時(shí)間：2023-03-20 16:21:21
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光纖傳感器主要由光源、光纖與探測器3部分組成，光源發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖，經(jīng)光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū)，在調(diào)治區(qū)內(nèi)，外界被測參數(shù)作用于進(jìn)入調(diào)區(qū)內(nèi)的光信號(hào)，是其光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、波長等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過光纖送入光探測器而獲得被測參數(shù)，光纖傳感器中的光纖通常由纖芯、包層、樹脂涂層和塑料護(hù)套組成，纖芯和包層具有不同的折射率，樹脂涂層對光纖起保護(hù)作用，光纖按材料組成分為玻璃光纖和塑料光纖；按光纖纖芯和包層折射率的分布可分為階躍折射率型光纖和梯度折射率光纖兩種。光纖能夠約束引導(dǎo)光波在其內(nèi)部或表面附近沿軸線方向向前傳播，具有感測和傳輸?shù)碾p重功能，是一種非常重要的智能材料。
2.光纖傳感器的類型及特點(diǎn)
光纖傳感器的類型很多，按光纖傳感器中光纖的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。
傳感型光纖傳感器又稱為功能型光纖傳感器，主要使用單模光纖，光纖不僅起傳光作用，同時(shí)又是敏感元件，它利用光纖本身的傳輸特性經(jīng)被測物理量作用而發(fā)生變化的特點(diǎn)，使光波傳導(dǎo)的屬性(振幅、相位、頻率、偏振)被調(diào)制。因此，這一類光纖傳感器又分為光強(qiáng)調(diào)制型，偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等幾種。對于傳感型光纖傳感器，由于光纖本身是敏感元件，因此加長光纖的長度可以得到很高的靈敏度。
傳光型光纖傳感器又稱非功能型光纖傳感器，它是將經(jīng)過被測對象所調(diào)制的光信號(hào)輸入光纖后，通過在輸出段進(jìn)行光信號(hào)處理而進(jìn)行測量的。在這類傳感器中，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠?qū)饫w所傳遞的光進(jìn)行調(diào)治的敏感元件才能組成傳感元件。
3.光纖傳感器的應(yīng)用
光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國民經(jīng)濟(jì)的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場需求。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面的應(yīng)用:
(1)城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強(qiáng)塑料及各種復(fù)合材料中，用于測試應(yīng)力松弛、施工應(yīng)力和動(dòng)荷載應(yīng)力從而來評(píng)估橋梁短期、施工階段和長期營運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。
(2)在電力系統(tǒng)，需要測定溫度、電流等參數(shù)，如對高壓變壓器和大型電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測等，由于電類傳感器易受強(qiáng)電磁場的干擾，無法在這些場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實(shí)時(shí)測量空間溫度場分布的高新技術(shù)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還具有對光纖沿線各點(diǎn)的溫度的分布式傳感能力，利用這種特點(diǎn)我們可以連續(xù)實(shí)時(shí)測量光纖沿線幾公里內(nèi)各點(diǎn)的溫度，定位精度可達(dá)米的量級(jí)，測溫精度可達(dá)1度的水平，非常適用于大范圍多點(diǎn)測溫的應(yīng)用場合。
(3)在石油化工系統(tǒng)、礦井、大型電廠等，需要檢測氧氣、碳?xì)浠衔?、CO等氣體，采用電類傳感器不但達(dá)不到要求的精度，更嚴(yán)重的是會(huì)引起安全事故。因此，研究和開發(fā)高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有效地實(shí)現(xiàn)上述檢測。
(4)在環(huán)境監(jiān)測、臨床醫(yī)學(xué)檢測、食品安全檢測等方面，由于其環(huán)境復(fù)雜，影響因素多，使用其它傳感器達(dá)不到所需要的精度，并且易受外界因素的干擾，采用光纖傳感器可以具有很強(qiáng)的抗干擾能力和較高的精度，可實(shí)現(xiàn)對上述各領(lǐng)域的生物量的快速、方便、準(zhǔn)確地檢測。目前，我國水源的污染情況嚴(yán)重，臨床檢驗(yàn)、食品安全檢測手段比較落后，光纖傳感器在這些領(lǐng)域具有極好的市場前景。
(5)醫(yī)學(xué)及生物傳感器。醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用光纖輻射劑量計(jì)、呼吸系統(tǒng)氣流傳感系統(tǒng);圓錐形微型FOS測量氧氣濃度及其他生物參數(shù);用FOS探測氫氧化物及其他化學(xué)污染物;光纖表面細(xì)胞質(zhì)粒基因組共振生物傳感器;生物適應(yīng)FOS系統(tǒng)應(yīng)用于海水監(jiān)測、生化技術(shù)、醫(yī)藥。
光纖傳感器在實(shí)踐中運(yùn)用到的例子舉不勝舉，這些技術(shù)都是多學(xué)科的綜合，涵蓋的知識(shí)面廣，象光纖陀螺，火花塞光纖傳感器，光纖傳感復(fù)合材料，以及利用光纖傳感器對植物葉綠素的研究等等；隨著科技的不斷進(jìn)步，越來越多的光纖傳感器將面世，它將被應(yīng)用到生產(chǎn)生活的每一個(gè)角落。
4.光纖傳感器的技術(shù)發(fā)展方向
光纖傳感技術(shù)經(jīng)過20余年的發(fā)展也已獲得長足的進(jìn)步，出現(xiàn)了很多實(shí)用性的產(chǎn)品，然而實(shí)際的需要是各種各樣的，光纖傳感技術(shù)的現(xiàn)狀仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要。目前，光纖傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向是。
(1)傳感器的實(shí)用化研究。即一種光纖傳感器不僅只針對一種物理量，要能夠?qū)Χ喾N物理量進(jìn)行同時(shí)測量。
(2)提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低其成本，設(shè)計(jì)復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)工程。注意分布式傳感器的參數(shù)，即壓力、溫度，特別是化學(xué)參數(shù)(碳?xì)浠衔铩⒁恍┪廴疚?、濕度、PH值等)對光纖的影響。
(3)傳感器用特殊光纖材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖的研究等。這些將是以后傳感器進(jìn)一步發(fā)展的趨勢。
(4)在惡劣條件下(高溫、高壓、化學(xué)腐蝕)低成本傳感器(支架、連接、安裝)的開發(fā)和應(yīng)用。
(5)新傳感機(jī)理的研究，開拓新型光纖傳感器。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：光纖傳感；軍隊(duì)人才培養(yǎng)；課程建設(shè)與改革
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）09-0065-04
一、引言
光纖傳感技術(shù)是一門基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用緊密結(jié)合、理論與實(shí)踐能力并重的系統(tǒng)學(xué)科，既要求學(xué)員有扎實(shí)的光學(xué)、電學(xué)基礎(chǔ)，又要求學(xué)員能夠擺脫課本的束縛、根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用靈活運(yùn)用已學(xué)到的知識(shí)。為適應(yīng)這一形勢，2006年以來，我們針對技術(shù)類本科生、軍事指揮類本科生、碩士研究生和博士研究生的不同特點(diǎn)和未來適應(yīng)部隊(duì)工作的不同要求，建立了光纖傳感技術(shù)系列課程。
作為一門應(yīng)用學(xué)科，“學(xué)以致用”是光纖傳感技術(shù)系列課程的特色之一。為此，課程建設(shè)非常注重學(xué)員對課程知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用能力培養(yǎng)，在教學(xué)實(shí)踐中，結(jié)合課程特點(diǎn)和授課對象的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，大力推進(jìn)教學(xué)方法與手段的研究改革，在多層次一體化課程體系建設(shè)、教學(xué)方法與手段改革、創(chuàng)新人才培養(yǎng)、教師隊(duì)伍建設(shè)等方面取得了較大成績，下面分別進(jìn)行介紹。
二、光纖傳感技術(shù)多層次一體化課程建設(shè)
