光纤传感原理与应用技术PDF电子书下载

第1章　光纤器件及原理 1

1.1 光纤的基本概念 1

1.1.1 光纤的结构 1

1.1.2 光纤的材料 2

1.1.3 光纤的类型 3

1.1.4　光纤的特性 4

1.2　传感用光纤器件 5

1.2.1 光纤光栅 6

1.2.2　光纤光栅制作方法及传感基础 7

1.2.3　光纤耦合器 14

1.2.4　光纤隔离器及环形器 19

1.2.5 光开关 20

1.2.6　波分复用器 29

1.2.7 自聚焦透镜 31

参考文献 34

第2章　光纤传感系统 36

2.1 光纤传感系统的组成 36

2.2　光纤传感系统中的光源 37

2.2.1 半导体激光二极管 38

2.2.2　发光二极管 39

2.2.3　放大自发辐射ASE光源 41

2.2.4 可调谐分布反馈（DFB）激光器 42

2.2.5　光纤光栅激光器 43

2.2.6 氦氖（He-Ne）激光器 46

2.3　光纤传感系统中的光电探测器 46

2.3.1 PIN光电二极管 47

2.3.2　雪崩光电二极管 48

2.3.3 光敏电阻 50

2.3.4　硅光电池 51

2.3.5　硅光电二极管 52

2.3.6　光电位置敏感器件 54

2.4　光纤传感器中光的调制技术 55

2.5　光纤传感技术简介 56

参考文献 58

第3章　光纤传感器中的光学原理及效应 60

3.1　光学反射原理 60

3.2　光学折射原理 61

3.3　光学吸收原理 62

3.3.1　光学吸收原理 62

3.3.2　一般吸收和选择吸收 63

3.3.3　吸收光谱 63

3.3.4　半导体吸收法测量温度的原理 64

3.3.5　光谱吸收法测量成分或浓度 65

3.4　光学多普勒效应 66

3.5　声光效应 66

3.6　磁光效应 67

3.6.1　法拉第效应 68

3.6.2　磁光克尔效应 68

3.6.3　塞曼效应 69

3.6.4　磁致线双折射效应 69

3.6.5　磁光效应的应用 70

3.7 电光效应 71

3.7.1　泡克耳斯效应 71

3.7.2　基于电光效应的光纤电压传感技术 73

3.7.3 一种基于电光效应的光纤电压传感器 76

3.8　弹光效应 77

3.9 Sagnac效应 78

3.9.1 圆形光路轨道的情况 78

3.9.2　任意形状光路轨道的情况 79

3.9.3　光纤陀螺原理 80

3.10 光声效应 83

3.10.1 液体光声效应的激光激发机制 83

3.10.2　液体光声效应的应用 84

参考文献 85

第4章　光纤传感原理及应用技术 88

4.1　强度调制型光纤传感器技术 88

4.1.1　反射式强度调制 89

4.1.2　透射式强度调制 91

4.1.3　光模式强度调制 93

4.1.4　折射率强度调制 95

4.1.5　光吸收系数强度调制 97

4.2　相位调制型光纤传感器技术 98

4.2.1　光纤相位调制机理 98

4.2.2　光纤相位调制的普通干涉测量 102

4.2.3　光纤相位调制干涉测量的新发展 108

4.2.4　光纤相位解调技术 116

4.3　偏振调制型光纤传感器技术 120

4.3.1 光纤偏振调制的常用物理效应 120

4.3.2　光纤偏振调制机理的典型应用 121

4.4　频率调制型光纤传感器技术 126

4.4.1　光学多普勒效应 127

4.4.2　光纤多普勒传感技术 127

4.5　波长调制型光纤传感器技术 129

4.5.1 光纤pH值探测技术 130

4.5.2　光纤荧光探测技术 131

4.5.3　光纤黑体辐射探测技术 132

4.6　分布式光纤传感器技术 134

参考文献 140

第5章　光纤光栅传感应用技术 145

5.1　光纤光栅温度传感器 145

5.1.1 用裸光纤光栅传感器对温度进行测量 146

5.1.2　对裸光纤光栅封装制成的温度传感器 147

5.1.3　带有机械结构的光纤光栅温度传感器 151

5.2　光纤光栅振动与加速度传感器 153

5.2.1 光纤光栅应变测量的基本公式 153

5.2.2　悬臂梁和简支梁结构 154

