内容简介
《新型光纤化学传感技术与系统》在详细分析光纤化学传感技术的基础上，介绍几种新型的光纤化学传感器，包括光纤纳米磁流体材料磁传感器、光纤磁致伸缩材料电流传感器、光纤量子点气体传感器、光纤纳米ZnO材料紫外传感器、光纤氧化石墨烯温湿度传感器、光纤金属薄膜的液体折射率传感器等。《新型光纤化学传感技术与系统》详细叙述纳米传感材料的合成方法、光纤传感器的制作工艺、传感系统的工艺设计，以及光纤化学传感器的测试方法与信号处理，并结合建模的方法对光纤化学传感器件的特性与机理进行分析等。
目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 光纤化学传感技术简介 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 OFCS的特点 2
1.1.3 OFCS的分类 3
1.2 光纤化学传感基本原理 4
1.2.1 光纤pH传感器 5
1.2.2 光纤离子传感器 7
1.2.3 光纤气体传感器 8
1.2.4 光纤紫外传感器 9
1.2.5 光纤生物传感器 9
1.3 OFCS发展历程 11
1.4 OFCS存在的主要问题 15
参考文献 16
第2章 微结构光纤化学传感技术 21
2.1 MNF的研究及化学传感应用 21
2.1.1 MNF化学传感技术的应用 21
2.1.2 MNF的波导特性 25
2.1.3 MNF的工艺制备 30
2.2 PCF的研究及化学传感应用 33
2.2.1 PCF概述 35
2.2.2 PCF-SPR传感机理 44
2.2.3 PCF传感单元的制备及镀膜技术 49
2.3 光纤光栅的研究及化学传感应用 49
2.3.1 FBG的应用发展及分类 50
2.3.2 FBG的传感原理 54
2.3.3 FBG的制备方法及波长解调技术 56
2.4 本章小结 60
参考文献 61
第3章 光纤纳米磁流体材料磁传感技术与系统 67
3.1 光纤磁场传感器概述 67
3.1.1 光纤磁场传感器的发展及研究现状 67
3.1.2 光纤磁场传感器的分类及介绍 69
3.1.3 磁性敏感材料的研究及发展 71
3.2 MNF实现光纤传感的理论分析 77
3.2.1 MNF传感器概述 77
3.2.2 MNF常用加工制备 79
3.3 环形腔衰荡传感器 81
3.3.1 基于FLRD结构的时分复用原理 82
3.3.2 基于时分复用原理的FLRD磁场与温度传感器 84
3.3.3 环形腔衰荡传感的理论分析 92
3.4 MZ干涉全光纤传感 94
3.4.1 MZ干涉的光纤传感理论分析 98
3.4.2 In-line结构MZ干涉传感的理论分析 100
3.4.3 基于MZ干涉的全光纤磁场与温度传感器 101
3.5 本章小结 109
参考文献 110
第4章 光纤磁致伸缩材料电流传感技术与系统 114
4.1 磁致伸缩功能材料概述 114
4.1.1 磁致伸缩功能材料的发展与分类 114
4.1.2 磁致伸缩功能材料的传感原理与特征 116
4.1.3 磁致伸缩材料的制备工艺及磁致伸缩微观性能表征 118
4.2 磁致伸缩功能材料光纤电流传感器的设计与性能分析 122
4.2.1 差动式GMM-FBG交流电流传感系统的设计与性能分析 122
4.2.2 EFPI-GMM高分辨率电流传感器的设计与性能分析 135
4.3 交流电流传感器的磁滞非线性校正 144
4.4 本章小结 154
参考文献 155
第5章 光纤量子点气体传感技术与系统 158
5.1 量子点纳米材料概述 158
5.1.1 量子点纳米材料的发展现状 158