我校早在上世紀(jì)90年代就開設(shè)了《光纖傳感技術(shù)》課程，并作為光纖傳感專業(yè)研究生的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，為培養(yǎng)光纖傳感技術(shù)人才起到了不可替代的作用。然而隨著光纖傳感技術(shù)在現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭中的應(yīng)用越來越廣泛，部隊(duì)對光纖傳感專業(yè)的人才數(shù)量和質(zhì)量要求越來越高。我校原有的只針對研究生展開的《光纖傳感技術(shù)》課程已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)培養(yǎng)部隊(duì)所需人才的緊迫要求。從2004年開始我院開始醞釀對光纖傳感技術(shù)課程進(jìn)行深入改革，將授課對象拓展到全校本科生和本院研究生，并從2006年開始實(shí)行。經(jīng)過6年多的系統(tǒng)建設(shè)，最終建立起了完備的多層次光纖傳感系列課程。
由于本科生和研究生、本專業(yè)和非本專業(yè)學(xué)員、技術(shù)類和軍事指揮類學(xué)員的知識(shí)基礎(chǔ)和應(yīng)用方向差異太大，如何科學(xué)劃分課程層次、清晰明確課程內(nèi)容、準(zhǔn)確定位課程目標(biāo)是光纖傳感系列課程建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
在廣泛調(diào)研軍隊(duì)需求、不同類別學(xué)員的知識(shí)積累和興趣及國內(nèi)外學(xué)校同專業(yè)的課程設(shè)置基礎(chǔ)上，我們建立起了分別面向本科生和研究生、技術(shù)類和軍事指揮類、本院專業(yè)和全校學(xué)員的光纖傳感系列課程。新增了技術(shù)類《光纖傳感技術(shù)》、軍事指揮類《光纖傳感技術(shù)》，面向全校本科生專題研討課《基于虛擬儀器的光纖傳感技術(shù)》三門課程，原有針對研究生的《光纖傳感技術(shù)》則改為《光纖傳感系統(tǒng)》[1，2]。
（一）建立起針對本院技術(shù)類本科生的《光纖傳感技術(shù)》課程內(nèi)容體系，以“扎實(shí)廣泛的技術(shù)基礎(chǔ)為核心，典型的系統(tǒng)應(yīng)用為亮點(diǎn)”
考慮到授課學(xué)員在學(xué)習(xí)本課程之前已經(jīng)在《光纖通信》、《光電檢測技術(shù)》等課程中對光纖和光纖器件等有初步了解，在本課程中首先介紹光纖傳感技術(shù)的概念和內(nèi)涵，然后針對光纖傳感系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹光纖、光纖器件、光纖傳感原理和光纖傳感信號(hào)解調(diào)原理。這四部分內(nèi)容涵蓋了強(qiáng)度型、偏振型、波長型、相位型和分布式光纖傳感的系統(tǒng)構(gòu)成、傳感原理和關(guān)鍵技術(shù)，為光纖傳感基礎(chǔ)知識(shí)，具有信息量大、知識(shí)點(diǎn)多、覆蓋范圍廣泛的特點(diǎn)；最后以2-3種典型的光纖傳感系統(tǒng)為例，向?qū)W員示范在系統(tǒng)中如何對基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行靈活應(yīng)用，啟發(fā)學(xué)員根據(jù)學(xué)到的基礎(chǔ)知識(shí)來分析理解新型光纖傳感系統(tǒng)。
（二）研究生的《光纖傳感系統(tǒng)》課程以“系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)為核心，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為亮點(diǎn)”
與原有的研究生《光纖傳感技術(shù)》相比，新的課程內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大幅度的改革，突出“系統(tǒng)應(yīng)用”，大幅度削減了光纖傳感基礎(chǔ)知識(shí)，而是以四大類典型光纖傳感系統(tǒng)為授課重點(diǎn)。課程中的四大類典型光纖傳感系統(tǒng)選取了目前應(yīng)用最為廣泛或技術(shù)難度較高的光纖水聽器系統(tǒng)、光纖陀螺系統(tǒng)、分布式光纖傳感系統(tǒng)和光纖光柵傳感系統(tǒng)，針對每一類對其應(yīng)用背景、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，構(gòu)建課本知識(shí)到實(shí)際工程應(yīng)用的技術(shù)橋梁。在講解完每一類典型光纖傳感系統(tǒng)后，特別設(shè)計(jì)了光纖傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要求學(xué)員以分組的形式，根據(jù)特定應(yīng)用背景設(shè)計(jì)出光纖傳感系統(tǒng)，闡明系統(tǒng)特色和關(guān)鍵技術(shù)。
課程調(diào)整所面臨的最大難題在于：學(xué)習(xí)本課程的研究生既包括本校本專業(yè)的學(xué)員，也包括來自于外院和外校的本科非光信息專業(yè)的學(xué)員。對于前者，通過本科生階段的《光纖傳感技術(shù)》學(xué)習(xí)已經(jīng)具備了良好的基礎(chǔ)，在新課程學(xué)習(xí)中應(yīng)盡量避免內(nèi)容重復(fù)；對于后者，直接學(xué)習(xí)典型光纖傳感系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)存在一定難度，需要對光纖傳感基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行介紹。為此，在研究生的《光纖傳感系統(tǒng)》課程中，首先設(shè)定了3個(gè)課時(shí)對光纖傳感基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行回顧和總結(jié)，并點(diǎn)明各部分基礎(chǔ)知識(shí)所涉及的參考書。同時(shí)由于使用了與本科生《光纖傳感技術(shù)》課程同一系列的教材，為解決學(xué)員基礎(chǔ)參差不齊的難題提供了有效的解決辦法，而面向全校的《基于虛擬儀器的光纖傳感技術(shù)》則為畢業(yè)于本校其他專業(yè)的研究生學(xué)員提供了學(xué)習(xí)本課程的基礎(chǔ)。
（三）軍事指揮類本科生的《光纖傳感技術(shù)》課程以“完善學(xué)員知識(shí)結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)，突出軍事應(yīng)用特色為亮點(diǎn)”，為學(xué)員提供裝備相關(guān)知識(shí)基礎(chǔ)
課程針對軍事指揮類本科學(xué)員培訓(xùn)的主要目標(biāo)，將軍事指揮類本科生《光纖傳感技術(shù)》課程的主要任務(wù)確定為拓展軍事指揮類學(xué)員的知識(shí)面，完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，了解最新軍用傳感器技術(shù)，一方面可以充分發(fā)揮我軍現(xiàn)有裝備的作戰(zhàn)效能，另一方面可以掌握外軍作戰(zhàn)手段，有效克敵制勝。課程簡化了基礎(chǔ)知識(shí)部分內(nèi)容，擴(kuò)充了典型光纖傳感部分，特別是注重光纖水聽器、光纖陀螺和分布式光纖傳感器在軍事中的應(yīng)用，并拓展光纖水聽器在聲納系統(tǒng)應(yīng)用中的相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)員在進(jìn)行工作崗位后可以更快的掌握相關(guān)裝備的使用和維護(hù)。
（四）面向研究生的《虛擬光纖傳感技術(shù)》以“引導(dǎo)學(xué)員自主學(xué)習(xí)為核心，激發(fā)學(xué)員獨(dú)立思考為亮點(diǎn)”
課程以光纖傳感技術(shù)中相干檢測技術(shù)為背景，以虛擬儀器技術(shù)為手段，通過一個(gè)具體實(shí)例為研討對象，讓學(xué)員一邊學(xué)習(xí)新知識(shí)，一邊動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，一邊學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)。課程首先在學(xué)員高中已經(jīng)具備的光學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)上講解干涉型光纖傳感的基本內(nèi)容，然后引導(dǎo)學(xué)員自習(xí)LabVIEW虛擬儀器語言，通過研討學(xué)習(xí)心得讓學(xué)員掌握LabVIEW基本知識(shí)，最后要求學(xué)員利用所學(xué)知識(shí)和工具完成光纖傳感中一個(gè)典型信號(hào)處理問題。整個(gè)課程以學(xué)員自己動(dòng)手動(dòng)腦為主，精選了一門易學(xué)好用的虛擬儀器語言LabVIEW，使學(xué)員可以在四到五次課的時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)，并結(jié)合光纖傳感技術(shù)系列課程的建設(shè)成果，讓學(xué)員可以在課程上針對典型的干涉型光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)，一方面提升了學(xué)員的學(xué)習(xí)的積極性，另一方面加強(qiáng)了學(xué)員的自信心，并為學(xué)員以后的創(chuàng)新實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。
