光纤传感技术与应用PDF电子书下载

1 光纤传感器 1

1．1概述 1

1．1．1光纤传感器的定义及分类 1

1．1．2光纤传感器的特点 2

1．2振幅调制传感型光纤传感器 2

1．2．1光纤微弯传感器 3

1．2．2光纤受抑全内反射传感器 3

1．2．3光纤辐射传感器 4

1．3相位调制传感型光纤传感器 5

1．3．1引言 5

1．3．2光纤M-Z干涉仪和光纤Michelson干涉仪 6

1．3．3光纤Sagnac干涉仪 7

1．3．4光纤Fabry-Perot干涉仪 12

1．3．5光纤环形腔干涉仪 16

1．3．6白光干涉型光纤传感器 16

1．3．7光纤干涉仪的传感应用 18

1．4偏振态调制型光纤传感器 18

1．4．1光纤电流传感器 18

1．4．2光纤偏振干涉仪 19

1．5波长调制型光纤传感器 20

1．5．1引言 20

1．5．2光纤光栅的分类 21

1．5．3光纤布拉格光栅传感原理 21

1．5．4光纤布拉格光栅在光纤传感领域中的典型应用 22

1．5．5长周期光纤光栅在传感领域的应用 25

1．5．6光纤光栅折射率传感技术 26

1．6光纤荧光温度传感器 30

1．6．1光纤荧光温度传感原理 30

1．6．2荧光寿命测温 31

1．6．3荧光强度比测温 31

1．6．4荧光传感材料 32

1．6．5荧光测温系统 33

1．6．6荧光测温系统在工业界的应用 34

1．7分布式光纤传感器 36

1．7．1概述 36

1．7．2散射型分布式光纤传感器 38

1．7．3偏振型分布式光纤传感器 40

1．7．4相位型分布式光纤传感器 41

1．7．5微弯型分布式光纤传感器 41

1．7．6荧光型分布式光纤传感器 41

1．7．7应用 44

1．8聚合物光纤传感器 44

1．8．1概述 44

1．8．2多模聚合物光纤传感器及其应用 46

1．9光子晶体光纤及其在传感中的应用 52

1．9．1概述 52

1．9．2光子晶体光纤在传感中的应用 53

1．9．3高双折射光子晶体光纤 55

1．9．4双模光子晶体光纤传感器 55

1．9．5掺杂的微结构聚合物光纤传感器 58

1．9．6其他传感应用 58

1．10传光型光纤传感器 58

1．10．1振幅调制传光型光纤传感器 58

1．10．2相位调制传光型光纤传感器 60

1．10．3偏振态调制传光型光纤传感器 62

1．11光纤传感技术的发展趋势及课题 63

1．12小结 64

思考题与习题 64

参考文献 66

2 多传感器的光网络技术 67

2．1概述 67

2．2光纤网络的连接技术 68

2．2．1网络损耗的主要来源 68

2．2．2光网络常用无源及有源光纤器件 78

2．3光网络技术 96

2．3．1可用于构成光传感网的传感器 96

2．3．2成网技术 99

2．4光传感网实例——光纤光栅在传感中的应用 104

2．4．1光纤光栅在传感应用中需考虑的一般问题 104

2．4．2光纤光栅传感网络 105

2．5小结 111

思考题与习题 111

参考文献 111

3 光电传感器中的光纤技术 113

3．1概述 113

3．2光纤的基本特性 113

3．3均匀折射率光纤的特性 115

3．3．1子午光线的传播 115

3．3．2斜光线的传播 117

3．3．3光纤的弯曲 117

3．3．4光纤端面的倾斜效应 118

3．3．5圆锥形光纤 119

3．4光纤的损耗 120

3．4．1吸收损耗 120

3．4．2散射损耗 121

3．5光纤的色散 122

3．6光纤的耦合技术 123

3．6．1光纤和光源的耦合 123

3．6．2光纤和光纤的直接耦合 124

3．6．3多模光纤通过透镜耦合 125

3．7光纤中光波的控制技术 126

3．7．1光纤偏振器 126

3．7．2光纤滤波器 128

3．7．3光纤光栅 130

3．7．4光隔离器 134

3．7．5光调制器 135

3．8小结 140

思考题与习题 140

