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。
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。
一般認(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。
當(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。
第一章: 光纖技術(shù)基礎(chǔ)
1.1光纖的基本特征
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光線端面的傾斜效應(yīng)
1.1.4圓錐光纖
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磨拋型單模關(guān)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光纖偏振器
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)和器
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
第二章: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旁路光纖檢測(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
第三章: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
3.2.1Mach-Zehnder和Michelson光纖干涉儀
3.2.2Sagnac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)制型光纖傳感器的信號(hào)解調(diào)技術(shù)
3.3.1干涉儀的信號(hào)解調(diào)
3.3.2光纖鎖向環(huán)方法
3.3.3相位生成載波(PCG)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震動(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
第四章:波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器
4.1波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器原理
4.2光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器分析
4.2.1各向性介質(zhì)中胡克定理的
4.2.2均勻軸向應(yīng)力作用下光纖光柵傳感模型
4.2.3均勻橫向應(yīng)力作用下光纖光柵傳感模型
4.2.4任意正應(yīng)力作用下光纖光柵傳感模型
4.3光纖布拉格光柵溫度傳感器分析
4.3.1光纖布拉格光柵溫度傳感器分析的前提假設(shè)
4.3.2光纖光柵溫度傳感器分析
4.4光纖光柵增敏與去敏設(shè)計(jì)
4.4.1非均勻涂敷對(duì)光纖光柵化學(xué)性能的影響
4.4.2光纖光柵的保護(hù)和封裝
4.5光纖布拉格光柵在光纖傳感領(lǐng)域中的典型應(yīng)用
4.5.1單參量測(cè)量
4.5.2雙參量測(cè)量
4.5.3準(zhǔn)分布式多點(diǎn)測(cè)量
4.6傳光型波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器
4.6.1波長(zhǎng)調(diào)制機(jī)理
4.6.2光纖PH值傳感器
4.6.3光纖磷光傳感器
4.6.4光纖黑體溫度器
4.7光纖傳感器用于智能材料及其結(jié)構(gòu)
4.7.1可用于智能結(jié)構(gòu)的光纖傳感器
4.7.2光纖傳感器用于智能結(jié)構(gòu)的一些問(wèn)題
習(xí)題與思考
第五章:偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器
5.1偏振態(tài)調(diào)制型傳感原理
5.1.1Pockel效應(yīng)
5.1.2Kerr效應(yīng)
5.1.3Faraday效應(yīng)
5.1.4彈光效應(yīng)
5.2偏振調(diào)制光纖傳感器類型及應(yīng)用實(shí)例
5.2.1光纖電流傳感器
5.2.2BSO晶體光纖電場(chǎng)傳感器
5.2.3光纖法拉第磁強(qiáng)計(jì)
5.2.4壓力與水聲傳感器
5.2.5醫(yī)用體壓計(jì)
5.2.6動(dòng)脈光纖血流計(jì)
5.2.7光纖偏振干涉儀
習(xí)題與思考
第六章:分布式光纖傳感器
6.1引言
6.2時(shí)域分布式光纖傳感器的工作機(jī)理
6.2.1光纖中的背向散射光分析
6.2.2OTDR技術(shù)
6.2.3瑞利散射型分布式光纖傳感技術(shù)
6.2.4基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)
6.2.5布里淵散射型分布式光纖傳感技術(shù)
6.2.6拉曼型、布里淵型和偏振模式耦合型分布式溫度傳感方法比較
6.2.7FBG和BOTDR性能比較
6.3其他(準(zhǔn))分布式光纖傳感器——光纖法鉑傳感器
6.3.1光纖法鉑傳感器的分類及特點(diǎn)
6.3.2光纖法鉑傳感器的復(fù)用
6.4分布式光纖傳感器的應(yīng)用
小結(jié)
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)