电子鼻原位检测硫质喷气孔火山口喷发的火山气体；对主要公路旁的漂浮粒子和氧化氮化合物的检测；多传感器布局在敌对环境中的机器人。第六部分为传感器网络和对传感器的数据分析，主要介绍了对于无线传感器网络的概览：对ZGIGBEE网络架构一瞥；动态场景下尘埃传感器网络：在城市环境中普遍应用性能的研究；一种配置了IEEE 802.15.4的移动设备的便携式软件工具；一种神经光谱分类的光学传感器；对城市环境污染检测无线网络设备的设计；应用多传感器微型化系统对橄榄油进行评价。

本书几乎涵盖了传感器方面的所有方向，包括化学、物理、生物以及传感器构架等等。相信从事任何传感器研究方向的科研人员都会在本书中找到有参考价值的内容。

光纤传感技术论文篇7

【关键词】光纤光栅传感器 数据采集 光纤布拉格光栅

光纤传感器是通过检测光信号来测量环境中参量变化（生物量、物理量或化学量），这些参量变化会引起光的传输特性变化。光纤传感器有很多种类，按照传感机理它可以分为强度型、干涉型和光纤布拉格光栅型这三种。这其中光纤布拉格光栅不仅具有强度型和干涉型的优点，并且具有波长分离能力强、灵敏度高、传感精度好、抗干扰能力强等优势。光纤光栅传感器有着很大的发展前途，它可以在需要精确定位或者是绝对数字测量时，可以构成多光栅空间分布单一光纤传感网络系统。

本文研究的基于光纤光栅的数据采集，光纤光栅传感器即采用的是光纤布拉格光栅，光纤光栅的原理如图1所示。

光纤布拉格光栅的中心波长随着外界环境参量的变化而随之变化，它广泛应用于压力、温度、应变等参数的测量。

一、基于光纤光栅数据采集系统的组成

（一）光纤光栅传感系统

该系统通过光纤光栅传感器采集数据，这是该数据采集系统的前提条件。不同功能的光纤光栅传感器能够将不同的物理参量如温度、压力、应变和加速度等调制为相对应的光栅波长。光纤光栅传感器输出光波以后直接通过光缆便可以进行远距离传送。

（二）光纤光栅网络分析系统

该系统作用是将光纤光栅传感器采集的光信号经光缆的远程传输后，将光信号转化为数字量并以物理参量的方式在计算机终端记录、显示或存入数据库中。

该系统主要由光开关、光纤光栅解调仪及光纤跳线组成。光纤光栅解调仪的作用是将光纤光栅中心波长解调为数字信号。光开关的主要作用是将多路光信号一起或是分别进入光纤光栅解调仪，这样就克服了光纤光栅通道数不能满足工程应用的缺点。

（三）光纤通讯传输网络

该系统由光缆和光纤适配器等组成。光缆是光信号传输的通道，光纤适配器连接光缆且损耗很低，这样就可以避免工程现场的光纤熔接。单桥监控室采用光缆以低损耗方式接连光缆，将远距离采集的光信号引入中心监控室的数据处理及分析系统上。

（四）数据处理及分析系统

该系统是对采集后的数据进行预处理且分析，为后续系统的基础。该系统是由软件系统组成，在现场工控机上运行，为专家评估系统奠定坚实的基础平台，是后续工作提供可靠的依据。

二、数据采集系统的设计

在光纤数据采集系统中，首先运用了多线程技术，以保证数据采集、实时显示界面和数据存储同时进行；其次，运用数据安全队列来保护线程之间数据安全传递的同时，还要使采集到得数据可以在最快的时间内得到显示，最后在VS平台下实现数据采集系统程序，由于VS库函数和空间丰富，编程环境界面友好，使得软件不仅界面漂亮，而且开发难度大大的降低。数据采集的流程图3-5所示。

在基于光纤光栅数据采集系统中，为了使数据采集、储存和实时显示同时进行，必须采用多线程技术。此外，还可以采用数据安全队列使采集到的数据能够在最快时间实现显示并能够保护线程之间数据的安全传递。由于VS平台下库函数和空间丰富、界面友好，采用VS平台实现数据采集系统程序可以使开发难度大大降低且软件界面漂亮。数据采集的流程图如图2所示。

三、数据采集系统的程序实现

随着社会的发展，大型桥梁的安全问题越来越受到人们的重视，为了保证桥梁运行的安全性、可靠性及耐久性等，研究表明，得到科学管理的桥梁有着更好的安全性以及耐用性，桥梁健康监测系统已经是桥梁建设中不可少的一部分，数据采集系统则是整个监测系统的基石。对于桥梁健康监测来说，传感器具有数量大、种类多，信号采集的储存实时性高等要求，这样对于数据采集和处理系统有较高要求。本文以武汉某大型斜拉桥为例，研究基于光纤光栅的数据采集系统的软件设计及具体实现。

