光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用

前言

　　信息的提取——傳感技術(shù)是信息化時(shí)代的重要內(nèi)容之一。光纖傳感則是21世紀(jì)傳感技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域，其發(fā)展直接影響到許多行業(yè)的進(jìn)步。但是目前缺少一本較全面反映光纖傳感技術(shù)進(jìn)展的教材。這本教材能夠使讀者既能了解光纖傳感器的基本理論，又能使學(xué)生通過此教材的學(xué)習(xí)，在今后的創(chuàng)新工作中，能為光纖傳感器的選用和設(shè)計(jì)打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。編者希望根據(jù)自己和所在的課題組近三十年的從事光學(xué)、光電子學(xué)以及光纖傳感器方面的教學(xué)和科學(xué)研究的經(jīng)驗(yàn)，能對(duì)此做一些微薄的貢獻(xiàn)。　　本書較全面地介紹了光纖傳感技術(shù)與典型應(yīng)用，其中包括光纖傳感器的基本原理，光纖傳感器的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，光纖傳感器中的光纖技術(shù)，相位型光纖傳感器的信號(hào)處理技術(shù)，光纖傳感器的封裝技術(shù)，多傳感器的融合技術(shù)，以及光纖傳感器在電力、石油與化工、生醫(yī)生化、航空航天、國(guó)防、環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用?！　”緯帉懙哪康挠卸骸∫粸榻滩模閰⒖紩?。作為教材，書中內(nèi)容可按教學(xué)大綱有所取舍。其中光纖傳感器的基本原理和光纖傳感器的關(guān)鍵技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、封裝技術(shù)、多傳感器的融合技術(shù)）可作為基本內(nèi)容，重點(diǎn)講述；　而光纖傳感器的典型應(yīng)用，則作為一般了解內(nèi)容，可做簡(jiǎn)要介紹，也可作為自學(xué)內(nèi)容，目的是擴(kuò)大眼界。建議課上，教師以講清楚物理概念為主，使學(xué)生了解各類光傳感器的基本原理，其余可作為自學(xué)的閱讀材料。也可采取學(xué)生自學(xué)有關(guān)材料后，以綜述報(bào)告的形式進(jìn)行交流，為學(xué)生在今后工作中選用或設(shè)計(jì)所需的傳感器打下必要的基礎(chǔ)。作為參考書，本書可作為各領(lǐng)域相關(guān)讀者系統(tǒng)而全面地了解光傳感器的參考讀物?！　”緯闹饕攸c(diǎn)可歸納為：　?。?） 本書較全面、簡(jiǎn)要地介紹了各類光電信息傳感器，不僅包括傳統(tǒng)的光電傳感器，還包括光纖傳感器、全息干涉?zhèn)鞲衅?、散斑干涉?zhèn)鞲衅?、熒光傳感器、衍射傳感器，以及近代出現(xiàn)的光層析傳感器、波前傳感器、MEMS傳感器、納米傳感器等?！　。?） 本書著重討論一些重要的光電傳感器的原理——其物理模型的建立過程和結(jié)果的分析，著重在物理概念及其數(shù)學(xué)表達(dá)方式，便于讀者在今后工作過程中能自己建立有關(guān)傳感過程的物理模型，對(duì)所得傳感結(jié)果能給予正確、合理的解釋?！　。?） 本書選材不僅較全面地介紹了光纖傳感技術(shù)，還根據(jù)編者多年科研和教學(xué)工作的經(jīng)驗(yàn)，給讀者提供了：　對(duì)于不同的使用環(huán)境，如何選用和設(shè)計(jì)光電傳感器，在使用和設(shè)計(jì)中應(yīng)如何考慮實(shí)際使用中的一些問題，如何研究和開發(fā)新的光電傳感器，以滿足工作的需要?！　⒓颖緯帉懙挠校骸】镂洳┦浚?fù)責(zé)編寫第4章；　黎敏教授，負(fù)責(zé)編寫第7章、第9章和第10章；　張敏副教授，負(fù)責(zé)編寫第6章、第8章、第11章和第12章；　第2章和第3章由廖延彪和黎敏共同完成，其余由廖延彪編寫。全書由廖延彪定稿。　　本書得以出版，要感謝課題組的同仁賴淑蓉老師以及家人給予的大力支持和幫助?！　