三、教學(xué)方法與手段改革
在教學(xué)過程中，在教學(xué)方法和教學(xué)手段上也進(jìn)行了一系列的改革，使用了大量的新技術(shù)、新手段、和新的教學(xué)方式。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（一）充分運(yùn)用科研成果和虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn)，增加了大量的課堂演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)
在光纖傳感技術(shù)系列課程中引入堂演示實(shí)驗(yàn)，對于加深學(xué)員對知識(shí)的理解效果最為明顯。在課程建設(shè)中，充分利用所在實(shí)驗(yàn)室在光纖傳感技術(shù)研究上的優(yōu)勢，在每門課程講授中都加入了1～2個(gè)課堂演示實(shí)驗(yàn)。
與專門的實(shí)驗(yàn)課不同，課堂演示實(shí)驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)效果上，通常都是完整的光纖系統(tǒng)，包括光源、光傳輸鏈路、光接收模塊、顯示模塊等等，并注重演示效果。以往的光纖系統(tǒng)雖然功能性明顯，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。近年來，課題組所在的實(shí)驗(yàn)室在光纖傳感系統(tǒng)的工程可靠性研究上投入了大量精力，一些便攜式高可靠性的光纖傳感集成模塊在科研項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用；這些科研成果的突破使得在課堂上演示一些復(fù)雜的光纖傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成為可能[5]。另一方面，由于虛擬儀器技術(shù)在光纖傳感技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，復(fù)雜的信號(hào)解調(diào)可以通過電腦直觀的顯示在課堂多媒體系統(tǒng)中，“所見即所得”的方式使得課堂演示實(shí)驗(yàn)的效果非常直觀和可信。以研究生的《光纖傳感系統(tǒng)》課程為例，我們選取了光纖光柵應(yīng)變系統(tǒng)作為課堂演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在硬件上，這套系統(tǒng)的光收發(fā)模塊為集成化的便攜式光纖光柵解調(diào)儀，采用法蘭盤對接可串接起多個(gè)光纖傳感陣列；而復(fù)雜的信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)則全部通過虛擬儀器技術(shù)在電腦上軟件實(shí)現(xiàn)，解調(diào)結(jié)果直接顯示在電腦程序界面中。通過這套系統(tǒng)，我們完整地演示了光纖傳感器設(shè)計(jì)、光纖傳輸鏈路構(gòu)成、復(fù)用光纖傳感網(wǎng)絡(luò)、和光纖傳感信號(hào)解調(diào)等多項(xiàng)知識(shí)內(nèi)容，學(xué)員普遍反映通過這一演示實(shí)驗(yàn)對光纖傳感系統(tǒng)有了清晰深刻的了解。
（二）借鑒國外大學(xué)相關(guān)專業(yè)的教學(xué)模式，在考核中引入小型綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，充分考察學(xué)員的綜合素質(zhì)
課題組的兩位教員具有國外留學(xué)的經(jīng)歷，在課程建設(shè)中充分參考國外大學(xué)在光纖傳感技術(shù)課程的教學(xué)方法，在作業(yè)環(huán)節(jié)引入小型光纖傳感綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容，并將其作為課程考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的一部分，實(shí)現(xiàn)對學(xué)員綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和考核評(píng)價(jià)。
光纖傳感綜合設(shè)計(jì)參考了香港理工大學(xué)和英國南安普頓大學(xué)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以對知識(shí)的綜合運(yùn)用為主要考察目標(biāo)。本科生光纖傳感技術(shù)采用適當(dāng)?shù)木C合設(shè)計(jì)題目難度，重視對知識(shí)融會(huì)貫通和綜合應(yīng)用能力的考察，一般在授課過程中只進(jìn)行1次；研究生除了要求基礎(chǔ)知識(shí)綜合應(yīng)用能力，更注重對實(shí)際工程應(yīng)用系統(tǒng)的完整性和前沿問題的拓展性考察[6]，一般則開設(shè)2～3次。綜合設(shè)計(jì)作業(yè)由學(xué)員分組完成，小組內(nèi)成員根據(jù)資料調(diào)研、方案設(shè)計(jì)、報(bào)告撰寫等工作內(nèi)容的不同進(jìn)行明確分工，并推選一位組員參加課堂專門設(shè)置答辯環(huán)節(jié)。
（三）針對授課內(nèi)容的層次劃分和授課對象的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，科學(xué)合理設(shè)置研討專題
研討式教學(xué)我校近年來大力推廣的教學(xué)方式之一。由于光纖傳感技術(shù)具有經(jīng)典與前沿相結(jié)合、理論與工程應(yīng)用相結(jié)合的特點(diǎn)，在系列課程建設(shè)中，課題組在原有研究生《光纖傳感技術(shù)》的研討式專題內(nèi)容基礎(chǔ)上，進(jìn)行了深入的思考和大膽的拓展，將課程中的研討專題劃分為三大類：經(jīng)典理論知識(shí)的研討、前沿研究的研討和學(xué)位論文研究方法的研討。
經(jīng)典理論知識(shí)的研討要求學(xué)員在授課之前對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，并在課堂上對全體學(xué)員講解自己對該問題的理解。如在進(jìn)行“光纖干涉儀傳感系統(tǒng)”的授課時(shí)，要求學(xué)員預(yù)習(xí)時(shí)弄明白兩個(gè)問題：什么是隨機(jī)相位衰落？什么是偏振誘導(dǎo)信號(hào)衰落？進(jìn)行研討時(shí)不要求學(xué)員對這兩個(gè)問題進(jìn)行深入剖析，但要求學(xué)員用精煉的語言闡明問題的物理含義。學(xué)員普遍認(rèn)為這種研討專題不是特別復(fù)雜，通過預(yù)習(xí)教材即可，但大部分學(xué)員會(huì)準(zhǔn)備PPT課件，且自愿上講臺(tái)講述的學(xué)員一般在以往的學(xué)習(xí)過程中接觸過與該專題相關(guān)的研究工作，因此在其課件上還會(huì)加入自己以往的工作、自己對該問題的擴(kuò)展認(rèn)知及自己尚未弄明白的問題等。這種教學(xué)效果是在深入了解學(xué)員的知識(shí)積累基礎(chǔ)上，通過巧妙設(shè)置研討專題取得的。
前沿研究的研討要求學(xué)員進(jìn)行大量的資料查閱，特別是光纖傳感前沿研究課題的查閱。對于某一個(gè)問題，由于課堂講授的時(shí)間受限或者教材中沒有系統(tǒng)的描述，對該問題的課堂講授可能不夠全面，在這種情況下，教師會(huì)提供相關(guān)信息，要求學(xué)員查閱該文獻(xiàn)并進(jìn)行精讀，然后在課堂上進(jìn)行研討。這種研討專題分為兩種：一種是教師提供明確的檢索信息，由學(xué)員查閱到該文獻(xiàn)后精度文獻(xiàn)，分析文獻(xiàn)的精華及不足；另一種則是教師提供所要解決的問題，由學(xué)員對該問題進(jìn)行解讀，提煉關(guān)鍵檢索信息，進(jìn)行檢索后，對檢索文獻(xiàn)進(jìn)行初步分析，總結(jié)該問題的研究現(xiàn)狀。學(xué)員反映這種研討專題的難度稍大于第一種，但一般稍花時(shí)間都能解決。
學(xué)位論文研究方法的研討目的在于：無論是本科生還是研究生，在學(xué)習(xí)完相應(yīng)的光纖傳感技術(shù)課程后馬上就要投入到學(xué)位論文工作中。通過對這類問題的研討，學(xué)員逐漸掌握了在未來從事學(xué)位論文研究中必須具備的研究方法，這類的研討主要培養(yǎng)學(xué)員的仿真計(jì)算能力和光纖傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。例如在講授完光纖光柵的基本理論之后，學(xué)員反映耦合模理論的公式很繁瑣，難以一眼看出其中的物理特性，為此，我們安排了相關(guān)理論的仿真計(jì)算研討，要求學(xué)員根據(jù)課堂講授的公式進(jìn)行理論仿真，計(jì)算光纖光柵反射光譜，并繪制帶寬、反射率等關(guān)鍵參數(shù)隨著光柵參數(shù)的變化曲線。學(xué)員在課堂研討時(shí)要講述自己的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置和仿真結(jié)果。通過這種研討方式，學(xué)員對光纖光柵的反射譜特性建立了深入的了解，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于課堂直接講授相關(guān)結(jié)論。
根據(jù)光纖傳感課程層次劃分，不同的光纖傳感技術(shù)課程對三種研討專題的應(yīng)用程度也不相同，本科生的光纖傳感技術(shù)課程以經(jīng)典理論知識(shí)的研討為主，并設(shè)置1～2次前沿研究的研討；研究生的光纖傳感技術(shù)課程則以前沿研究的研討專題和學(xué)位論文研究方法的研討專題為主，對特別重要的概念設(shè)置少量經(jīng)典理論知識(shí)的研討專題。