根据要求，传感器数据采集系统能够提供监测数据。以某斜拉桥为例的健康监测系统中，系统采用光纤光栅应力传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅位移传感器、压电式低频加速度传感器等等监测斜拉桥应力、温度等参数。本文主要针对的是光纤光栅型传感器，将采集到的光信号通过光缆传输后经过解调仪解调，最后通过网口对解调仪采集到数字信号存入数据库中，为后续监测系统做准备。

光纤光栅解调仪具有以太网接口，根据实际需要进行网络编程，实现网络程序有很多种方式，Windows Socket是其中比较简单的方法。本系统监测对象比较多并且要求系统实时性高，多线程技术可以满足系统要求，它支持系统一个进程中执行多个线程，多个操作可以在不同线程中同时进行。光信号经解调仪传输后是字节流，可以使用memmove函数对字节流进行分解处理。

（一）光纤光栅传感器的配置

数据采集方案的确定和传输方式的选择一般是根据传感器空间分布情况确定的。斜拉桥的跨度比较大，一般为几百米到几千米，桥上敷设的传感器的数量种类也特别多，这个时候为了减少信号在传输中受到干扰、衰减失真等情况，首先要对传感器进行配置，再选择合适的数据采集方案和传输方式。

数据采集之前要确定传感器的总数、解调仪的数量、所需通道数、采样频率和存储频率等各方面信息。传感器的总数决定了数据传输设备的数量和数据的传输方式。传感器的采样频率是由数据处理系统对数据的要求以及数据本身的动态特性决定的。在进行传感器配置的时，采取四层结构，采用树形控件，应用如图3所示。第一层是光纤光栅系统，第二层是光纤光栅解调仪，第三层是通道，第四层是传感器。在数据采集系统首次运行时要进行初始配置，这样才能提高系统的运行速率。传感器配置有两种方式，一种是在界面进行配置，第二种是修改配置文件的内容。开始配置时首先将配置信息显示在界面上，对界面进行配置，然后将数据写入数据库。

界面的配置步骤为：光纤系统总配置、光纤光栅解调仪配置、通道配置、传感器配置。将每一个配置的传感器编号，通过传感器编号可以查询具体信息。比如：传感器的名称、类别、位置、初始应变、报警上限、报警下限、标定系数、标定斜率、是否要温度补偿、基准波长、标定波长、所属的解调仪和通道数等信息。

（二）网口采集

武汉某斜拉桥健康监测系统需采集的信号数量大、实时性高、处理较复杂。数据采集系统负责将光纤光栅解调仪的信号通过网口以后，进行数据的采集、分析、转化为相应数据储存，为后续的数据分析处理以及安全评估提供可靠地实时数据。本系统是采用开放式Windows系统平台，软件开发环境为Visual Studio 2005，把任务分成几个独立的线程，使用多线程方式，这样就能够保证数据采集的实时性，用户其他操作也能及时响应，这样提高了利用率和程序的运行效率。

光纤光栅解调仪主要作用是把光纤光栅中心波长解调出来，解调的机理有很多，本系统采用的解调原理是基于F―P滤波器的原理，基于网口的数据采集技术较成熟，解调仪的通信协议为UDP协议，传输速率要求能够完全满足系统要求。

对于UDP无连接的数据报服务，客户机给服务机发送一个含有地址的数据报，客户机和服务器并没有建立连接。服务器是通过调用Recvfrom（）等待客户端数据。基于UDP的socket编程思路为：首先创建套接字（socket），然后将套接字绑定到一个本地端口和地址上，等待接收的数据，最后关闭socket。

根据实际情况开发服务端软件基于UDP的，UDP能够提供端口机制便于UDP用户使用。UDP长度中包括UDP本身长度、源端口、目的端口、用户数据和UDP校验等。实际开发，端口号为5000，首先使用“ping”命令判断测试网络是否连通，原理为发送UDP数据包给对方主机，对方主机回复是否收到数据报，如果回复及时，则网络已经连接，软件流程如下图4所示。

四、小结

光纤光栅传感器使用越来越普遍，本文介绍基于光纤光栅传感器的数据采集监测系统的组成，对数据采集系统进行软件设计和介绍基于网络的数据采集的关键技术，最后对数据采集系统进行实例应用。

