光纖傳感技術與應用

前言

　　信息的提取——傳感技術是信息化時代的重要內(nèi)容之一。光纖傳感則是21世紀傳感技術的一個重要領域，其發(fā)展直接影響到許多行業(yè)的進步。但是目前缺少一本較全面反映光纖傳感技術進展的教材。這本教材能夠使讀者既能了解光纖傳感器的基本理論，又能使學生通過此教材的學習，在今后的創(chuàng)新工作中，能為光纖傳感器的選用和設計打下一個良好的基礎。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、光電子學以及光纖傳感器方面的教學和科學研究的經(jīng)驗，能對此做一些微薄的貢獻?！　”緯^全面地介紹了光纖傳感技術與典型應用，其中包括光纖傳感器的基本原理，光纖傳感器的網(wǎng)絡技術，光纖傳感器中的光纖技術，相位型光纖傳感器的信號處理技術，光纖傳感器的封裝技術，多傳感器的融合技術，以及光纖傳感器在電力、石油與化工、生醫(yī)生化、航空航天、國防、環(huán)境保護與監(jiān)測等領域的應用。　　本書編寫的目的有二：　一為教材，二為參考書。作為教材，書中內(nèi)容可按教學大綱有所取舍。其中光纖傳感器的基本原理和光纖傳感器的關鍵技術（網(wǎng)絡技術、光纖技術、信號處理技術、封裝技術、多傳感器的融合技術）可作為基本內(nèi)容，重點講述；　而光纖傳感器的典型應用，則作為一般了解內(nèi)容，可做簡要介紹，也可作為自學內(nèi)容，目的是擴大眼界。建議課上，教師以講清楚物理概念為主，使學生了解各類光傳感器的基本原理，其余可作為自學的閱讀材料。也可采取學生自學有關材料后，以綜述報告的形式進行交流，為學生在今后工作中選用或設計所需的傳感器打下必要的基礎。作為參考書，本書可作為各領域相關讀者系統(tǒng)而全面地了解光傳感器的參考讀物?！　”緯闹饕攸c可歸納為：　?。?） 本書較全面、簡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果的分析，著重在物理概念及其數(shù)學表達方式，便于讀者在今后工作過程中能自己建立有關傳感過程的物理模型，對所得傳感結果能給予正確、合理的解釋?！　。?） 本書選材不僅較全面地介紹了光纖傳感技術，還根據(jù)編者多年科研和教學工作的經(jīng)驗，給讀者提供了：　對于不同的使用環(huán)境，如何選用和設計光電傳感器，在使用和設計中應如何考慮實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。　　參加本書編寫的有：　匡武博士，負責編寫第4章；　黎敏教授，負責編寫第7章、第9章和第10章；　張敏副教授，負責編寫第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?！　”緯靡猿霭?，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，由于編者知識有限，書中缺點和錯誤在所難免，懇請讀者批評指正。

內(nèi)容概要

　　《光纖傳感技術與應用》在全面介紹各類光纖傳感器的基礎上，分析和討論了在設計和應用光纖傳感器時要注意的一些基本問題和關鍵技術，并給出了光纖傳感器的典型應用實例。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、國防等領域的典型應用?！　　豆饫w傳感技術與應用》選材廣泛，既反映了光纖傳感技術的最新發(fā)展，又有一定深度?！豆饫w傳感技術與應用》可作為高校物理電子和光電子、光學、光學儀器等專業(yè)的本科生和研究生的教材或參考書，也可供相關專業(yè)技術人員選用和設計光纖傳感器時參考。