四、以光纖傳感技術(shù)課程為支撐的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)
光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用范圍極廣，一套實(shí)用的光纖傳感系統(tǒng)可以很龐大很復(fù)雜，也可以很小巧靈活。針對這一特點(diǎn)，課題組教師在學(xué)院本科生和研究生的各項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)中，積極開展與光纖傳感技術(shù)相關(guān)的各項(xiàng)活動(dòng)。
針對本科生的光纖傳感技術(shù)系列課程，在授課結(jié)束后，在光電設(shè)計(jì)大賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)活動(dòng)中開設(shè)了大量關(guān)于光纖傳感技術(shù)應(yīng)用的課題，引起學(xué)員濃厚的興趣和廣泛的參與熱情。一方面，參與光纖傳感技術(shù)相關(guān)的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)員數(shù)量大幅度提高。以技術(shù)類本科畢業(yè)設(shè)計(jì)為例，2013、2014年參與光纖傳感技術(shù)相關(guān)課題的學(xué)生均達(dá)到光信息專業(yè)學(xué)員總數(shù)的50%以上。另一方面，學(xué)員完成課題的質(zhì)量也得到大幅度提升，近年來有8名本科生獲得學(xué)校創(chuàng)新資助，從側(cè)面反映出光纖傳感技術(shù)課程教學(xué)效果的日漸提高。這些競賽成果也作為評(píng)價(jià)授課效果的標(biāo)準(zhǔn)之一，并將學(xué)員在課外延拓活動(dòng)中的效果和意見及時(shí)反饋到教學(xué)過程中[3，4]。
針對研究生的光纖傳感技術(shù)系列課程，一方面鼓勵(lì)學(xué)員在課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上努力拓展研究深度，在光纖傳感研究領(lǐng)域不斷創(chuàng)新。在課題組所在實(shí)驗(yàn)室所培養(yǎng)的研究生中，有3名研究生獲得學(xué)校創(chuàng)新資助，1名研究生獲得湖南省創(chuàng)新資助，其課題都是光纖傳感領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外還有5項(xiàng)研究生參與申請的光纖傳感技術(shù)相關(guān)專利；另一方面，鼓勵(lì)學(xué)員積極參與到與光纖傳感技術(shù)相關(guān)的科研項(xiàng)目中，在實(shí)際工程環(huán)境中對課程知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通。目前在光纖信息專業(yè)的畢業(yè)研究生中，參加過光纖傳感相關(guān)的湖上或海上試驗(yàn)的學(xué)員達(dá)到95%以上，為其真正走向工作崗位后充分適應(yīng)部隊(duì)對光纖傳感技術(shù)人才的需要積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
五、高素質(zhì)教師隊(duì)伍建設(shè)
作為教育的重要媒介，教師是活動(dòng)中的主要因素。教員整體素質(zhì)的高低，直接影響著教學(xué)質(zhì)量的高低。因此，建立一支教學(xué)水平高、結(jié)構(gòu)合理的高素質(zhì)師資隊(duì)伍顯得尤為重要。
（一）從教學(xué)和科研兩個(gè)方面錘煉教師隊(duì)伍，使教師的教學(xué)水平和科研能力相互促進(jìn)共同提高
科學(xué)研究是教師工作的重要組成部分，是提高教學(xué)水平的重要手段，也是提高自身素質(zhì)的重要途徑。對于光纖傳感技術(shù)系列課程而言，學(xué)即能致用是其重要特點(diǎn)之一，教學(xué)和科研的相互促進(jìn)作用尤為明顯。課題組全部教員均參加了多個(gè)重大科研項(xiàng)目。通過重大科研項(xiàng)目的歷練，教員的學(xué)術(shù)水平得到很大的提高，一方面教員接觸了學(xué)術(shù)前沿，開拓了學(xué)術(shù)視野，經(jīng)歷了科研實(shí)踐，在課堂教學(xué)中自然會(huì)將科研最新成果、專業(yè)發(fā)展動(dòng)向帶進(jìn)課堂，另一方面，教員在參與重大科研項(xiàng)目時(shí)對光纖傳感的技術(shù)內(nèi)容有了更加深刻的認(rèn)知，對于在課堂上清楚明白的講好各個(gè)知識(shí)點(diǎn)至關(guān)重要。同時(shí)，通過教學(xué)活動(dòng)中對課程內(nèi)容的反復(fù)推敲及與學(xué)員之間展開的研討交流，可以加深教員對技術(shù)環(huán)節(jié)的領(lǐng)悟，甚至激發(fā)教員的靈感。通過在科研和教學(xué)兩個(gè)方面同時(shí)錘煉，促進(jìn)教師知識(shí)更新和自身進(jìn)步，提高教師的創(chuàng)新能力和教學(xué)質(zhì)量，將真正做到科研教學(xué)一體化。
（二）鼓勵(lì)教員進(jìn)行對外交流，充分借鑒國內(nèi)外同類專業(yè)課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)
課題組有兩名教員具有國（境）外留學(xué)經(jīng)歷，其他教員也多次參加國內(nèi)外的學(xué)術(shù)活動(dòng)和教學(xué)活動(dòng)交流，在課程建設(shè)過程中充分利用了這一優(yōu)勢。在教員已經(jīng)帶回的國外大學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)教員在回到學(xué)校后仍然定期與留學(xué)單位交流，及時(shí)獲取留學(xué)單位最新的課程設(shè)置和教學(xué)安排信息，并通過交流，不斷補(bǔ)充自身的不足，更新課程內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，提高自身教學(xué)水平。在對外學(xué)術(shù)活動(dòng)交流中，有意識(shí)的了解其他院校同類專業(yè)課程的教學(xué)情況，對于感興趣的單位積極主動(dòng)與對方聯(lián)系進(jìn)行實(shí)際考察?；钴S的對外交流活動(dòng)極大地激發(fā)了教師的教學(xué)熱情，并不斷提高其教學(xué)水平。
（三）加強(qiáng)青年教師的教學(xué)技能培訓(xùn)
目前，課題組教員是一支相對年輕化的隊(duì)伍，很多才剛剛博士畢業(yè)，青年教師充滿熱情，思想活躍，比較了解學(xué)員的思想，與學(xué)員進(jìn)行交流方面具有優(yōu)勢。但是，他們大多沒有經(jīng)過系統(tǒng)的教學(xué)技能訓(xùn)練，普遍缺乏教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。為了使青年教師盡快掌握教學(xué)技能，提高業(yè)務(wù)能力與水平，課題組指定認(rèn)真負(fù)責(zé)、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的老教師擔(dān)當(dāng)青年教師的導(dǎo)師，對青年教師實(shí)行“一對一”的“傳、幫、帶”指導(dǎo)，指導(dǎo)青年教師備課、編寫教案；采取措施督促教員投入足夠的精力。教員上崗前，必須經(jīng)過教研室、系所、學(xué)院三級(jí)試講，每次授課必須重新編寫教案、編寫課件、編制教學(xué)日歷；在教學(xué)過程中，教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、督導(dǎo)組、院系領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)常性聽查課，督促教學(xué)水平的提高。
通過從科研和教學(xué)兩方面錘煉教學(xué)隊(duì)伍，課題組教員自身水平得到了大大提高，多次在全軍和全校獲得教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)，其中獲軍隊(duì)院校育才獎(jiǎng)1人次，優(yōu)秀研究生導(dǎo)師獎(jiǎng)3次，校本科“研究型”教學(xué)比賽三等獎(jiǎng)1人次，校研究生教學(xué)優(yōu)秀三等獎(jiǎng)1人次，教員在國內(nèi)教學(xué)期刊上發(fā)表高水平教學(xué)論文10篇，課題組已經(jīng)成為了一支能獨(dú)立承擔(dān)授課任務(wù)的高水平教師隊(duì)伍。
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關(guān)鍵詞：BOTDA，布里淵散射， 工程監(jiān)測， 標(biāo)定，光纖
1. 引言
分布式光纖傳感技術(shù)適用于橋梁工程的檢測以及施工過程監(jiān)控。其原理基于在光纖中傳播的激光會(huì)發(fā)生布里淵散射，而散射光的頻率，會(huì)隨所在的點(diǎn)的溫度和應(yīng)變發(fā)生變化，這兩種效應(yīng)都是線性的。一般使用通訊光纖布置于工程構(gòu)件，進(jìn)行測量，因此，必須對光纖進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定后的光纖，其頻移與相應(yīng)的溫度或應(yīng)變有一個(gè)明確的換算系數(shù)，單位是Hz/℃，以及Hz/?ε.