参考文献：

[1]柳旭.基于光纤传感技术的桥梁健康监测数据序系统研究：[工学硕士论文].武汉：武汉理工大学，2006

[2]张金涛.基于光纤光栅传感网络的健康监测技术：[工学硕士论文].黑龙江：黑龙江大学，2005

光纤传感技术论文篇8

关键词：光纤技术；创新思维；能力培养

[中图分类号] G642.2 [文献标识码] A [文章编号] xxxxx-xxxx-xxxx

一、引言

自从进入二十一世纪以来，国家对先进科学技术的重视程度不断增强。科技是第一生产力成为中国当前科技行业的重要指引。创新科技与创新教育成为了国内高校关注的重要方向。光电技术作为先进的近代科技发展行业技术，也相应受到了国内高校的特别关注，光电教育随之蓬勃发展起来，在光电教育中的创新能力培养也不断深入发展。光纤作为承载了当代信息传输交换的主要媒介，在光电教育领域则格外受到青睐。国内光电教育方向几乎都从不同角度开展了光纤教育。光纤本身的诞生、发展、成熟、提高的历史进程中，也充满了令人钦佩的诸多创新节点。比如光纤之父高琨对光纤的预言、多种多样特性的光纤的研制、光纤内的波分复用、光纤放大器等等无不蕴含着简单而又引人深思的创新实践。本文将以《光纤通信》《光纤传感技术》等光纤技术类本科课程教学为平台，努力探索分析光纤中的创新活动，实时的与课堂学生共同分享光纤发展史中的创新点；共同探讨前人创新的特点与产生源泉；尤其关注引导学生的换位思考方式，努力探索当代光纤发展中的创新实践；从而在教学过程中形成课堂教学与探讨共存，学习与创新思考并进的教学模式，为专业课程教学发展改革提供一定的借鉴作用。

二、认知创新能力培养

在光纤技术类知识体系中，创新发展是光纤技术快速稳定发展壮大的重要源泉。光纤通信以及光纤传感课程的教学过程中，光纤的发展史就是一部源泉开创、艰难发展、柳暗花明、创新加速的灿烂历程。早在十七世纪，人们就发现了水柱导光的现象。日常现象衍生出了导光的弯曲玻璃棒。光学射线理论指引下，导光的玻璃纤维----光纤随之问世。由此说明，创新源于生活、并青睐于有理论知识准备的人。

相应的，光纤发展过程中几乎难以克服的困难摆在了世人面前。当时获取的导光玻璃纤维的损耗非常之巨大，仅仅能近距离的导光传输。二十世纪六十年代，高琨先生发表创新性的论文，指出了光纤损耗的根源以及可行的解决思路，只要能够提纯光纤材料，理论表明一定能够获得长距离通信可用的光纤。此外，高琨还始终致力于游说世界各国的科技公司开展低损耗光纤的研发工作。直至1970年，康宁公司按照高琨的思想，成功研制出损耗低于20 dB/km的光纤产品。榜样的力量是无穷的，很快，世界各国多个公司开展了一系列的光纤研发，到1975年，损耗0.16dB/km的常规光纤正式问世。光纤技术的发展也正式进入了快速发展阶段。因此，创新留给有扎实理论分析能力的人，创新实践留给有恒心有毅力的长期推广应用研究并坚信科学理论的人。高琨先生因此获得了2009年诺贝尔物理学奖。

光纤的发展历史中，光纤雏形的诞生以及当代光纤的问世就是典型的创新结果。我们在光纤课程教学过程中，以历史发展为主要脉络，引导学生认识、了解当时的研究背景与历程，认识创新产生的细致过程，并培养学生理解、认识前人的创新成果，为学习创新奠定基础。

三、分析创新能力培养

光纤课程的课堂讲授中，在传授知识的同时，特别关注一些学习的知识点在当年诞生时的创新。也就是说，在课堂讲授中从众多知识点中仔细梳理出的前人的创新工作，并对这些创新工作的产生缘由进行引导性研讨，通过深入的发掘分析，探究前人的创新思想产生的思维方式与知识环境基础等，为培养学生的创新思维并养成创新思维做好充分的铺垫。