”緯鴥?nèi)容涉及面廣，由于編者知識(shí)有限，書中缺點(diǎn)和錯(cuò)誤在所難免，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　《光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用》在全面介紹各類光纖傳感器的基礎(chǔ)上，分析和討論了在設(shè)計(jì)和應(yīng)用光纖傳感器時(shí)要注意的一些基本問題和關(guān)鍵技術(shù)，并給出了光纖傳感器的典型應(yīng)用實(shí)例。其中包括光纖和光纖器件的選用、連接和封裝，光纖傳感網(wǎng)，相位調(diào)制型光纖傳感器的信號(hào)解調(diào)，以及光纖傳感器在電力、石油化工、生醫(yī)生化、航空航天、環(huán)保、國(guó)防等領(lǐng)域的典型應(yīng)用?！　　豆饫w傳感技術(shù)與應(yīng)用》選材廣泛，既反映了光纖傳感技術(shù)的最新發(fā)展，又有一定深度。《光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用》可作為高校物理電子和光電子、光學(xué)、光學(xué)儀器等專業(yè)的本科生和研究生的教材或參考書，也可供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員選用和設(shè)計(jì)光纖傳感器時(shí)參考。

書籍目錄

1 光纖傳感器1.1 概述1.1.1 光纖傳感器的定義及分類1.1.2 光纖傳感器的特點(diǎn)1.2 振幅調(diào)制傳感型光纖傳感器1.2.1 光纖微彎傳感器1.2.2 光纖受抑全內(nèi)反射傳感器1.2.3 光纖輻射傳感器1.3 相位調(diào)制傳感型光纖傳感器1.3.1 引言1.3.2 光纖M?Z干涉儀和光纖Michelson干涉儀1.3.3 光纖Sagnac干涉儀1.3.4 光纖Fabry?Perot干涉儀1.3.5 光纖環(huán)形腔干涉儀1.3.6 白光干涉型光纖傳感器1.3.7 光纖干涉儀的傳感應(yīng)用1.4 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器1.4.1 光纖電流傳感器1.4.2 光纖偏振干涉儀1.5 波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器1.5.1 引言1.5.2 光纖光柵的分類1.5.3 光纖布拉格光柵傳感原理1.5.4 光纖布拉格光柵在光纖傳感領(lǐng)域中的典型應(yīng)用1.5.5 長(zhǎng)周期光纖光柵在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用1.5.6 光纖光柵折射率傳感技術(shù)1.6 光纖熒光溫度傳感器1.6.1 光纖熒光溫度傳感原理1.6.2 熒光壽命測(cè)溫1.6.3 熒光強(qiáng)度比測(cè)溫1.6.4 熒光傳感材料1.6.5 熒光測(cè)溫系統(tǒng)1.6.6 熒光測(cè)溫系統(tǒng)在工業(yè)界的應(yīng)用1.7 分布式光纖傳感器1.7.1 概述1.7.2 散射型分布式光纖傳感器1.7.3 偏振型分布式光纖傳感器1.7.4 相位型分布式光纖傳感器1.7.5 微彎型分布式光纖傳感器1.7.6 熒光型分布式光纖傳感器1.7.7 應(yīng)用1.8 聚合物光纖傳感器1.8.1 概述1.8.2 多模聚合物光纖傳感器及其應(yīng)用1.9 光子晶體光纖及其在傳感中的應(yīng)用1.9.1 概述1.9.2 光子晶體光纖在傳感中的應(yīng)用1.9.3 高雙折射光子晶體光纖1.9.4 雙模光子晶體光纖傳感器1.9.5 摻雜的微結(jié)構(gòu)聚合物光纖傳感器1.9.6 其他傳感應(yīng)用1.10 傳光型光纖傳感器1.10.1 振幅調(diào)制傳光型光纖傳感器1.10.2 相位調(diào)制傳光型光纖傳感器1.10.3 偏振態(tài)調(diào)制傳光型光纖傳感器1.11 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及課題1.12 小結(jié)思考題與習(xí)題參考文獻(xiàn)2 多傳感器的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2.1 概述2.2 光纖網(wǎng)絡(luò)的連接技術(shù)2.2.1 