為了標(biāo)定光纖，我們制作了專用標(biāo)定臺(tái)。由鋼質(zhì)簡支梁組成，采用砝碼做四點(diǎn)彎曲加載，因此中段是純彎曲段。梁的彈性模量、尺寸已知，因此可以在理論上確定彎曲應(yīng)變、應(yīng)力。在純彎曲段貼應(yīng)變片，測試應(yīng)變值作為校驗(yàn)。由于本次試驗(yàn)?zāi)康脑谟跈z驗(yàn)標(biāo)定方法和標(biāo)定方案的合理性，采用一段已經(jīng)標(biāo)定過的光纖做實(shí)驗(yàn)，其標(biāo)定值為0.051MHz/?ε，本文不做應(yīng)變片以及砝碼載荷下理論應(yīng)變的校驗(yàn)分析。
2. 試驗(yàn)材料和儀器
此次試驗(yàn)同時(shí)標(biāo)定的光纖有：（1）裸光纖；（2）普通緊套光纖；（3）鎧裝緊套光纖。
三組光纖稍微預(yù)張拉后分別粘貼在鋼梁的下側(cè)即受拉一側(cè)，三條光纖線路分別連接好（激光筆測試光路通暢），各自編號(hào)，各自線路上對應(yīng)的待測純彎段距離范圍量測準(zhǔn)確后，即開始測試。
測試儀器為日本 NBX6050分布式光纖監(jiān)測儀。圖1是實(shí)驗(yàn)裝置。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置
3. 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析
本文僅分析裸光纖的標(biāo)定結(jié)果，另兩組光纖的標(biāo)定，數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜，將另文發(fā)表。
實(shí)驗(yàn)過程包括加載砝碼、運(yùn)用光纖監(jiān)測儀發(fā)出激光、讀取散射光、分析頻移得出數(shù)據(jù)。數(shù)字化的數(shù)據(jù)以電腦文件形式保存。圖2是由數(shù)據(jù)畫出的裸光纖的測量曲線。其中中段是純彎曲段的響應(yīng)，兩側(cè)有非純彎曲段以及光纖引線的響應(yīng)。
圖2 裸光纖應(yīng)變曲線
根據(jù)數(shù)字化的數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)導(dǎo)入excel繪制散點(diǎn)圖并擬合線性直線
得出結(jié)果見表1. 擬合的直線見圖3。根據(jù)直線方程，可以知道其標(biāo)定系數(shù)。
表1 擬合直線的數(shù)據(jù)
圖3 擬合的線性度及其斜率
擬合線性方程式表明裸光纖的標(biāo)定值在0.0508-0.0514MHZ/?ε之間。與名義標(biāo)定值符合較好，也符合一般光纖的平均特性。
4. 結(jié)論
通過使用標(biāo)定臺(tái)，對光纖進(jìn)行試驗(yàn)性標(biāo)定，確認(rèn)名義應(yīng)變系數(shù)為0.051的光纖，其標(biāo)定系數(shù)在0.0508-0.0514MHZ/?ε之間。標(biāo)定的最大相對誤差為0.78%. 研究表明，這種標(biāo)定臺(tái)性能較好，標(biāo)定方法合理。
本次試驗(yàn)還有很多其他數(shù)據(jù)待分析，將另外撰文發(fā)表。
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【論文摘要】：介紹了光纖傳感器的基本構(gòu)成及原理，綜述了近年來光纖傳感器技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，對光纖傳感技術(shù)的研究發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
光纖傳感器隨著光纖通信技術(shù)的實(shí)用化有了迅速發(fā)展，且以體積小、重量輕、檢測分辨率高、靈敏度高、測溫范圍寬、保密性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗腐蝕性強(qiáng)等明顯優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍深入至國防軍事、航天航空、土木工程、電力、能源、環(huán)保、醫(yī)學(xué)等。現(xiàn)如今光纖傳感器已經(jīng)能夠?qū)囟?、壓力、溫度、振?dòng)、電流、電壓、磁場等物理量進(jìn)行測定，發(fā)展空間相當(dāng)廣闊。
1. 光纖傳感器的基本構(gòu)成和組成原理
光纖傳感器主要由光源、光纖與探測器3部分組成，光源發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖，經(jīng)光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū)，在調(diào)治區(qū)內(nèi)，外界被測參數(shù)作用于進(jìn)入調(diào)區(qū)內(nèi)的光信號(hào)，是其光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、波長等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過光纖送入光探測器而獲得被測參數(shù)，光纖傳感器中的光纖通常由纖芯、包層、樹脂涂層和塑料護(hù)套組成，纖芯和包層具有不同的折射率，樹脂涂層對光纖起保護(hù)作用，光纖按材料組成分為玻璃光纖和塑料光纖；按光纖纖芯和包層折射率的分布可分為階躍折射率型光纖和梯度折射率光纖兩種。光纖能夠約束引導(dǎo)光波在其內(nèi)部或表面附近沿軸線方向向前傳播，具有感測和傳輸?shù)碾p重功能，是一種非常重要的智能材料。
2. 光纖傳感器的類型及特點(diǎn)
光纖傳感器的類型很多，按光纖傳感器中光纖的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。
傳感型光纖傳感器又稱為功能型光纖傳感器，主要使用單模光纖，光纖不僅起傳光作用，同時(shí)又是敏感元件，它利用光纖本身的傳輸特性經(jīng)被測物理量作用而發(fā)生變化的特點(diǎn)，使光波傳導(dǎo)的屬性(振幅、相位、頻率、偏振)被調(diào)制。因此，這一類光纖傳感器又分 為光強(qiáng)調(diào)制型，偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等幾種。對于傳感型光纖傳感器，由于光纖本身是敏感元件，因此加長光纖的長度可以得到很高的靈敏度。
傳光型光纖傳感器又稱非功能型光纖傳感器，它是將經(jīng)過被測對象所調(diào)制的光信號(hào)輸入光纖后，通過在輸出段進(jìn)行光信號(hào)處理而進(jìn)行測量的。在這類傳感器中，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠?qū)饫w所傳遞的光進(jìn)行調(diào)治的敏感元件才能組成傳感元件。
3. 光纖傳感器的應(yīng)用
光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國民經(jīng)濟(jì)的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場需求。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面的應(yīng)用:
(1) 城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強(qiáng)塑料及各種復(fù)合材料中，用于測試應(yīng)力松弛、施工應(yīng)力和動(dòng)荷載應(yīng)力從而來評(píng)估橋梁短期、施工階段和長期營運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。
(2) 在電力系統(tǒng)，需要測定溫度、電流等參數(shù)，如對高壓變壓器和大型電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測等，由于電類傳感器易受強(qiáng)電磁場的干擾，無法在這些場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實(shí)時(shí)測量空間溫度場分布的高新技術(shù)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還具有對光纖沿線各點(diǎn)的溫度的分布式傳感能力，利用這種特點(diǎn)我們可以連續(xù)實(shí)時(shí)測量光纖沿線幾公里內(nèi)各點(diǎn)的溫度，定位精度可達(dá)米的量級(jí)，測溫精度可達(dá)1度的水平，非常適用于大范圍多點(diǎn)測溫的應(yīng)用場合。