5.2.3 光纤光栅振动与加速度传感器 157

5.3　光纤光栅压力传感器 165

5.3.1　裸光纤光栅的压力测量 165

5.3.2　改进的光纤光栅压力传感器 166

5.4　光纤光栅电磁传感器 184

5.5　光纤光栅水声以及液体参数传感器 191

5.5.1　光纤光栅水声传感器 191

5.5.2　光纤光栅液体参数传感器 194

5.6　光纤光栅碳氢化合物传感器 199

5.7　长周期光纤光栅折射率传感器 204

5.8　光纤光栅扭矩传感器 208

5.8.1　扭矩传感原理 208

5.8.2　光纤光栅扭矩传感器结构 210

参考文献 216

第6章　光纤光栅传感信号的解调方法 220

6.1　单光纤光栅传感信号的解调技术 220

6.1.1 复合干涉解调法 221

6.1.2　被动式波长比率解调法 222

6.1.3　波分复用（WDM）光纤耦合器解调法 223

6.1.4　非平衡Mach-Zehnder干涉解调法 224

6.1.5　锁模解调法 226

6.1.6 基于光纤Fabry-Perot滤波器解调法 227

6.1.7　非平衡扫描迈克尔逊干涉仪解调法 228

6.1.8　斜光纤光栅（TFBG）解调法 229

6.1.9　基于波长选择性探测器的解调法 230

6.1.10　傅里叶变换谱法 231

6.1.11 FBG自解调法 231

6.1.12　匹配光纤光栅滤波法 232

6.1.13　波长扫描极值法 233

6.1.14　高折射环形镜边缘滤波法 234

6.1.15　保偏光纤环路调谐法 234

6.2　多光纤光栅分布式传感信号的解调技术 235

6.2.1 CCD分光计法 236

6.2.2 匹配FBG可调滤波检测法 237

6.2.3　可调谐光纤F-P滤波器检测法 238

6.2.4　非平衡M-Z干涉仪检测法 239

6.2.5　结合时域地址查询技术的非平衡Michelson干涉解调检测法 240

6.2.6　可调窄带光源检测法 243

6.2.7　连续波调频技术 244

6.2.8　宽谱光源／副载波检测法 246

6.2.9　可调制激光器解调系统 247

参考文献 249

第7章 光纤光栅传感网络与复用技术 251

7.1　光纤光栅传感网络的概念 251

7.1.1　传感器网络 251

7.1.2　光纤光栅传感网络 251

7.2　光纤光栅传感网络常见的复用技术 252

7.2.1 光纤光栅传感网络的波分复用技术 253

7.2.2　光纤光栅传感网络的空分复用技术 258

7.2.3　光纤光栅传感网络的时分复用技术 260

7.2.4 光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术 261

7.2.5 光纤光栅传感网络的相干域复用技术 262

7.2.6　混合复用FBG传感网络 263

参考文献 269

第8章　新型光纤器件及原理 271

8.1　光子晶体光纤 271

8.1.1 光子晶体光纤的结构及其导光原理 272

8.1.2 PCF的特性 273

8.1.3　光子晶体光纤的发展 274

8.1.4　光子晶体光纤光栅 277

8.2　新型塑料光纤 283

8.2.1　塑料光纤的概念和材料 283

8.2.2　塑料光纤的制作方法 284

8.2.3　塑料光纤的特性 284

8.2.4　塑料光纤的新发展与应用 285

8.3　液芯光纤 286

8.4　一些典型的传感用特种光纤 289

8.4.1　特殊处理的石英光纤 290

8.4.2　光纤结构的改变 292

8.4.3　改变光纤的掺杂材料 294

8.5　双轴（保偏）光纤光栅 297

8.5.1　双轴光纤光栅的概念 297

8.5.2　边孔光纤光栅的特性 298

8.6　双包层光纤光栅 301

8.7　变包层光纤光栅 303

8.8　多模光纤光栅 306

8.9　少模光纤光栅 307

8.10　光纤光栅耦合器 309

8.10.1　分离式光纤光栅耦合器 309

8.10.2　融合式光纤光栅耦合器 310

8.11 阶跃变化折射率长周期光纤光栅 312

参考文献 312

思考题 316