網(wǎng)絡(luò)損耗的主要來(lái)源2.2.2 光網(wǎng)絡(luò)常用無(wú)源及有源光纖器件2.3 光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2.3.1 可用于構(gòu)成光傳感網(wǎng)的傳感器2.3.2 成網(wǎng)技術(shù)2.4 光傳感網(wǎng)實(shí)例——光纖光柵在傳感中的應(yīng)用2.4.1 光纖光柵在傳感應(yīng)用中需考慮的一般問題2.4.2 光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)2.5 小結(jié)思考題與習(xí)題參考文獻(xiàn)3 光電傳感器中的光纖技術(shù)3.1 概述3.2 光纖的基本特性3.3 均勻折射率光纖的特性3.3.1 子午光線的傳播3.3.2 斜光線的傳播3.3.3 光纖的彎曲3.3.4 光纖端面的傾斜效應(yīng)3.3.5 圓錐形光纖3.4 光纖的損耗3.4.1 吸收損耗3.4.2 散射損耗3.5 光纖的色散3.6 光纖的耦合技術(shù)3.6.1 光纖和光源的耦合3.6.2 光纖和光纖的直接耦合3.6.3 多模光纖通過透鏡耦合3.7 光纖中光波的控制技術(shù)3.7.1 光纖偏振器3.7.2 光纖濾波器3.7.3 光纖光柵3.7.4 光隔離器3.7.5 光調(diào)制器3.8 小結(jié)思考題與習(xí)題參考文獻(xiàn)4 光傳感信號(hào)處理技術(shù)4.1 概述4.2 相位調(diào)制型光傳感器的信號(hào)解調(diào)技術(shù)4.2.1 雙光束干涉理論4.2.2 干涉儀的信號(hào)解調(diào)4.3 光纖鎖相環(huán)法4.3.1 光纖鎖相環(huán)的原理4.3.2 光纖鎖相環(huán)系統(tǒng)的理論分析4.3.3 小結(jié)4.4 相位生成載波方法4.4.1 概述4.4.2 PGC方法原理4.4.3 PGC方法注意事項(xiàng)4.4.4 PGC信號(hào)頻譜分析4.4.5 PGC兩種方案的比較4.4.6 小結(jié)4.5 外差法4.5.1 概述4.5.2 外差法原理4.5.3 外差法頻譜分析4.5.4 外差法的優(yōu)缺點(diǎn)和注意事項(xiàng)4.5.5 小結(jié)4.6 干涉型光纖傳感器復(fù)用解復(fù)用方法4.6.1 概述4.6.2 頻分復(fù)用4.6.3 時(shí)分復(fù)用4.6.4 時(shí)分?波分復(fù)用4.7 小結(jié)思考題與習(xí)題參考文獻(xiàn)5 光傳感器的封裝技術(shù)5.1 概述5.2 光傳感器的封裝方式5.2.1 機(jī)械固定式5.2.2 膠粘固定式5.2.3 焊接固定式5.2.4 金屬焊固定式5.3 光器件封裝實(shí)例5.3.1 同軸封裝5.3.2 蝶式封裝5.3.3 帶尾纖全金屬化封裝5.3.4 Mini?DiL封裝5.3.5 無(wú)源對(duì)準(zhǔn)技術(shù)5.4 石英平面光路器件的封裝技術(shù)5.4.1 PLC封裝技術(shù)5.4.2 各種PLC組件封裝技術(shù)5.5 光表面安裝技術(shù)5.5.1 光表面安裝技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)5.5.2 光表面安裝技術(shù)的研究進(jìn)展5.6 小結(jié)思考題與習(xí)題參考文獻(xiàn)6 多傳感器信息融合技術(shù)6.1 概述6.2 多傳感器信息融合的基本原理6.3 多傳感器信息融合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.3.1 檢測(cè)級(jí)融合結(jié)構(gòu)6.3.2 位置級(jí)融合結(jié)構(gòu)6.3.3 目標(biāo)識(shí)別級(jí)融合結(jié)構(gòu)6.4 多傳感器信息融合的理論方法6.4.1 模型建立6.4.2 實(shí)際系統(tǒng)的性能優(yōu)化工具和方法6.4.3 傳感器系統(tǒng)及其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法的應(yīng)用6.5 多傳感器數(shù)據(jù)融合的典型應(yīng)用6.5.1 基于傳感器融合的反潛戰(zhàn)6.5.2 