光纖傳感器及其應(yīng)用技術(shù)

前言

　　自20世紀(jì)70年代美國(guó)coming公司制造出第一根低損耗光纖至今，光纖通信技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)，迅速壯大，并發(fā)展成為年產(chǎn)值逾千億元、當(dāng)今信息時(shí)代的支柱產(chǎn)業(yè)之一。與之相伴生的光纖產(chǎn)業(yè)鏈的另一個(gè)分支--光纖傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)歷了由零星研究走向集中開(kāi)發(fā)、由軍用步人民用、由單點(diǎn)監(jiān)測(cè)走向分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)之后，近年來(lái)正大踏步地走向產(chǎn)業(yè)騰飛之路?！　∫话阏J(rèn)為，傳感器的開(kāi)發(fā)周期為10年，它包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用三個(gè)階段。20世紀(jì)90年代，世界范圍的光纖傳感技術(shù)呈現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的態(tài)勢(shì)，主要形成了軍事和民用兩大應(yīng)用領(lǐng)域，其中包括：國(guó)土安全防衛(wèi)系統(tǒng)、大型構(gòu)件的健康診斷系統(tǒng)、電力工業(yè)的安全檢測(cè)系統(tǒng)以及用于石油化工、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境等領(lǐng)域的光纖檢測(cè)系統(tǒng)。我國(guó)雖然早已于20世紀(jì)70年代末期開(kāi)始了光纖傳感技術(shù)的研究工作，但是由于受到制造工藝、器件和配套電子技術(shù)的制約，一直未能進(jìn)入大規(guī)模工程應(yīng)用階段。直到最近10年，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感關(guān)鍵器件的生產(chǎn)工藝逐步成熟，相關(guān)器件和配套技術(shù)也不斷完善。更主要的是國(guó)內(nèi)巨大市場(chǎng)對(duì)光纖傳感器需求的日益增長(zhǎng)，催生了國(guó)內(nèi)專業(yè)光纖傳感器企業(yè)的誕生，這標(biāo)志著我國(guó)光纖傳感技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入工程應(yīng)用階段?！　‘?dāng)前我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高峰期。電力、石油石化、環(huán)境以及基礎(chǔ)建設(shè)等行業(yè)的高速增長(zhǎng)，對(duì)安全生產(chǎn)的呼聲愈來(lái)愈高。此外，為適應(yīng)國(guó)際形勢(shì)的變化，國(guó)防建設(shè)也日益受到重視。而作為現(xiàn)代傳感技術(shù)領(lǐng)域的重要分支，光纖傳感器具有其他類型傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。其中包括本征絕緣、抗電磁干擾和分布式傳感的特性，使得光纖傳感器及系統(tǒng)尤其適合于易燃易爆、高危險(xiǎn)特種行業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)的需要。　　作為信息時(shí)代的新型技術(shù)，各個(gè)高校普遍開(kāi)設(shè)有光纖光學(xué)和光纖通信技術(shù)等專業(yè)課程。然而光纖傳感技術(shù)在大多數(shù)高校相關(guān)專業(yè)中，仍然只是作為傳感器技術(shù)的一章，沒(méi)有得到應(yīng)有的重視和推介。本教材基于此現(xiàn)狀，面向電子信息及其相關(guān)專業(yè)，精簡(jiǎn)了眾多光纖通信技術(shù)書(shū)籍中共有的光纖光學(xué)部分的內(nèi)容，詳細(xì)討論四大類型（振幅、相位、偏振和波長(zhǎng)調(diào)制）以及分布式光纖傳感器的原理、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用及設(shè)計(jì)實(shí)例；提煉并重點(diǎn)介紹光纖傳感的關(guān)鍵技術(shù)--網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和封裝技術(shù)，并將最新研究方向--聚合物光纖傳感器、光子晶體光纖傳感器以及微米、納米光電傳感器納入課程范疇。對(duì)于豐富電子信息類及其相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)、開(kāi)拓視野、啟發(fā)創(chuàng)新思維大有裨益。