(3) 在石油化工系統(tǒng)、礦井、大型電廠等，需要檢測氧氣、碳?xì)浠衔铩O等氣體，采用電類傳感器不但達(dá)不到要求的精度，更嚴(yán)重的是會(huì)引起安全事故。因此，研究和開發(fā)高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有效地實(shí)現(xiàn)上述檢測。
(4) 在環(huán)境監(jiān)測、臨床醫(yī)學(xué)檢測、食品安全檢測等方面，由于其環(huán)境復(fù)雜，影響因素多，使用其它傳感器達(dá)不到所需要的精度，并且易受外界因素的干擾，采用光纖傳感器可以具有很強(qiáng)的抗干擾能力和較高的精度，可實(shí)現(xiàn)對上述各領(lǐng)域的生物量的快速、方便、準(zhǔn)確地檢測。目前，我國水源的污染情況嚴(yán)重，臨床檢驗(yàn)、食品安全檢測手段比較落后，光纖傳感器在這些領(lǐng)域具有極好的市場前景。
(5) 醫(yī)學(xué)及生物傳感器。醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用光纖輻射劑量計(jì)、呼吸系統(tǒng)氣流傳感系統(tǒng);圓錐形微型FOS測量氧氣濃度及其他生物參數(shù);用FOS探測氫氧化物及其他化學(xué)污染物;光纖表面細(xì)胞質(zhì)?；蚪M共振生物傳感器;生物適應(yīng)FOS系統(tǒng)應(yīng)用于海水監(jiān)測、生化技術(shù)、醫(yī)藥。
光纖傳感器在實(shí)踐中運(yùn)用到的例子舉不勝舉，這些技術(shù)都是多學(xué)科的綜合，涵蓋的知識(shí)面廣，象光纖陀螺，火花塞光纖傳感器，光纖傳感復(fù)合材料，以及利用光纖傳感器對植物葉綠素的研究等等；隨著科技的不斷進(jìn)步，越來越多的光纖傳感器將面世，它將被應(yīng)用到生產(chǎn)生活的每一個(gè)角落。
4. 光纖傳感器的技術(shù)發(fā)展方向
光纖傳感技術(shù)經(jīng)過20余年的發(fā)展也已獲得長足的進(jìn)步，出現(xiàn)了很多實(shí)用性的產(chǎn)品，然而實(shí)際的需要是各種各樣的，光纖傳感技術(shù)的現(xiàn)狀仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要。目前，光纖傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向是。
(1) 傳感器的實(shí)用化研究。即一種光纖傳感器不僅只針對一種物理量，要能夠?qū)Χ喾N物理量進(jìn)行同時(shí)測量。
(2) 提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低其成本，設(shè)計(jì)復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)工程。注意分布式傳感器的參數(shù)，即壓力、溫度，特別是化學(xué)參數(shù)(碳?xì)浠衔?、一些污染物、濕度、PH值等)對光纖的影響。
(3) 傳感器用特殊光纖材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖的研究等。這些將是以后傳感器進(jìn)一步發(fā)展的趨勢。
(4) 在惡劣條件下(高溫、高壓、化學(xué)腐蝕)低成本傳感器(支架、連接、安裝)的開發(fā)和應(yīng)用。
(5) 新傳感機(jī)理的研究，開拓新型光纖傳感器。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：隧道工程；光纖；監(jiān)控量測；隧道施工；隧道火災(zāi)；健康監(jiān)測
傳統(tǒng)的傳感器是以應(yīng)變－電壓為基礎(chǔ)，以電信號(hào)來反映結(jié)構(gòu)應(yīng)變的變化，并借助導(dǎo)線傳輸。因此，傳統(tǒng)傳感器易受到電磁場和使用環(huán)境的影響。另外，由于電阻傳感器和導(dǎo)線的金屬易腐蝕性，難以實(shí)現(xiàn)長期監(jiān)測和實(shí)時(shí)監(jiān)測。這些傳統(tǒng)傳感器的局限性嚴(yán)重地制約了其應(yīng)用，無法滿足現(xiàn)代隧道建設(shè)中監(jiān)控量測的需求，而以光纖傳感技術(shù)為基礎(chǔ)的光纖傳感器不但可以替代傳統(tǒng)傳感器的作用，還可以很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)傳感器的上述缺陷。
1光纖傳感器在隧道施工過程中監(jiān)控量測
光纖傳感器以其材質(zhì)和工作原理上的優(yōu)越性，具有受環(huán)境干擾小，傳輸損耗低，連接方式豐富(可將多個(gè)傳感器并聯(lián)輸出)，導(dǎo)線價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提高隧道監(jiān)控量測的準(zhǔn)確度和工作效率并可以降低工作風(fēng)險(xiǎn)和監(jiān)測成本。隧道的監(jiān)控量測包括必測項(xiàng)目和選測項(xiàng)目，其中的必測項(xiàng)目主要包括地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察、周邊位移、拱頂下沉和地表下沉。必測項(xiàng)目中的這四項(xiàng)在隧道的監(jiān)控量測工作中一般均需要做測試，這些項(xiàng)目一般通過觀察、描述和光學(xué)測量儀器如水準(zhǔn)儀、全站儀等進(jìn)行監(jiān)測，所以，隧道監(jiān)控量測的必測項(xiàng)目一般不采用光纖應(yīng)變傳感器。選測項(xiàng)目中的錨桿內(nèi)力量測、圍巖體內(nèi)位移量測、支護(hù)及襯砌內(nèi)應(yīng)力和表面應(yīng)力量測、圍巖壓力及兩層支護(hù)間壓力量測、型鋼支撐內(nèi)外力量測可以通過布設(shè)在待測點(diǎn)的光纖應(yīng)變傳感器進(jìn)行量測。光纖應(yīng)變傳感器在這些項(xiàng)目上的應(yīng)用不但可以高效準(zhǔn)確的進(jìn)行監(jiān)控量測，還可以一直將監(jiān)測工作隨著隧道從建設(shè)到運(yùn)營進(jìn)行長期全壽命實(shí)時(shí)監(jiān)測，這一點(diǎn)具有傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)勢。
2光纖傳感器在隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用
光纖的光柵柵距和折射率會(huì)因其周圍環(huán)境的溫度變化而發(fā)生變化，這種變化會(huì)對應(yīng)地引發(fā)光纖光柵的反射譜以及透射譜的變化。通過解調(diào)儀將光纖光柵的反射譜或透射譜發(fā)生的變化檢測并讀取顯示出來，則得到了光纖光柵周圍環(huán)境溫度的變化數(shù)據(jù)，通過程序中設(shè)定的溫度控制閥值和報(bào)警裝置就可以對隧道內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和火災(zāi)報(bào)警。
(1)隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的原因。隧道火災(zāi)一般由車輛、貨物的著火以及交通事故起火而引發(fā)，而車輛油箱內(nèi)的燃油和車輛所載易燃貨物則為火災(zāi)的發(fā)生提供了物質(zhì)條件。隧道內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)后，燃油和貨物的燃燒會(huì)迅速釋放出大量的熱，并伴有大量的有毒氣體和濃煙霧，同時(shí)隧道內(nèi)部溫度隨之而迅速升高。
(2)光纖傳感器的系統(tǒng)組成。光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要是針對所監(jiān)測隧道內(nèi)部溫度的異常升高進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，顯示溫度并判斷溫度是否過高而進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。主要由光纖光柵感溫探測器、解調(diào)系統(tǒng)、報(bào)警裝置、傳輸光纜和計(jì)算機(jī)組成。