在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)6.5.3 多傳感器直線度誤差測(cè)量與分離技術(shù)6.6 小結(jié)思考題與習(xí)題參考文獻(xiàn)7 光電傳感技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用7.1 概述7.1.1 電力系統(tǒng)對(duì)傳感器的要求7.1.2 電力系統(tǒng)用光傳感器的主要類型7.2 光纖電流傳感器7.2.1 輻射內(nèi)調(diào)制型光纖電流傳感器7.2.2 電熱型和磁光型光纖電流傳感器7.2.3 光纖光柵電流傳感器7.2.4 三相光纖電流傳感器系統(tǒng)的研究7.3 光學(xué)電壓傳感器7.3.1 主要類型、原理與結(jié)構(gòu)7.3.2 典型應(yīng)用7.4 光纖電功率傳感器7.5 開關(guān)設(shè)備的傳感器——非電量傳感器7.5.1 光纖超聲波傳感器——局部放電定位7.5.2 光纖探針傳感器7.5.3 光纖熒光傳感器7.5.4 半導(dǎo)體光纖溫度傳感器7.6 典型應(yīng)用及產(chǎn)品實(shí)例7.6.1 光電式高壓電流傳感器7.6.2 NxtPhase的高壓電流傳感器7.6.3 ABB公司的電壓互感器7.6.4 數(shù)字光學(xué)儀用互感器7.7 小結(jié)思考題與習(xí)題參考文獻(xiàn)8 光電傳感技術(shù)在石油與化工行業(yè)的應(yīng)用8.1 概述8.2 分布式光纖溫度和壓力傳感器8.2.1 基于拉曼散射的光時(shí)域反射計(jì)與分布式光纖溫度傳感器8.2.2 基于光纖布拉格光柵的準(zhǔn)分布式溫度/壓力傳感8.3 井下油氣水光譜分析儀8.3.1 概述8.3.2 吸收式光譜分析儀的設(shè)計(jì)8.4 地震勘探中的光纖傳感器8.4.1 概述8.4.2 無(wú)指向性光纖聲傳感器8.4.3 光纖加速度傳感器8.5 小結(jié)思考題與習(xí)題參考文獻(xiàn)9 光電傳感技術(shù)在生物、生醫(yī)生化領(lǐng)域的應(yīng)用9.1 概述9.2 光生物傳感器9.2.1 概述9.2.2 光生物傳感器的主要類型、原理與結(jié)構(gòu)9.2.3 DNA傳感器9.2.4 光學(xué)免疫傳感器9.2.5 無(wú)標(biāo)記測(cè)試傳感器9.3 生物傳感器的典型應(yīng)用例9.3.1 表面等離子體諧振生物傳感器與SPR分析技術(shù)9.3.2 生物傳感器的固定化技術(shù)9.4 光醫(yī)學(xué)傳感器9.4.1 概述9.4.2 光纖體壓計(jì)9.4.3 光纖血流計(jì)9.4.4 液芯光纖溫度傳感器9.4.5 醫(yī)用內(nèi)窺鏡9.5 光生化傳感器9.5.1 概述9.5.2 原理與結(jié)構(gòu)9.5.3 基本類型9.6 小結(jié)思考題與習(xí)題參考文獻(xiàn)10 光電傳感技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用10.1 概述10.2 光纖陀螺儀10.2.1 開環(huán)光纖陀螺儀10.2.2 閉環(huán)光纖陀螺儀10.2.3 消偏干涉型光纖陀螺儀10.2.4 高精度光纖陀螺儀10.2.5 影響IFOG性能的主要誤差源10.3 航天飛行器姿態(tài)控制10.4 自主定位導(dǎo)航技術(shù)10.4.1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)10.4.2 機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)10.5 精確制導(dǎo)武器10.5.1 機(jī)載戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的慣性制導(dǎo)10.5.2 航空火力控制系統(tǒng)10.5.3 航空彈藥的制導(dǎo)10.6 智能材料與智能結(jié)構(gòu)10.6.1 概述10.6.2 智能材料中的光纖傳感器10.6.3 光纖智能材料結(jié)構(gòu)工藝10.7 典型應(yīng)用實(shí)例10.7.1 減振降噪10.7.2 LN?100M先進(jìn)模式定位系統(tǒng)10.7.3 