內(nèi)容概要

作為現(xiàn)代傳感技術(shù)的重要分支，光纖傳感技術(shù)在許多領(lǐng)域具有替代傳統(tǒng)傳感器、彌補(bǔ)傳感領(lǐng)域空白的先天優(yōu)勢(shì)。本教材以光纖傳感器為核心，著重詳細(xì)討論了強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型、波長(zhǎng)調(diào)制型和偏振態(tài)調(diào)制型四大類型傳感器以及分布式光纖傳感器的原理、技術(shù)和設(shè)計(jì)方法；有選擇地介紹了光纖傳感的兩項(xiàng)核心技術(shù)——網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和封裝技術(shù)；首次將光纖傳感最新研究方向新材料光纖傳感器——聚合物光纖傳感器、光子晶體光纖傳感器以及微米和納米光電傳感器納入教材。    教材內(nèi)容覆蓋了光纖傳感領(lǐng)域的方方面面，特別是對(duì)傳感器的討論細(xì)致、深入，并列舉了大量的應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例。由于有教學(xué)科研的相輔相長(zhǎng)，對(duì)學(xué)科最新技術(shù)和進(jìn)展的介紹全面、貼近工程應(yīng)用實(shí)際?？勺鳛殡娮有畔㈩愊嚓P(guān)專業(yè)的教材，同時(shí)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的科研及實(shí)際工作者了解學(xué)科的前沿動(dòng)態(tài)、啟發(fā)創(chuàng)新思維有較高的參考價(jià)值。

書(shū)籍目錄

第1章  光纖技術(shù)基礎(chǔ)  1.1  光纖的基本特性    1.1.1  均勻折射率光纖中光線的傳播與數(shù)值孔徑    1.1.2  光纖的彎曲    1.1.3  光纖端面的傾斜效應(yīng)    1.1.4  圓錐形光纖    1.1.5  光纖的損耗    1.1.6  光纖的色散  1.2  光纖的耦合技術(shù)    1.2.1  光纖和光源的耦合    1.2.2  光纖和光纖的直接耦合    1.2.3  多模光纖通過(guò)透鏡耦合  1.3  常用無(wú)源、有源光纖器件    1.3.1  熔錐型單模光纖光分/合路連接器    1.3.2  磨拋型單模光纖定向耦合器    1.3.3  光開(kāi)關(guān)    1.3.4  摻雜光纖激光器與放大器    1.3.5  光纖放大器  1.4  光纖器件的選擇    1.4.1  丸纖偏振器    1.4.2  光纖濾波器    1.4.3  光纖光柵    1.4.4  光隔離器    1.4.5  光調(diào)制器  1.5  光纖傳感器的定義、分類及特點(diǎn)    1.5.1  光纖傳感器的定義和分類    1.5.2  光纖傳感器的特點(diǎn)  習(xí)題與思考第2章  強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器  2.1  強(qiáng)度調(diào)制傳感原理    2.1.1  反射式強(qiáng)度調(diào)制    2.1.2  透射式強(qiáng)度調(diào)制    2.1.3  光纖模式功率分布強(qiáng)度調(diào)制    2.1.4  折射率強(qiáng)度調(diào)制    2.1.5  光吸收系數(shù)調(diào)制  2.2  強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的補(bǔ)償技術(shù)    2.2.1  光源負(fù)反饋穩(wěn)定法    2.2.2  雙波長(zhǎng)補(bǔ)償法    2.2.3  旁路光纖監(jiān)測(cè)法    2.2.4  光橋平衡補(bǔ)償法    2.2.5  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法  2.3  強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的類型及應(yīng)用實(shí)例    2.3.1  光纖微彎傳感器    2.3.2  光纖溫度傳感器  2.4  強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的研究與發(fā)展方向  習(xí)題與思考第3章  相位調(diào)制型光纖傳感器  3.1  相位調(diào)制型光纖傳感器原理    3.1.1  應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)    3.1.2  溫度應(yīng)變效應(yīng)  3.2  光纖干涉儀的類型　　3.2.1　Mach-Zehnder和Michelson光纖干涉儀    3.2.2　Sagnac光纖干涉儀    3.2.3　光纖Fabry-Perot干涉儀    3.2.4　光纖環(huán)形腔干涉儀    3.2.5　相位壓縮原理與微分干涉儀    3.2.6  白光干涉型光纖傳感器　3.3　相位調(diào)制型光傳感器的信號(hào)解調(diào)技術(shù)    3.3.1  干涉儀的信號(hào)解調(diào)    3.3.2　光纖鎖相環(huán)方法    3.3.3　相位生成載波（PGC）解調(diào)方案　3.4　光纖干涉儀的傳感應(yīng)用實(shí)例    3.4.1  干涉式位移傳感器    3.4.2　加速度傳感器    3.4.3　振動(dòng)傳感器    3.4.4　溫度傳感器    3.4.5　磁場(chǎng)傳感器    3.4.6　電流傳感器　3.5　相位調(diào)制型光纖傳感器的發(fā)展　習(xí)題與思考　第4章  波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器第5章  偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器第6章  分布式光纖傳感器第7章  光傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第8章  光傳感器的封裝技術(shù)第9章  新材料光纖傳感器及應(yīng)用技術(shù)第10章  光電微型傳感器第11章  納米傳感器參考文獻(xiàn)

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