前言

　　光纤传感技术是伴随着光纤通信技术发展起来的一门新型传感与测量技术，以光纤作为传输和传感介质，能够实现几乎所有物理量的测量。由于光纤本身是玻璃丝，因此以其为基础的传感器具有传统电子式传感器所没有的一系列优点，如抗电磁干扰、本征安全、无源、灵敏度高、远距离测量、便于传感器复用、能够实现分布式传感等。但我们也应该清楚地知道光纤传感器的显著不足： 价格昂贵和使用困难。一套光纤传感器系统，光源、传感器和信号接收部分都是必需的，除了简单的强度调制型传感器，还需要复杂的信号解调，使其造价昂贵。另外光纤传感器目前还很难像传统的传感器一样，使用者不必知道传感器的原理，拿来安装上就可以使用。使用光纤传感器需要经过专业训练，甚至只有专业人士才能操作。这是由于该技术还处于发展阶段，传感器的种类繁多，规范性差，缺乏强制标准。因此在能够正常使用电子类传感器的地方，不建议使用光纤传感器。光纤传感器的最佳使用场合是传统的电子类传感器无法使用，或者使用很麻烦的地方。比如，在电力系统安全测试方面，由于存在高压电击、强电磁干扰等问题，光纤传感器就有很大的应用空间； 在油气存储、煤矿等能源领域，对温度、压力、液位、流量等传感器的安全性要求极高，本征安全的光纤传感器就具有天然的优势； 在大型建筑、桥梁、大坝等安全监测领域，光纤传感器便于复用及无源的优势，使其通过少量的光纤就可以将大量的传感器连接到测量仪器，非常适合大量传感器应用的场合； 在军事领域，光纤干涉仪以其超高的灵敏度，成为先进光纤陀螺仪、光纤水听器的基石； 在油气输送、隧道、电缆、铁路等长距离监测领域，分布式光纤温度、应变、振动和声传感器正在承担传统电子类传感器难以胜任的工作。

　　光纤传感器另外一个优势——耐高温特性，正在被深刻认识，并且已开始深入的研究和广泛应用。光纤的基础材料是SiO2，纤芯掺锗，因此普通的单模光纤可以长时间耐受超过700℃的温度，短时间耐受温度超过1000℃，因此完全用光纤做成的传感器耐受温度远远超过了半导体材料制作的传感器（一般小于170℃）。对于纯石英光纤，耐受温度可以超过1000℃，短时间的耐受温度达到1200℃。因此在高温环境，尤其是超过300℃以上的高温环境，光纤传感器具有天然的优势，在深井油气探测、航空航天、各类发动机测试、高温冶炼与热处理等场合，有其独特的应用优势。

　　随着技术的进步和应用的需求，对超过1000℃，甚至更高温度环境下的物理量测量也提出了需求，如高超音速飞行器表面的温度、压力测量，发动机尾部的压力、温度、振动、位移测量等，可能工作环境温度超过1000℃甚至更高，对传感器的耐高温性能提出了更加苛刻的要求，因此蓝宝石光纤传感器成为解决这类需求的必然选择。蓝宝石材料的熔点超过2000℃，以其为基础的全蓝宝石光纤传感器耐受温度超过1500℃，成为耐受温度最高的物理传感器。但蓝宝石光纤使用时具有很多困难，如无包层、多模传输、与普通光纤连接困难、长度短、价格昂贵等，因此在工程应用上，蓝宝石光纤传感器还有很多有待研究的地方。

　　由于传感器需要在高温环境下工作，需要仔细考虑温度对传感器可靠性造成的影响，以及对测量结果的交叉影响。环境温度很高，在一只传感器中使用不同的材料来制作，就有可能因为材料热膨胀系数的不同造成传感器损坏； 同时，如果传感器的尺寸较大，高温使传感器产生的变形就很大，温度的影响就非常显著。因此高温传感器应该尽量使用同一种材料，做成微纳尺寸，这样能够大幅度减小温度的交叉影响，同时提高传感器的耐高温可靠性。

　　本书总结了作者团队最近10年在光纤高温传感器领域的相关研究成果，同时归纳和总结了国内外同行的部分相关研究成果，集结成书。高温光纤传感器主要基于外腔式法布里珀罗干涉仪（EFPI）结构，这是因为这种传感器结构简单，只需要在光纤末端形成二次反射就可以构成干涉型光纤传感器，特别适合制作高温传感器。对这一传感器的信号解调分为两种： 一种是使用光纤白光干涉测量技术的绝对测量，通过测量干涉仪的光程差（比如EFPI的腔长）来测量静态或缓变的物理量，如温度、压力、应变、位移； 另一种是使用激光干涉测量技术的相对测量，通过测量干涉仪的光程差的变化来测量动态变化的物理量，如振动和声。因此本书内容包括四大部分： 第一部分是光纤传感器的信号解调技术，包括第1章的光纤白光干涉测量技术，第2章的光纤激光干涉测量技术； 第二部分是基于石英光纤的EFPI高温传感器，包括高温温度、压力、应变、振动这4种物理量传感器，包括第3~6章； 第三部分是为了全书完整性，专门开辟第7章来讨论石英光纤布拉格光栅（FBG）高温传感器，这一章内容主要是集结国内外同行的研究成果； 第四部分是蓝宝石光纤高温传感器，包括蓝宝石光纤EFPI和蓝宝石光纤光栅传感器以及蓝宝石衍生光纤高温传感器，包括第8~10章。蓝宝石光纤高温传感器还在发展过程中，很遗憾我们最近的很多研究成果因为出版时间的问题，来不及放进书中。

　　本书的第1~6章由北京理工大学江毅教授负责撰写，博士研究生贾景善、马维一、崔洋、冯新星、张树桓、邓辉参加了这部分内容的撰写和修改工作。第7~10章由吉林大学的于永森教授负责撰写，博士研究生陈超、国旗、刘善仁、张轩宇参加了这部分内容的撰写和修改工作。本书引用了很多国内外同行的研究成果，在此表示感谢，对没有清楚标出的引用来源，请原文作者海涵。

　　作者感谢清华大学出版社鲁永芳编辑的帮助和支持，使本书得以出版。作者还要感谢国家科学技术学术著作出版基金的资助。本书的研究成果受国家自然科学基金(重点项目U20B2057,面上项目61775020、61575021)，国家“863”重点项目2015AA043504,国家重大基础研究计划（2018YFB1107202），装备研究基金及航空基金等的支持，在此一并感谢。

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江  毅  于永森

2022年元旦