5.1.2 无机量子点的发展现状 159
5.1.3 碳量子点的发展现状 161
5.2 QDs纳米材料特性 167
5.2.1 QDs纳米材料的基本性质 167
5.2.2 QDs纳米材料的传感特性 175
5.3 量子点纳米材料的光纤气体传感器研究 185
5.3.1 基于CQDs的NO气体光纤传感器研究 185
5.3.2 基于功能化GQDs的H2S气体光纤传感器研究 188
5.3.3 基于PbS量子点的NO2气体光纤传感器研究 192
5.4 本章小结 195
参考文献 196
第6章 光纤纳米ZnO材料紫外传感技术与系统 201
6.1 纳米ZnO材料概述 201
6.1.1 纳米ZnO材料的发展现状 201
6.1.2 纳米ZnO材料的光电特性 204
6.2 ZnO纳米材料光纤紫外传感器的研究 206
6.2.1 ZnO纳米材料的紫外敏感特性 206
6.2.2 基于紫外敏感材料的MNF倏逝场理论研究 210
6.2.3 ZnO纳米材料的制备工艺 212
6.2.4 ZnO/MNF传感单元的设计与制备 217
6.2.5 传感光路搭建与性能测试 219
6.2.6 光纤环形腔衰荡光谱传感光路研究 223
6.3 Ag掺杂ZnO光纤紫外传感器的研究 227
6.3.1 Ag掺杂ZnO材料紫外敏感特性 227
6.3.2 Ag掺杂ZnO的MNF传感单元制备 228
6.3.3 传感光路搭建与性能测试 231
6.4 Ag掺杂ZnO/Gr光纤紫外传感器的研究 234
6.4.1 Ag掺杂ZnO/Gr材料理论研究 234
6.4.2 Ag掺杂ZnO/Gr/单模-拉锥多模-单模紫外传感特性研究 243
6.4.3 Ag掺杂ZnO/Gr/单模-双锥多模-单模紫外传感特性研究 250
6.5 本章小结 255
参考文献 256
第7章 光纤氧化石墨烯温湿度传感技术与系统 262
7.1 GI材料概述 262
7.1.1 GO温度传感的研究进展 262
7.1.2 GO湿度传感的研究进展 263
7.1.3 GO的制备工艺 265
7.2 GO包覆的光纤温度传感器研究 265
7.2.1 GO的温度敏感特性 266
7.2.2 MOF温度传感原理 268
7.2.3 GO/MOF传感单元的设计与仿真分析 271
7.2.4 GO/MF传感单元的制备与性能测试 279
试读
第1章 绪论
1.1 光纤化学传感技术简介
1.1.1 研究背景
光纤传感是20世纪70年代发展起来的传感技术。该技术利用外界物理量引起的光纤中传播的光的特性参数（如相位、偏振、散射、强度等）变化，对外界物理量进行测量和数据传输。经过多年的发展，研究人员提出了许多不同的想法，并且为各种测量和应用开发了各种技术，一些成熟的光纤传感技术也已经被商业化。光纤传感器（optical fiber sensor，OFS）因具有抗电磁干扰能力强、带宽宽、灵敏度高、使用灵活方便、制备简单、传输信号容易、稳定性高等优点，目前已被广泛地应用于分子生物技术、医疗和化学分析、海洋和环境分析、工业生产监测和生物过程控制，以及汽车行业等领域。
化学传感器是利用化学敏感层结合物理转换器件而成的，能直接提供待测物化学组成信息的传感器件[1]。传统的化学传感器[2]多采用化学与电子学结合的方式，把气体或液体中的化学量转变为电信号（电压/电流等）输出，形成电化学式传感器，具体可以分为电位型传感器、电导型传感器和电流型传感器三类。传统的电化学传感器制备复杂，操作烦琐，一些设备携带不方便，且需要电力驱动，容易受电磁干扰。