LN?19510.7.4 慣性檢測(cè)單元LN?200S10.8 小結(jié)思考題與習(xí)題參考文獻(xiàn)11 光電傳感技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用11.1 概述11.2 光纖水聽器11.2.1 概述11.2.2 干涉型光纖水聽器工作原理11.2.3 光纖水聽器的種類11.2.4 光纖水聽器中應(yīng)考慮的問題11.3 光學(xué)傳感器在安全防范中的應(yīng)用11.3.1 概述11.3.2 全光纖的智能安全防范系統(tǒng)的設(shè)計(jì)11.4 其他光學(xué)傳感技術(shù)的應(yīng)用11.5 小結(jié)思考題與習(xí)題參考文獻(xiàn)12 光電傳感器在環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用12.1 概述12.2 氣體傳感技術(shù)及其應(yīng)用12.2.1 染料指示劑型光纖氣體傳感12.2.2 光纖熒光氣體傳感12.2.3 光纖折射率變化型氣體傳感12.2.4 光譜吸收型氣體傳感12.3 光譜吸收技術(shù)用于氣體測(cè)量的發(fā)展?fàn)顩r12.3.1 氣體在近紅外波段的吸收12.3.2 光譜吸收型光纖傳感技術(shù)的發(fā)展概況12.4 高靈敏度的光學(xué)氣體測(cè)量方法12.5 基于光子晶體光纖的氣體傳感技術(shù)12.6 小結(jié)思考題與習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1　光纖傳感器　　1.1　概述　　1.1.2　光纖傳感器的特點(diǎn)　　與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點(diǎn)如下：　?。?）抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，本質(zhì)安全　　由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸介質(zhì)，因而不怕強(qiáng)電磁干擾，也不影響外界的電磁場(chǎng)，并且安全可靠。這使它在各種大型機(jī)電、石油化工、冶金高壓、強(qiáng)電磁干擾、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕環(huán)境中能方便而有效地傳感?！　。?）靈敏度高　　利用長(zhǎng)光纖和光波干涉技術(shù)使不少光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器。其中有的已由理論證明，有的已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)、水聲、加速度、位移、溫度、磁場(chǎng)等物理量的光纖傳感器。　　（3）重量輕，體積小，外形可變　　光纖除具有重量輕、體積小的特點(diǎn)外，還有可撓的優(yōu)點(diǎn)，因此利用光纖可制成外。形各異、尺寸不同的各種光纖傳感器。這有利于航空、航天以及狹窄空間的應(yīng)用?！　。?）測(cè)量對(duì)象廣泛　　目前已有性能不同的測(cè)量溫度、壓力、位移、速度、加速度、液面、流量、振動(dòng)、水聲、電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電壓、雜質(zhì)含量、液體濃度、核輻射等各種物理量、化學(xué)量的光纖傳感器在現(xiàn)場(chǎng)使用。　?。?）對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小　　這對(duì)于醫(yī)藥生物領(lǐng)域的應(yīng)用極為有利。　?。?）便于復(fù)用，便于成網(wǎng)　　有利于與現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測(cè)網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)?！　。?）成本低　　有些種類的光纖傳感器的成本將大大低于現(xiàn)有同類傳感器。

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