光纤传感器及其应用技术PDF电子书下载

第1章 光纤技术基础 1

1.1 光纤的基本特性 1

1.1.1 均匀折射率光纤中光线的传播与数值孔径 2

1.1.2 光纤的弯曲 4

1.1.3 光纤端面的倾斜效应 5

1.1.4 圆锥形光纤 6

1.1.5 光纤的损耗 7

1.1.6 光纤的色散 9

1.2 光纤的耦合技术 10

1.2.1 光纤和光源的耦合 10

1.2.2 光纤和光纤的直接耦合 12

1.2.3 多模光纤通过透镜耦合 12

1.3 常用无源、有源光纤器件 13

1.3.1 熔锥型单模光纤光分合路连接器 14

1.3.2 磨抛型单模光纤定向耦合器 18

1.3.3 光开关 20

1.3.4 掺杂光纤激光器与放大器 22

1.3.5 光纤放大器 27

1.4 光纤器件的选择 31

1.4.1 光纤偏振器 32

1.4.2 光纤滤波器 34

1.4.3 光纤光栅 38

1.4.4 光隔离器 42

1.4.5 光调制器 43

1.5 光纤传感器的定义、分类及特点 47

1.5.1 光纤传感器的定义和分类 47

1.5.2 光纤传感器的特点 48

习题与思考 48

第2章 强度调制型光纤传感器 50

2.1 强度调制传感原理 50

2.1.1 反射式强度调制 50

2.1.2 透射式强度调制 53

2.1.3 光纤模式功率分布强度调制 55

2.1.4 折射率强度调制 57

2.1.5 光吸收系数调制 58

2.2 强度调制型光纤传感器的补偿技术 59

2.2.1 光源负反馈稳定法 59

2.2.2 双波长补偿法 60

2.2.3 旁路光纤监测法 61

2.2.4 光桥平衡补偿法 62

2.2.5 神经网络补偿法 64

2.3 强度调制型光纤传感器的类型及应用实例 65

2.3.1 光纤微弯传感器 65

2.3.2 光纤温度传感器 69

2.4 强度调制型光纤传感器的研究与发展方向 73

习题与思考 73

第3章 相位调制型光纤传感器 75

3.1 相位调制型光纤传感器原理 75

3.1.1 应力应变效应 75

3.1.2 温度应变效应 78

3.2 光纤干涉仪的类型 79

3.2.1 Mach-Zehnder和Michelson光纤干涉仪 79

3.2.2 Sagnac光纤干涉仪 81

3.2.3 光纤Fabry-Perot干涉仪 85

3.2.4 光纤环形腔干涉仪 85

3.2.5 相位压缩原理与微分干涉仪 88

3.2.6 白光干涉型光纤传感器 90

3.3 相位调制型光传感器的信号解调技术 94

3.3.1 干涉仪的信号解调 95

3.3.2 光纤锁相环方法 98

3.3.3 相位生成载波（PGC）解调方案 100

3.4 光纤干涉仪的传感应用实例 102

3.4.1 干涉式位移传感器 102

3.4.2 加速度传感器 103

3.4.3 振动传感器 105

3.4.4 温度传感器 107

3.4.5 磁场传感器 109

3.4.6 电流传感器 110

3.5 相位调制型光纤传感器的发展 114

习题与思考 114

第4章 波长调制型光纤传感器 116

4.1 波长调制传感原理 116

4.2 光纤布拉格光栅应变传感模型分析 116

4.2.1 各向同性介质中胡克定理的一般形式 117

4.2.2 均匀轴向应力作用下光纤光栅传感模型 118

4.2.3 均匀横向应力作用下光纤光栅传感模型 120

4.2.4 任意正应力作用下光纤光栅传感模型 121

4.3 光纤布拉格光栅温度传感模型分析 121

4.3.1 光纤光栅温度传感模型分析的前提假设 121

4.3.2 光纤光栅温度传感模型分析 122

4.4 光纤光栅增敏与去敏设计 123

4.4.1 非均匀涂敷对光纤光栅光学性能的影响 124

4.4.2 光纤光栅的保护和封装 125

4.5 光纤布拉格光栅在光纤传感领域中的典型应用 127

4.5.1 单参量测量 127

4.5.2 双参量测量 128

4.5.3 准分布式多点测量 128

4.6 传光型波长调制光纤传感器 128

4.6.1 波长调制机理 128

4.6.2 光纤pH值传感器 129

4.6.3 光纤磷光传感器 131

4.6.4 光纤黑体温度计 132

4.7 光纤传感器用于智能材料及其结构 134

4.7.1 可用于智能结构的光纤传感器 135

4.7.2 光纤传感器用于智能结构的一些问题 135

习题与思考 136

第5章 偏振态调制型光纤传感器 137

5.1 偏振态调制传感原理 137

5.1.1 Pockels效应 137

5.1.2 Kerr效应 138

5.1.3 Faraday效应 140

5.1.4 弹光效应 141

5.2 偏振调制光纤传感器类型及应用实例 142

5.2.1 光纤电流传感器 142

5.2.2 BSO晶体光纤电场传感器 144

5.2.3 光纤法拉第磁强计 145

5.2.4 压力与水声传感器 146

5.2.5 医用体压计 146

5.2.6 动脉光纤血流计 149

5.2.7 光纤偏振干涉仪 150

习题与思考 150

第6章 分布式光纤传感器 152

