本书围绕光纤传感器涉及的光学原理及光学效应、光纤传感系统的组成、光纤传感器的类型及应用展开讨论,着重介绍了光纤光栅传感器原理、光纤光栅传感网络的信号解调与复用技术、光纤光栅传感器的应用等,最后介绍了新型光纤器件及原理。
本书可作为高等院校光纤传感、光纤通信、光电子技术、精密仪器与光学工程、检测技术等专业的研究生教材,也可供从事相关领域教学和研究的人员参考。
20世纪60年代,激光使得利用光的各种属性(干涉、衍射、偏振、反射、吸收和发光等)的光检测技术,作为非接触、高速度、高精确度的检测手段获得了飞速的发展。
20世纪70年代,由于光纤不但具有良好的传光特性,而且其本身就可用来进行信息传递,无需任何中间媒体就能把测量值与光纤内的光特性变化联系起来,因此,在20世纪80年代光纤传感器就已显示出广阔的应用前景。但是在当时,光纤传感器真正投入实际应用的却不多,这主要是因为与传统的传感技术相比,光纤传感器的优势是本身的物性特性而不是功能特性。因此,光纤传感技术的重要应用之一是利用光纤质轻、径细、强抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小、集信息传感与传输于一体等特点,解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题。
20世纪90年代后期,光通信带动下的光子产业取得了巨大的成功,光纤传感器呈产业化发展,在国际上形成了五大应用领域,即医学和生物、电力工业、化学和环境、军事和智能结构。
本书从光纤传感器的研究、设计和应用角度,系统地介绍和论述光纤传感器技术的基本概念、光纤传感器系统的构成、光纤传感器涉及的各种光学原理和光学效应,使读者对光纤传感器有个清晰的认识和掌握。本书介绍了基于不同调制方式的光纤传感器的类型及其应用,使得读者进一步了解光纤传感器的种类以及不同类型光纤传感器的特点和应用场合,从而完成自己的方案分析和设计。本书后半部分着重介绍了光纤传感器中的新秀——光纤光栅传感器,介绍了光纤光栅传感器原理、信号的解调和复用技术; 最后介绍了目前最新发展起来的一些光纤器件及原理。本书内容具有较强的系统性,在注重基础知识和理论介绍的同时,体现了研究型和设计型的特点。在每章的最后,还配有具有讨论型、设计型和研究型的思考题。这些思考题大多是光纤传感器研究和应用过程中经常遇到的问题,读者思考后会对光纤传感器的概念、技术和应用等有更加清晰的了解和更加深刻的认识。
本书是在清华大学自动化系光纤传感实验室的各位老师、博士后和研究生的共同努力之下完成的,在此,对他们的辛勤工作表示衷心感谢。同时,由于作者水平有限,书中难免有不妥甚至错误之处,恳请读者批评指正。
赵勇
2006年8月于清华园
第1章光纤器件及原理
1.1光纤的基本概念
1.1.1光纤的结构
1.1.2光纤的材料
1.1.3光纤的类型
1.1.4光纤的特性
1.2传感用光纤器件
1.2.1光纤光栅
1.2.2光纤光栅制作方法及传感基础
1.2.3光纤耦合器
1.2.4光纤隔离器及环形器
1.2.5光开关
1.2.6波分复用器
1.2.7自聚焦透镜
参考文献
第2章光纤传感系统
2.1光纤传感系统的组成
2.2光纤传感系统中的光源
2.2.1半导体激光二极管
2.2.2发光二极管
2.2.3放大自发辐射ASE光源
2.2.4可调谐分布反馈(DFB)激光器
2.2.5光纤光栅激光器
2.2.6氦氖(HeNe)激光器
2.3光纤传感系统中的光电探测器
2.3.1PIN光电二极管
2.3.2雪崩光电二极管
2.3.3光敏电阻
2.3.4硅光电池
2.3.5硅光电二极管
2.3.6光电位置敏感器件
2.4光纤传感器中光的调制技术
2.5光纤传感技术简介
参考文献
目录[][]目录
第3章光纤传感器中的光学原理及效应
3.1光学反射原理
3.2光学折射原理
3.3光学吸收原理
3.3.1光学吸收原理
3.3.2一般吸收和选择吸收
3.3.3吸收光谱
3.3.4半导体吸收法测量温度的原理
3.3.5光谱吸收法测量成分或浓度
3.4光学多普勒效应
3.5声光效应
3.6磁光效应
3.6.1法拉第效应
3.6.2磁光克尔效应
3.6.3塞曼效应
3.6.4磁致线双折射效应
3.6.5磁光效应的应用
3.7电光效应
3.7.1泡克耳斯效应
3.7.2基于电光效应的光纤电压传感技术
3.7.3一种基于电光效应的光纤电压传感器
3.8弹光效应
3.9Sagnac效应
3.9.1圆形光路轨道的情况
3.9.2任意形状光路轨道的情况