(3)光纖傳感器在隧道內(nèi)的布設(shè)和安裝。光纖傳感器在隧道內(nèi)部的布設(shè)間距應(yīng)根據(jù)隧道的長度來計(jì)算確定，間距太密造成工作量和成本的的浪費(fèi)，太疏則會(huì)影響火災(zāi)探測的靈敏度和準(zhǔn)確率。當(dāng)隧道長度介于500m和10000m之間時(shí)，光纖傳感器的縱向間距不能大于7m;當(dāng)隧道長度超過10000m時(shí)，光纖傳感器的縱向間距不能大于8m。光纖傳感器應(yīng)布置于距離隧道拱頂20cm左右的位置，并沿隧道縱向呈直線排列。光纖傳感器應(yīng)在隧道拱頂沿縱向用鋼絞線進(jìn)行固定，以便在不影響隧道內(nèi)交通的情況下有效監(jiān)測和預(yù)報(bào)火災(zāi)。對于長隧道和隧道群，由于工作人員觀察室距離傳感器距離較遠(yuǎn)，通常需要將光纖傳感器測得的溫度信號(hào)通過光纜遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆O(shè)備處理器，所以其布設(shè)方法和連接方式應(yīng)按照隧道內(nèi)車道數(shù)的不同而采取不同的方式方法。對于單車道和雙車道的交通隧道，光纖傳感器可在隧道內(nèi)斷面中央進(jìn)行單排縱向布設(shè);而當(dāng)隧道行車道數(shù)量多于2時(shí)，光纖傳感器在隧道內(nèi)斷面中央應(yīng)按照雙排進(jìn)行縱向布設(shè)。雙排布設(shè)時(shí)，兩排傳感器應(yīng)交錯(cuò)布置，以便增大光纖傳感器的感應(yīng)機(jī)會(huì)。
3光纖傳感器在隧道健康監(jiān)測中的應(yīng)用
隧道健康運(yùn)營過程中最主要的病害就是隧道的襯砌結(jié)構(gòu)劣化，其表現(xiàn)為襯砌的開裂、掉塊、錯(cuò)臺(tái)、和滲漏水等方面。隧道病害除了降低隧道的安全性、耐久性及其使用性能等外，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處治還會(huì)誘發(fā)其他更為嚴(yán)重的病害，甚至?xí)s減隧道的使用壽命。因此對隧道二次襯砌的全壽命監(jiān)測就顯得尤為重要。隧道二次襯砌病害的傳統(tǒng)檢測技術(shù)主要通過地質(zhì)雷達(dá)、地震波法、CT等實(shí)現(xiàn)，這些方法可探明某時(shí)某刻隧道襯砌的情況和其周圍的圍巖情況，但無法對隧道內(nèi)襯砌和圍巖情況的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)警，同時(shí)傳統(tǒng)監(jiān)測由于需要組織大量人員設(shè)備進(jìn)入隧道進(jìn)行監(jiān)測工作，不可避免的會(huì)影響甚至中段隧道交通。分布式光纖傳感技術(shù)具有遠(yuǎn)程、精度高、耐久性、實(shí)時(shí)性和成本低等特點(diǎn)，將其布設(shè)在二次襯砌之中可對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的健康情況進(jìn)行長期、實(shí)時(shí)的監(jiān)測。該技術(shù)可自動(dòng)進(jìn)行，不會(huì)對交通造成干擾，并且其實(shí)時(shí)輸出的數(shù)據(jù)信息可以讓隧道工作人員隨時(shí)掌握隧道的健康狀況。光纖監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)需要對隧道的圍巖等級(jí)、圍巖應(yīng)力水平及經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行綜合考慮。沿隧道橫斷面布設(shè)的光纖傳感器應(yīng)根據(jù)圍巖等級(jí)來確定其布設(shè)的環(huán)向間距，即傳感器的環(huán)向間距應(yīng)隨著隧道圍巖等級(jí)的增大而相應(yīng)減小，并在隧道洞口附近適當(dāng)加密布設(shè)。布設(shè)好光線監(jiān)測網(wǎng)后，根據(jù)傳輸需要將傳感器按照一定的連接方式組合，通過光纜將光線應(yīng)變傳感器連接到解調(diào)儀上進(jìn)行監(jiān)測。
4結(jié)論
光纖應(yīng)變傳感器以其相較于傳統(tǒng)傳感器的諸多優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于隧道中。在隧道施工過程中，光纖應(yīng)變傳感器可以準(zhǔn)確監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，從而為隧道的安全施工保駕護(hù)航;在隧道火災(zāi)檢測報(bào)警方面，光纖傳感器以其自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)提供良好的服務(wù)，從而預(yù)防火災(zāi)和減少火災(zāi)造成的損失;在隧道健康監(jiān)測方面，光纖傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道襯砌結(jié)構(gòu)并進(jìn)行長距離傳輸，從而使隧道的全壽命健康診斷與評(píng)估成為了可能。
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【關(guān)鍵詞】 FBG；高應(yīng)變；樁基檢測；預(yù)制樁
【中圖分類號(hào)】TU196+.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 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
樁基檢測中高應(yīng)變檢測是一項(xiàng)重要檢測內(nèi)容，通過分析應(yīng)力應(yīng)變隨樁身變化情況分析樁身完整性和樁的承載性狀[1-2]。由于采用高應(yīng)變進(jìn)行承載力檢測具有工期短、成本低、效率高等特點(diǎn)，促進(jìn)了高應(yīng)變檢測法的推廣，但是高應(yīng)變檢測的精度很大程度上與測試傳感器有關(guān)。傳統(tǒng)的電阻式、鋼弦式、電感式傳感器普遍存在靈敏度差、精度低、抗電磁干擾能力弱，受水腐蝕失真或失效等缺點(diǎn)，難以適應(yīng)現(xiàn)代工程精確檢測的要求。而近年來興起的光纖光柵傳感器則具有精度高、抗電磁干擾、防水防潮、抗腐蝕和耐久性長等特點(diǎn)[3-6]，其體積小、重量輕，便于鋪設(shè)安裝，且不存與監(jiān)測對象不匹配的問題，對監(jiān)測對象的材料性能和力學(xué)參數(shù)等影響較小。另外，光纖光柵傳感技術(shù)采用光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，傳輸損耗小，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，正好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測技術(shù)的不足。本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，將FBG傳感器植入檢測的預(yù)制樁中，同時(shí)采集傳統(tǒng)
的高應(yīng)變檢測應(yīng)變數(shù)據(jù)和FBG應(yīng)變數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明：FBG測量數(shù)據(jù)可靠，具有較好的適用性。
1 FBG傳感技術(shù)測量原理
光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,簡稱FBG）是利用光纖材料的光敏性在纖芯內(nèi)形成空間相位,光柵其作用的實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡，使得光在其中的傳播行為得以改變和控制[7]。
圖1 光纖光柵傳感器的構(gòu)造
如圖1所示，F(xiàn)BG傳感器分布在光纖纖芯的一小段范圍內(nèi)，它的折射率沿光纖軸線發(fā)生周期性變
作者簡介：邱正紅，1982年出生，男，漢族，重慶潼南縣人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，主要從事巖土工程勘察和基坑設(shè)計(jì)工作。E-mail：qzh@live.it