光化学传感器是一类具有光学响应的化学传感器。在化学分析中，基于分立光学系统的光学技术和光谱学方法已被广泛应用。20世纪70年代，由于通信技术和计算机技术的飞速发展，其与光谱技术相结合形成一种新型分析测试技术—光导纤维化学传感器，在分析化学领域开辟了一片新天地。利用化学发光、生物发光及光敏器件与光导纤维技术制作传感器，特别是光导纤维化学传感器及以光导纤维为基础的各种探针技术，具有响应速度快、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、体积小及可应用于其他传感器无法工作的恶劣环境等特点，在过程分析中具有很大的应用潜力，得到了突飞猛进的发展。
近年来，光纤化学传感技术逐渐成为国际热门的研究课题，并被应用于生物医药学研究、环保和生态监控、工业生产测控、医学临床等方面，并且研发出了许多新型的应用技术和仪器装置。光纤化学传感器（optical fiber chemical sensor，OFCS）[3， 4]通过利用特殊的化学涂层修饰光纤表面或端面，利用待测物与涂层之间的相互作用来改变传感膜的特性，*终使得光纤的结构或光纤中的传输光特性发生变化，*后通过对光纤中传输光的波长或强度来进行解调，实现对样品参数的测量。与化学、生物医药学领域中广泛使用的化学传感器及传统的分光光度计、比色计等**的检测、分析仪器相比，用光纤作为基础开发的OFCS具有许多显著的特性和优点。如光纤材料无毒、生物兼容性好、细小灵敏的光纤生物化学传感器可以插入生物体内进行实时监测，不需要电位分析法的参考电位，简便，可靠，使用方便，适当选择化学涂层的指示剂及对应的结合方法就可构成多种类型的OFCS，能够检测多种不同的物质，使其应用范围变得更加广泛。
1.1.2 OFCS的特点
OFCS具有以下特点[5]：①OFCS与一般的OFS都具有微型化的特点，而且传感部分柔韧安全、轻便、空间适应性和生物兼容性都很好，适合临床医学和生物体的实时、在体检测。②OFCS能够进行非常多的物质的检测工作，应用范围广。尤其是传感膜技术如高分子膜、溶胶-凝胶（sol-gel）膜及分子交联等相关膜技术的发展，为光纤传感膜的制备提供了更多可行的方法。除此之外，指示剂的种类多，化学吸收型试剂、荧光试剂、量子点（quantum dots，QDs）和生物敏感试剂等都可以应用于OFCS。③OFCS具有抗电磁干扰、传输的信息量大、光能传输损耗小和环境适应能力强等多个特点。因此，OFCS适用于在远距离监测和强辐射场、腐蚀性环境等某些特殊环境中使用。④OFCS能够实现自身参比，不像电化学传感器需要额外的参比电极。利用自身参比可以使OFCS获得比较稳定的光学信息，提升了传感头的稳定性。
OFCS与传统的化学传感器相比，用光纤作为化学传感器有以下几方面的突出优点：①尺寸小、易于加工成高灵敏度的探头。②由于光纤中光的全反射能量损失较小的特征，与待测物质的有效光程可以根据需要而改变，且具有很强的抗电磁干扰能力，在大温差、强腐蚀、强辐射场等恶劣环境中均能使用。③OFCS所用的检测器可以是多波长测定，把其中的某些波段光强作为参比，不需要另外的参比装置，可排除外界环境如温度、指示剂浓度及光源波动的影响，大幅度地提高传感器测量的稳定性。④OFCS中单根光纤传输信号即可实现多种待测信息的搭载，可搭载的信息包括波长、相位、衰减*线、偏振或者强度调制，便于实行多通道分析，同时进行多组分析检测，因为不同的分析物和指示剂可对不同的波长进行响应。
1.1.3 OFCS的分类
OFCS主要可以分为光导型和化学型两个基本类型。光导型OFCS利用光纤作为光信号的传输材料，而待测物的相关信息主要通过光纤表面涂覆的荧光材料来检测，*后利用传统的光谱分析方法进行分析处理。其中，荧光光