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域中的典型應用1.5.5 長周期光纖光柵在傳感領域的應用1.5.6 光纖光柵折射率傳感技術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 熒光壽命測溫1.6.3 熒光強度比測溫1.6.4 熒光傳感材料1.6.5 熒光測溫系統(tǒng)1.6.6 熒光測溫系統(tǒng)在工業(yè)界的應用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用1.9 光子晶體光纖及其在傳感中的應用1.9.1 概述1.9.2 光子晶體光纖在傳感中的應用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 摻雜的微結構聚合物光纖傳感器1.9.6 其他傳感應用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 光纖傳感技術的發(fā)展趨勢及課題1.12 小結思考題與習題參考文獻2 多傳感器的光網(wǎng)絡技術2.1 概述2.2 光纖網(wǎng)絡的連接技術2.2.1 網(wǎng)絡損耗的主要來源2.2.2 光網(wǎng)絡常用無源及有源光纖器件2.3 光網(wǎng)絡技術2.3.1 可用于構成光傳感網(wǎng)的傳感器2.3.2 成網(wǎng)技術2.4 光傳感網(wǎng)實例——光纖光柵在傳感中的應用2.4.1 光纖光柵在傳感應用中需考慮的一般問題2.4.2 光纖光柵傳感網(wǎng)絡2.5 小結思考題與習題參考文獻3 光電傳感器中的光纖技術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 小結思考題與習題參考文獻4 光傳感信號處理技術4.1 概述4.2 相位調(diào)制型光傳感器的信號解調(diào)技術4.2.1 雙光束干涉理論4.2.2 干涉儀的信號解調(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4.4.4 PGC信號頻譜分析4.4.5 PGC兩種方案的比較4.4.6 小結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)缺點和注意事項4.5.5 小結4.6 干涉型光纖傳感器復用解復用方法4.6.1 概述4.6.2 頻分復用4.6.3 時分復用4.6.4 時分?波分復用4.7 小結思考題與習題參考文獻5 光傳感器的封裝技術5.1 概述5.2 光傳感器的封裝方式5.2.1 機械固定式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 無源對準技術5.4 石英平面光路器件的封裝技術5.4.1 PLC封裝技術5.4.2 各種PLC組件封裝技術5.5 光表面安裝技術5.5.1 光表面安裝技術的基本結構與特點5.5.2 光表面安裝技術的研究進展5.6 小結思考題與習題參考文獻6 多傳感器信息融合技術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)結構6.3.1 檢測級融合結構6.3.2 位置級融合結構6.3.3 目標識別級融合結構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)絡學習算法的應用6.5 多傳感器數(shù)據(jù)融合的典型應用6.5.1 基于傳感器融合的反潛戰(zhàn)6.5.2 在線水質監(jiān)測6.5.3 多傳感器直線度誤差測量與分離技術6.6 小結思考題與習題參考文獻7 光電傳感技術在電力系統(tǒng)的應用7.1 概述7.1.1 電力系統(tǒng)對傳感器的要求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 光學電壓傳感器7.3.1 主要類型、原理與結構7.3.2 典型應用7.4 光纖電功率傳感器7.5 開關設備的傳感器——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 半導體光纖溫度傳感器7.6 典型應用及產(chǎn)品實例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)字光學儀用互感器7.7 小結思考題與習題參考文獻8 光電傳感技術在石油與化工行業(yè)的應用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域反射計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計8.4 地震勘探中的光纖傳感器8.4.1 概述8.4.2 無指向性光纖聲傳感器8.4.3 光纖加速度傳感器8.5 小結思考題與習題參考文獻9 光電傳感技術在生物、生醫(yī)生化領域的應用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、原理與結構9.2.3 DNA傳感器9.2.4 光學免疫傳感器9.2.5 無標記測試傳感器9.3 生物傳感器的典型應用例9.3.1 表面等離子體諧振生物傳感器與SPR分析技術9.3.2 生物傳感器的固定化技術9.4 光醫(yī)學傳感器9.4.1 概述9.4.2 光纖體壓計9.4.3 光纖血流計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 原理與結構9.5.3 基本類型9.6 小結思考題與習題參考文獻10 光電傳感技術在航空航天領域的應用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 自主定位導航技術10.4.1 組合導航系統(tǒng)10.4.2 機載慣性導航系統(tǒng)10.5 精確制導武器10.5.1 機載戰(zhàn)術導彈的慣性制導10.5.2 航空火力控制系統(tǒng)10.5.3 航空彈藥的制導10.6 智能材料與智能結構10.6.1 概述10.6.2 智能材料中的光纖傳感器10.6.3 光纖智能材料結構工藝10.7 典型應用實例10.7.1 減振降噪10.7.2 LN?100M先進模式定位系統(tǒng)10.7.3 LN?19510.7.4 慣性檢測單元LN?200S10.8 小結思考題與習題參考文獻11 光電傳感技術在國防領域的應用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 光纖水聽器中應考慮的問題11.3 光學傳感器在安全防范中的應用11.3.1 概述11.3.2 全光纖的智能安全防范系統(tǒng)的設計11.4 其他光學傳感技術的應用11.5 小結思考題與習題參考文獻12 光電傳感器在環(huán)境保護與監(jiān)測中的應用12.1 概述12.2 氣體傳感技術及其應用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 光譜吸收技術用于氣體測量的發(fā)展狀況12.3.1 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的發(fā)展概況12.4 高靈敏度的光學氣體測量方法12.5 基于光子晶體光纖的氣體傳感技術12.6 小結思考題與習題參考文獻

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　　與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點如下：　?。?）抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，本質安全　　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，因而不怕強電磁干擾，也不影響外界的電磁場，并且安全可靠。這使它在各種大型機電、石油化工、冶金高壓、強電磁干擾、易燃、易爆、強腐蝕環(huán)境中能方便而有效地傳感?！　。?）靈敏度高　　利用長光纖和光波干涉技術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)實驗驗證，如測量轉動、水聲、加速度、位移、溫度、磁場等物理量的光纖傳感器?！　。?）重量輕，體積小，外形可變　　光纖除具有重量輕、體積小的特點外，還有可撓的優(yōu)點，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用?！　。?）測量對象廣泛　　目前已有性能不同的測量溫度、壓力、位移、速度、加速度、液面、流量、振動、水聲、電流、電場、磁場、電壓、雜質含量、液體濃度、核輻射等各種物理量、化學量的光纖傳感器在現(xiàn)場使用。　?。?）對被測介質影響小　　這對于醫(yī)藥生物領域的應用極為有利?！　。?）便于復用，便于成網(wǎng)　　有利于與現(xiàn)有光通信技術組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡。　?。?）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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