参考文献 141

4 光传感信号处理技术 143

4．1概述 143

4．2相位调制型光传感器的信号解调技术 144

4．2．1双光束干涉理论 144

4．2．2干涉仪的信号解调 147

4．3光纤锁相环法 152

4．3．1光纤锁相环的原理 153

4．3．2光纤锁相环系统的理论分析 153

4．3．3小结 158

4．4相位生成载波方法 159

4．4．1概述 159

4．4．2 PGC方法原理 159

4．4．3 PGC方法注意事项 162

4．4．4 PGC信号频谱分析 166

4．4．5 PGC两种方案的比较 169

4．4．6小结 170

4．5外差法 170

4．5．1概述 170

4．5．2外差法原理 170

4．5．3外差法频谱分析 173

4．5．4外差法的优缺点和注意事项 174

4．5．5小结 175

4．6干涉型光纤传感器复用解复用方法 175

4．6．1概述 175

4．6．2频分复用 176

4．6．3时分复用 177

4．6．4时分-波分复用 185

4．7小结 186

思考题与习题 186

参考文献 187

5 光传感器的封装技术 189

5．1概述 189

5．2光传感器的封装方式 191

5．2．1机械固定式 191

5．2．2胶粘固定式 191

5．2．3焊接固定式 192

5．2．4金属焊固定式 192

5．3光器件封装实例 192

5．3．1同轴封装 192

5．3．2蝶式封装 194

5．3．3带尾纤全金属化封装 196

5．3．4 Mini-DiL封装 197

5．3．5无源对准技术 198

5．4石英平面光路器件的封装技术 199

5．4．1 PLC封装技术 199

5．4．2各种PLC组件封装技术 200

5．5光表面安装技术 202

5．5．1光表面安装技术的基本结构与特点 202

5．5．2光表面安装技术的研究进展 203

5．6小结 204

思考题与习题 204

参考文献 205

6 多传感器信息融合技术 206

6．1概述 206

6．2多传感器信息融合的基本原理 207

6．3多传感器信息融合的系统结构 208

6．3．1检测级融合结构 209

6．3．2位置级融合结构 210

6．3．3目标识别级融合结构 212

6．4多传感器信息融合的理论方法 214

6．4．1模型建立 215

6．4．2实际系统的性能优化工具和方法 217

6．4．3传感器系统及其神经网络学习算法的应用 219

6．5多传感器数据融合的典型应用 219

6．5．1基于传感器融合的反潜战 219

6．5．2在线水质监测 220

6．5．3多传感器直线度误差测量与分离技术 221

6．6小结 231

思考题与习题 231

参考文献 231

7 光电传感技术在电力系统的应用 233

7．1概述 233

7．1．1电力系统对传感器的要求 233

7．1．2电力系统用光传感器的主要类型 234

7．2光纤电流传感器 234

7．2．1辐射内调制型光纤电流传感器 234

7．2．2电热型和磁光型光纤电流传感器 235

7．2．3光纤光栅电流传感器 236

7．2．4三相光纤电流传感器系统的研究 237

7．3光学电压传感器 237

7．3．1主要类型、原理与结构 238

7．3．2典型应用 241

7．4光纤电功率传感器 245

7．5开关设备的传感器——非电量传感器 247

7．5．1光纤超声波传感器——局部放电定位 247

7．5．2光纤探针传感器 247

7．5．3光纤荧光传感器 248

7．5．4半导体光纤温度传感器 248

7．6典型应用及产品实例 249

7．6．1光电式高压电流传感器 249

7．6．2 NxtPhase的高压电流传感器 250

7．6．3 ABB公司的电压互感器 250

7．6．4数字光学仪用互感器 251

7．7小结 252

思考题与习题 252

参考文献 252

8 光电传感技术在石油与化工行业的应用 255