化，圖中纖芯的明暗變化代表了折射率的周期變化。光纖布拉格光柵是光纖纖芯折射率沿光纖軸向呈周期性變化的一種光柵。目前已有的基于光纖布拉格光柵的各種傳感器的工作原理都可以歸結(jié)為對布拉格光柵中心波長的測量[8-9]，即通過對由外界擾動(dòng)引起的布拉格光柵中心波長漂移量的測量，得到被測參數(shù)；布拉格光柵中心波長與光纖纖芯有效折射率以及光纖光柵長度周期Λ相關(guān)[10]即：
(1)
其中：為布喇格光柵的中心波長；為光纖纖芯的有效折射率；為布喇格傳感器光柵的柵距。
圖2FBG傳感器工作原理圖
顯然，寬帶光源的輸入光譜在通過FBG傳感器1后，形成了波谷峰值為的凹陷，而反射光譜則具有波峰。當(dāng)光柵所在處的光纖產(chǎn)生軸向應(yīng)變時(shí)，柵距變?yōu)椋?/p>
(2)
此時(shí)布喇格波長產(chǎn)生相應(yīng)的變化，它滿足：
(3)
其中：為有效光彈系數(shù),它的值約為0.22。
另外，溫度變化會(huì)引起光纖折射率的變化，同時(shí)也會(huì)引起柵距的變化，當(dāng)溫度變化為時(shí)，將引起布拉格波長產(chǎn)生移動(dòng)，可以表示為：
(4)
其中：為光纖的熱膨脹系數(shù)，；為光纖的熱光系數(shù)，。
由(3)、(4)兩式得到同時(shí)考慮應(yīng)變與溫度變化時(shí)，所引起的波長移動(dòng)：
(5)
由此可知，只要測出布喇格波長的變化，就可以得到外界的應(yīng)變或溫度擾動(dòng)。
2 預(yù)制樁FBG植入工藝
預(yù)制樁一般是在工廠制作而成的，特別是預(yù)應(yīng)力預(yù)制樁是在預(yù)制廠經(jīng)過先張預(yù)應(yīng)力，離心成型及高壓蒸養(yǎng)等工藝生產(chǎn)而成的高強(qiáng)預(yù)制混凝土構(gòu)件[11]，無法將光纖光柵澆注到其中。在打樁的過程中，由于預(yù)制樁管壁與土體的摩擦力很大，將光纖光柵貼在預(yù)制樁表面時(shí)，很容易造成打樁時(shí)光纖光柵被刮斷[12]。本文采用在預(yù)制樁表面刻槽后放入光纖光柵再用高強(qiáng)度膠進(jìn)行密封，這樣既成能保證光纖光柵的成活率，又能保證光纖光柵與預(yù)裝樁身變形的一致性。預(yù)制樁的FBG植入工藝主要包括以下四個(gè)工序。
（1）光纖熔接
在FBG傳感技術(shù)測量中，光纖只是進(jìn)行光信號(hào)的傳輸，真正起到測量作用的是光柵的那部分。所以要根據(jù)樁長截取相應(yīng)長度的傳輸光纖與FBG傳感器進(jìn)行熔接。
（2）刻槽布纖
用開槽機(jī)在預(yù)制樁身表面沿著布纖路線刻槽，槽寬和槽深以能放入光纖為準(zhǔn)(太深容易破壞樁身強(qiáng)度)，光纖放入槽內(nèi)用502膠水進(jìn)行定點(diǎn)固定，刻槽布纖如圖3所示。
圖3 刻槽布纖
（3）光纖保護(hù)
用高強(qiáng)膠（環(huán)氧樹脂）填充槽內(nèi)進(jìn)行光柵粘貼和光纖線路保護(hù)，在樁端出露的光纖用套管進(jìn)行保護(hù)，將多余的光纖盤繞在樁頭并用緩沖材料進(jìn)行包裹保護(hù)，光纖保護(hù)如圖4所示。
圖4 線路保護(hù)
（4）打樁對接
將布好光纖的樁按順序進(jìn)行打入，在樁對接時(shí)進(jìn)行上下兩樁光纖的對接，并將多余光纖盤繞在接頭地方進(jìn)行強(qiáng)化處理，打樁對接如圖5所示。
圖5 打樁對接
3 工程實(shí)例
3.1 工程背景
嘉定區(qū)城北大型經(jīng)濟(jì)適用房（南塊）位于上海市嘉定區(qū)，住宅樓和配套商業(yè)擬采用樁基礎(chǔ)，地下車庫、地下P型站和地下水泵房擬采用抗拔樁。工程主要負(fù)責(zé)樁基設(shè)計(jì)參數(shù)可行性研究工作。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，結(jié)合勘察資料，進(jìn)行現(xiàn)場原位測試，包括：模型樁單樁豎向抗壓、單樁豎向抗拔靜載，錘擊樁高應(yīng)變跟蹤監(jiān)測及樁身應(yīng)力分析，獲得各層土設(shè)計(jì)參數(shù)。
3.2 測試方法
本文主要研究該工程中管樁（管樁樁長13.0m，內(nèi)徑0.22m，外徑0.4m）的高應(yīng)變檢測。通過光纖光柵測得應(yīng)變數(shù)據(jù)分別與高應(yīng)變測樁儀導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。樁身應(yīng)力測量采用光纖光柵應(yīng)變傳感器。光纖光柵應(yīng)變傳感器布設(shè)：在樁頂以下1m處（-1m)布設(shè)一個(gè)；在土層交界處6.5m處（-6.5m)布設(shè)1個(gè)，在樁底以上50cm處（-12.5m)布設(shè)1個(gè)，F(xiàn)BG傳感器布設(shè)如圖6所示。
圖6 FBG傳感器布設(shè)圖
高應(yīng)變初打跟蹤監(jiān)測試驗(yàn)按照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2003）進(jìn)行，測試方法見圖7。
圖7 高應(yīng)變測試圖
3.3 檢測數(shù)據(jù)分析
本文選取了一根測試樁，對樁的錘擊高應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過預(yù)埋在樁身上的光纖光柵測得應(yīng)變數(shù)據(jù)分別與高應(yīng)變測樁儀輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究，F(xiàn)BG傳感器測試出的數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。曲線中第一個(gè)峰值的出現(xiàn)表示在擊打過程中樁身產(chǎn)生的最大應(yīng)變，其余峰值是由于擊打過程中余震產(chǎn)生。圖形顯示在-1m處峰值最高，其次-6.5m處，-12.5m處峰值最小。這表明：在被擊打過程中，離測試樁由樁頂至樁底，樁身應(yīng)變逐漸減小，在樁頂處會(huì)產(chǎn)生最大應(yīng)變，所以在錘擊過程中要加強(qiáng)對樁頂?shù)谋Ｗo(hù)。
圖8高應(yīng)變時(shí)光纖測得應(yīng)變曲線圖
由于-1m處安裝的FBG傳感器與高應(yīng)變檢測中的應(yīng)變片安裝位置接近（檢測傳感器的安裝用膨脹螺栓安裝在距樁頂約2倍樁徑處），將-1m處的FBG測試數(shù)據(jù)與應(yīng)變片的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，光纖應(yīng)變曲線與高應(yīng)變儀導(dǎo)出應(yīng)變曲線對比圖如圖9所示。從圖9中可以看出，兩者的曲線較為吻合，這說明FBG傳感技術(shù)適用于高應(yīng)變檢測。
圖9 高應(yīng)變時(shí)光纖曲線與高應(yīng)變儀導(dǎo)出曲線對比圖
4 結(jié)論
（1）本文將FBG傳感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于樁基檢測中，將光纖光柵測得應(yīng)變數(shù)據(jù)與高應(yīng)變測樁儀輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明：FBG傳感數(shù)據(jù)能較好地適用于高應(yīng)變檢測，但也存在不足，由于高應(yīng)變檢測同時(shí)需要應(yīng)變數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)，而此次測試只采集了樁身FBG應(yīng)變數(shù)據(jù)，如果在樁身相應(yīng)的位置能安裝FBG加速度傳感，同時(shí)采集FBG應(yīng)變和加速度數(shù)據(jù)，擬合樁基的承載力與傳統(tǒng)高應(yīng)變測樁儀測出的樁基承載力進(jìn)行對比，將是本論文需要深入研究的一個(gè)方向。
（2）FBG傳感器可以安裝在樁體的任何位置，如果將FBG傳感技術(shù)運(yùn)用于高應(yīng)變檢測中，就可以
測得樁體任何位置的應(yīng)變，而不僅僅局限于樁頂附近。
（3）檢測數(shù)據(jù)的精確度不但與測試方法有關(guān)，還與傳感器的性能有關(guān)，F(xiàn)BG傳感器正是由于其高精度、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到了工程界廣泛的關(guān)注。但是，由于其比較高的價(jià)格也限制著它的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)BG傳感技術(shù)將會(huì)得到廣泛發(fā)展。
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