6.1 引言 152

6.2 时域分布式光纤传感器的工作机理 154

6.2.1 光纤中的背向散射光分析 154

6.2.2 OTDR技术 155

6.2.3 瑞利散射型分布式光纤传感技术 155

6.2.4 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术 156

6.2.5 布里渊散射型分布式光纤传感技术 157

6.2.6 拉曼型、布里渊型和偏振模式耦合型分布式温度传感方法比较 160

6.2.7 FBG和BOTDR性能比较 160

6.3 其他（准）分布式光纤传感器——光纤法珀传感器 161

6.3.1 光纤法珀传感器的分类及特点 162

6.3.2 光纤法珀传感器的复用 164

6.4 分布式光纤传感器的应用 166

小结 168

习题与思考 168

第7章 光传感器网络技术 169

7.1 概述 169

7.2 光纤网络的连接技术 169

7.2.1 网络损耗的主要来源 169

7.2.2 通过透镜耦合降低损耗 181

7.3 光网络技术 184

7.3.1 可用于构成光传感网的传感器 184

7.3.2 成网技术 190

7.4 光纤光栅传感网络 194

7.4.1 光纤光栅在传感应用中需考虑的一般问题 194

7.4.2 光纤光栅传感网络 194

习题和思考 200

第8章 光传感器的封装技术 201

8.1 概述 201

8.1.1 光传感器封装的主要目的 201

8.1.2 光传感器封装的基本要求 201

8.2 光传感器的封装类型 202

8.2.1 机械固定式 202

8.2.2 胶粘固定式 203

8.2.3 焊接固定式 203

8.2.4 金属焊固定式 203

8.3 光器件封装实例 204

8.3.1 同轴封装 204

8.3.2 蝶式封装 205

8.3.3 带尾纤全金属化封装 207

8.3.4 Mini-DiL封装 207

8.3.5 无源对准技术 208

8.4 石英平面光路器件的封装技术 209

8.4.1 PLC封装技术 210

8.4.2 各种PLC组件封装技术 211

8.5 光表面安装技术 213

8.5.1 光表面安装技术的基本结构与特点 213

8.5.2 光SMT的研究进展 214

习题与思考 215

第9章 新材料光纤传感器及应用技术 216

9.1 光子晶体光纤及其在传感中的应用 216

9.1.1 光子晶体光纤 216

9.1.2 光子晶体光纤传感器 221

9.1.3 PCF小结 224

9.2 聚合物光纤及其传感应用 224

9.2.1 聚合物光纤材料及类型 225

9.2.2 多模聚合物光纤传感器及其应用 231

9.2.3 单模聚合物光纤传感器及其应用 236

小结 241

习题与思考 242

第10章 光电微型传感器 243

10.1 MEMS与微系统简介 243

10.1.1 典型的MEMS产品 245

10.1.2 微制造业的演变与微传感器的发展 246

10.1.3 微系统设计与制造的多学科交叉本质 247

10.1.4 MEMS传感器和微系统在各工业领域的应用与市场 248

10.2 微光机电系统与光电微型传感器 249

10.2.1 微光机电系统 249

10.2.2 微光电传感器、执行器 251

10.3 光电微型传感器典型器件 260

10.3.1 MEMS“元器件”的定义 260

10.3.2 带有微机械加工IO结构的光纤传感器 260

10.3.3 可调光学传感器 261

10.3.4 微机械加工的Bragg光栅传感器 262

10.4 微制造技术与微制造业 263

10.4.1 微（光机电）系统常用材料 263

10.4.2 MEMS技术与微传感器性能的关系 265

10.5 微型系统的封装 265

10.5.1 微系统封装设计中通常应考虑的问题 265

10.5.2 光微加工封装技术 267

10.6 关于微系统设计 269

小结 270

习题与思考 270

第11章 纳米传感器 272

11.1 纳米传感器原理 272

11.1.1 纳米器件、纳米系统与纳米技术 272

11.1.2 纳米技术的发展历程 272

11.1.3 纳米传感器的基本原理 273

11.2 纳米系统的结构与设计举例 276

11.2.1 纳米系统的结构 277

11.2.2 电磁学及其在NEMS中的应用 278

11.2.3 纳米机电系统 279

11.2.4 NEMS设计举例——生物纳米马达 282

11.3 纳米制造技术 285

11.4 典型纳米传感单元结构 286

11.4.1 纳米探针 286

11.4.2 碳纳米管 287

11.4.3 介孔材料 289

11.4.4 近场光学元件 290

11.4.5 纳米操纵器 291

11.5 典型纳米传感器 292

11.5.1 概述 292

11.5.2 基于共振隧穿、介观压阻等纳米效应的NEMS传感器 294

11.5.3 基于一维纳米结构的NEMS传感器 294

11.5.4 微机械加工的纳米级SNOM传感器 294

小结 295

习题与思考 296

参考文献 297