光纤课程中，讲授到了光纤通信系统中，早期常用的光探测器是PN半导体光电二极管。但是，对于PN型光电二极管，从结构分析上，介绍了它的耗尽层尺寸有限，导致接收光信号被结区以外的P或N区吸收。这时，产生的电子-空穴对因结区外的电场力很小而运动缓慢，这些电荷产生的微小电流将导致PN型光电二极管对入射光信号的响应度降低，同时还额外产生了一定的时延，导致PN型光电二极管的上升时间有点长，只能用于微秒量级一下的响应系统。面对这个问题，我们在课堂上提出了一些讨论问题：“前人是如何解决的呢？”，“如果是我们面对这个问题，有没有什么解决方案？”。然后，再陈述前人的解决方案，介绍PIN型光电二极管，通过增加一层本征半导体材料，扩大了耗尽区，使得入射光充分照射在耗尽区内，而且绝缘特性使得绝大部分二极管电压落在这一层，因而其内部场强非常强。最终，PIN管的检测效率与响应速度都得到的明显的改进。这个创新的改进在于接收光结构增大改进以及绝缘材料上的压降特性应用的成果。一方面是问题出现，牵引人们思考如何解决问题，另一方面，人们充分认识了解决问题的手段并掌握了相关技术基础理论且进行了灵活运用。

通过课堂上的创新过程介绍分析阐述，引导学生在学习知识的同时，不断的考虑换位思考解决问题的方法，仔细分析前人的创新思维流的前因后果，进而养成勤学多想的思维习惯，为自身的创新思维养成做好基本的准备。

三、发展探索创新能力培养

我们的课堂不仅仅是传授知识、分析问题的课堂，也是与青年大学生共同探索新知识、创新技术的平台。传授知识的目的就是要学生掌握知识并学会运用知识，更为重要的是，在传授知识的同时，我们要引导学生探索新世界、发展新世界，培养学生具有浓厚的探索兴趣与基本的创新能力。如何培养发展探索创新能力，问题本身就始终是人类不断探索发展的课题。我们对此在课堂教学中进行了一系列的尝试性探索，着力引导学生向创新型人才的方向不断的努力。

光纤技术类课程在近年来受到了全国众多高校的重视，相应的课程也纷纷建设起来并逐渐走向成熟。光纤通信领域的巨大成就一方面给光纤类课程教学提供了充分的题材，另一方面也仍然存在着很多未知的、诱人的难题等待人们的破解。这为我们的教学实践过程中努力培养学生的发展探索创新能力提供了充分的土壤。

高速光纤通信所面临的重要问题就是如何扩容再扩容。现有光纤的色散问题、非线性问题成为限制光纤通信高速大容量的重要瓶颈之一。就此，我们在课堂上大胆进行了无限制的讨论。结合非线性四波混频问题，同学们指出了色散可以影响四波混频的成立条件。对于高功率脉冲传输，同学们建议是否可以尝试不同波长复用的脉冲在时间上交叉复用。诸如此类的问题讨论，使得课堂气氛热烈。这里讨论的问题是否能够有效或充分达到应用需求无需探究，但是，讨论的学习效果明显大大超过了简单的单向型知识传授的效果。可见，研讨教学本身尤其结合着探索创新能力培养的深度目标，将大大有助于大学本科专业知识教育与学术领域引进的教育目标的高效快速达成。

四、创新能力培养教育不能是无本之木

教学与研讨组成的创新能力培养的教学平台是大学教育的追求与近年来各个高校的建设目标。本文提出了创新能力培养的认知创新、分析创新、探索创新的三步走教学实践路线图，对创新教学具有一定的借鉴意义。但是，我们必须清醒的认识，创新能力培养不能是口号，更不能是无本之木、无水之源。

创新能力培养本身是创新思维逻辑的养成，但创新能力培养更为重要的基石就是充分的基础知识。只有学好、掌握好并能够运用好人类浩瀚知识中的一粟，才能在创新思维火花闪亮的时刻，点燃积累的知识，照亮通向创新成就的大道。

光纤技术教学中，创新能力三步走培养的过程中，我们不断强调学生做好创新必需的准备，那就是学好光纤技术基础知识。创新成就、辉煌时刻永远是留给99%的做好了充分准备的人以及1%的上帝的宠儿。我们是上帝的宠儿吗？所以我们还是努力做好充分的准备吧。

五、结束语

本文综合介绍了光纤技术课程的作用与当前大环境下的重要地位，发掘其在教学过程中培养创新思维的作用，提出了认知创新、分析创新并探索发展创新的创新思维能力培养三步走的基本思路，并特别强调了创新必然源于强大的知识背景与灵活的创新思维逻辑。希望本文初步的创新思维能力培养研讨为中国大学本科专业课程教学中的创新能力培养提供一定借鉴。

参考文献

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[3] 孙真荣. 积极推进学科交叉融合 全面提升高校创新能力[J]. 中国高等教育，2013（01）.

[4] 白春艳， 谢彦红， 李金卿. 从大学数学教学改革谈学生创新能力培养[J].吉林省教育学院学报（上旬刊）， 2013（06）.

作者简介

张学亮（1975-），男，山西怀仁人，国防科学技术大学光电科学与工程学院，副教授，博士。研究方向，光纤技术。