8．1概述 255

8．2分布式光纤温度和压力传感器 255

8．2．1基于拉曼散射的光时域反射计与分布式光纤温度传感器 256

8．2．2基于光纤布拉格光栅的准分布式温度／压力传感 257

8．3井下油气水光谱分析仪 259

8．3．1概述 259

8．3．2吸收式光谱分析仪的设计 260

8．4地震勘探中的光纤传感器 265

8．4．1概述 265

8．4．2无指向性光纤声传感器 265

8．4．3光纤加速度传感器 267

8．5小结 269

思考题与习题 269

参考文献 269

9 光电传感技术在生物、生医生化领域的应用 271

9．1概述 271

9．2光生物传感器 271

9．2．1概述 271

9．2．2光生物传感器的主要类型、原理与结构 272

9．2．3 DNA传感器 272

9．2．4光学免疫传感器 276

9．2．5无标记测试传感器 277

9．3生物传感器的典型应用例 277

9．3．1表面等离子体谐振生物传感器与SPR分析技术 278

9．3．2生物传感器的固定化技术 279

9．4光医学传感器 280

9．4．1概述 280

9．4．2光纤体压计 281

9．4．3光纤血流计 282

9．4．4液芯光纤温度传感器 284

9．4．5医用内窥镜 284

9．5光生化传感器 285

9．5．1概述 285

9．5．2原理与结构 286

9．5．3基本类型 288

9．6小结 293

思考题与习题 293

参考文献 293

10 光电传感技术在航空航天领域的应用 297

10．1概述 297

10．2光纤陀螺仪 298

10．2．1开环光纤陀螺仪 298

10．2．2闭环光纤陀螺仪 298

10．2．3消偏干涉型光纤陀螺仪 300

10．2．4高精度光纤陀螺仪 300

10．2．5影响IFOG性能的主要误差源 301

10．3航天飞行器姿态控制 303

10．4自主定位导航技术 303

10．4．1组合导航系统 303

10．4．2机载惯性导航系统 304

10．5精确制导武器 305

10．5．1机载战术导弹的惯性制导 305

10．5．2航空火力控制系统 306

10．5．3航空弹药的制导 306

10．6智能材料与智能结构 307

10．6．1概述 307

10．6．2智能材料中的光纤传感器 307

10．6．3光纤智能材料结构工艺 310

10．7典型应用实例 311

10．7．1减振降噪 311

10．7．2 LN-100M先进模式定位系统 312

10．7．3 LN-195 314

10．7．4惯性检测单元LN-200S 315

10．8小结 316

思考题与习题 316

参考文献 316

11 光电传感技术在国防领域的应用 318

11．1概述 318

11．2光纤水听器 318

11．2．1概述 318

11．2．2干涉型光纤水听器工作原理 319

11．2．3光纤水听器的种类 321

11．2．4光纤水听器中应考虑的问题 322

11．3光学传感器在安全防范中的应用 322

11．3．1概述 322

11．3．2全光纤的智能安全防范系统的设计 324

11．4其他光学传感技术的应用 325

11．5小结 326

思考题与习题 326

参考文献 326

12 光电传感器在环境保护与监测中的应用 327

12．1概述 327

12．2气体传感技术及其应用 327

12．2．1染料指示剂型光纤气体传感 328

12．2．2光纤荧光气体传感 329

12．2．3光纤折射率变化型气体传感 329

12．2．4光谱吸收型气体传感 329

12．3光谱吸收技术用于气体测量的发展状况 330

12．3．1气体在近红外波段的吸收 330

12．3．2光谱吸收型光纤传感技术的发展概况 331

12．4高灵敏度的光学气体测量方法 333

12．5基于光子晶体光纤的气体传感技术 334

12．6小结 334

思考题与习题 335

参考文献 335