3.9.3光纤陀螺原理
3.10光声效应
3.10.1液体光声效应的激光激发机制
3.10.2液体光声效应的应用
参考文献
第4章光纤传感原理及应用技术
4.1强度调制型光纤传感器技术
4.1.1反射式强度调制
4.1.2透射式强度调制
4.1.3光模式强度调制
4.1.4折射率强度调制
4.1.5光吸收系数强度调制
4.2相位调制型光纤传感器技术
4.2.1光纤相位调制机理
4.2.2光纤相位调制的普通干涉测量
4.2.3光纤相位调制干涉测量的新发展
4.2.4光纤相位解调技术
4.3偏振调制型光纤传感器技术
4.3.1光纤偏振调制的常用物理效应
4.3.2光纤偏振调制机理的典型应用
4.4频率调制型光纤传感器技术
4.4.1光学多普勒效应
4.4.2光纤多普勒传感技术
4.5波长调制型光纤传感器技术
4.5.1光纤pH值探测技术
4.5.2光纤荧光探测技术
4.5.3光纤黑体辐射探测技术
4.6分布式光纤传感器技术
参考文献
第5章光纤光栅传感应用技术
5.1光纤光栅温度传感器
5.1.1用裸光纤光栅传感器对温度进行测量
5.1.2对裸光纤光栅封装制成的温度传感器
5.1.3带有机械结构的光纤光栅温度传感器
5.2光纤光栅振动与加速度传感器
5.2.1光纤光栅应变测量的基本公式
5.2.2悬臂梁和简支梁结构
5.2.3光纤光栅振动与加速度传感器
5.3光纤光栅压力传感器
5.3.1裸光纤光栅的压力测量
5.3.2改进的光纤光栅压力传感器
5.4光纤光栅电磁传感器
5.5光纤光栅水声以及液体参数传感器
5.5.1光纤光栅水声传感器
5.5.2光纤光栅液体参数传感器
5.6光纤光栅碳氢化合物传感器
5.7长周期光纤光栅折射率传感器
5.8光纤光栅扭矩传感器
5.8.1扭矩传感原理
5.8.2光纤光栅扭矩传感器结构
参考文献
第6章光纤光栅传感信号的解调方法
6.1单光纤光栅传感信号的解调技术
6.1.1复合干涉解调法
6.1.2被动式波长比率解调法
6.1.3波分复用(WDM)光纤耦合器解调法
6.1.4非平衡MachZehnder干涉解调法
6.1.5锁模解调法
6.1.6基于光纤FabryPerot滤波器解调法
6.1.7非平衡扫描迈克尔逊干涉仪解调法
6.1.8斜光纤光栅(TFBG)解调法
6.1.9基于波长选择性探测器的解调法
6.1.10傅里叶变换谱法
6.1.11FBG自解调法
6.1.12匹配光纤光栅滤波法
6.1.13波长扫描极值法
6.1.14高折射环形镜边缘滤波法
6.1.15保偏光纤环路调谐法
6.2多光纤光栅分布式传感信号的解调技术
6.2.1CCD分光计法
6.2.2匹配FBG可调滤波检测法
6.2.3可调谐光纤FP 滤波器检测法
6.2.4非平衡MZ干涉仪检测法
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
6.2.6可调窄带光源检测法
6.2.7连续波调频技术
6.2.8宽谱光源/ 副载波检测法
6.2.9可调制激光器解调系统
参考文献
第7章光纤光栅传感网络与复用技术
7.1光纤光栅传感网络的概念
7.1.1传感器网络
7.1.2光纤光栅传感网络
7.2光纤光栅传感网络常见的复用技术
7.2.1光纤光栅传感网络的波分复用技术
7.2.2光纤光栅传感网络的空分复用技术
7.2.3光纤光栅传感网络的时分复用技术
7.2.4光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术
7.2.5光纤光栅传感网络的相干域复用技术
7.2.6混合复用FBG传感网络
参考文献
第8章新型光纤器件及原理
8.1光子晶体光纤
8.1.1光子晶体光纤的结构及其导光原理
8.1.2PCF的特性
8.1.3光子晶体光纤的发展
8.1.4光子晶体光纤光栅
8.2新型塑料光纤
8.2.1塑料光纤的概念和材料
8.2.2塑料光纤的制作方法
8.2.3塑料光纤的特性
8.2.4塑料光纤的新发展与应用
8.3液芯光纤
8.4一些典型的传感用特种光纤
8.4.1特殊处理的石英光纤
8.4.2光纤结构的改变
8.4.3改变光纤的掺杂材料
8.5双轴(保偏)光纤光栅
8.5.1双轴光纤光栅的概念
8.5.2边孔光纤光栅的特性
8.6双包层光纤光栅
8.7变包层光纤光栅
8.8多模光纤光栅
8.9少模光纤光栅
8.10光纤光栅耦合器
8.10.1分离式光纤光栅耦合器
8.10.2融合式光纤光栅耦合器
8.11阶跃变化折射率长周期光纤光栅
参考文献
思考题