《光纖傳感器技術(shù)》共21章，分為三篇，分層次介紹了光纖傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)、原理和應(yīng)用。
第一篇是基礎(chǔ)，主要包括：基礎(chǔ)光學(xué)（第二章）、光纖和光纜（第三章）、光波導(dǎo)和集成光路（第四章）、光纖器件（第五章）。
第二篇是原理，主要涉及：強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器（第六章）、波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器（第七章）、頻率調(diào)制型光纖傳感器（第八章）、相位調(diào)制型光纖傳感器（第 九章）、偏振調(diào)制型光纖傳感器（第十章）、光柵調(diào)制型光纖傳感器（第十一章）、分布式光纖傳感器（第十二章）、特種光纖（第十三章）、光集成傳感器（第十 四章）、光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)融合（第十五章）。
第三篇應(yīng)用，主要涉及：光纖機(jī)械傳感器（第十六章）、光纖熱工傳感器（第十七章）、光纖電磁傳感器（第十八章）、光纖化學(xué)傳感器（第十九章）、光纖生物傳感器（第二十章）、光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展（第二十一章）。
《光纖傳感器技術(shù)》可供從事光纖、光纖傳感、檢測(cè)、儀器、儀表等理論和應(yīng)用研究的科研人員、工程技術(shù)人員及高等院校師生參考。
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《光纖傳感器技術(shù)》分層次介紹了光纖傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)、原理和應(yīng)用。本書可供從事光纖、光纖傳感、檢測(cè)、儀器、儀表等理論和應(yīng)用研究的科研人員、工程技術(shù)人員及高等院校師生參考。
目錄
前言
第一章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展 1
1.3 光纖傳感器系統(tǒng) 2
1.4 光纖傳感器系統(tǒng)的性能指標(biāo) 12
1.5 小結(jié) 24
參考文獻(xiàn) 25
第一篇 基礎(chǔ)
第二章 基礎(chǔ)光學(xué) 28
2.1 引言 28
2.2 光的基本理論 28
2.3 光波在各向同性介質(zhì)中的傳播 40
2.4 光纖的光線理論 47
2.5 光纖的模式理論 52
2.6 光纖的模式耦合理論 63
2.7 單模光纖的非線性傳輸特性 73
參考文獻(xiàn) 75
第三章 光纖和光纜 78
3.1 引言 78
3.2 光纖制造 78
3.3 光纖測(cè)量的基本條件 79
3.4 光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)量 80
3.5 多模光纖和單模光纖的衰減與測(cè)量 84
3.6 光纖的物理化學(xué)特性 88
3.7 光纜 93
參考文獻(xiàn) 102
第四章 光波導(dǎo)和集成光路 107
4.1 引言 107
4.2 集成光無(wú)源器件 107
4.3 半導(dǎo)體光有源器件 113
4.4 光源與光纖的耦合 122
4.5 光電檢測(cè)器與光纖的耦合 122
參考文獻(xiàn) 123
第五章 光纖器件 125
5.1 引言 125
5.2 光纖無(wú)源器件 125
5.3 光纖有源器件 138
參考文獻(xiàn) 150
第二篇 原理
第六章 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 154
6.1 引言 154
6.2 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器系統(tǒng)的一般傳感模型 154
6.3 強(qiáng)度調(diào)制的限制 155
6.4 強(qiáng)度調(diào)制的原理 156
6.5 強(qiáng)度檢測(cè) 163
6.6 混合型光纖傳感器 163
參考文獻(xiàn) 165
第七章 波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器 167
7.1 引言 167
7.2 波長(zhǎng)調(diào)制的原理 167
7.3 波長(zhǎng)檢測(cè) 175
參考文獻(xiàn) 176
第八章 頻率調(diào)制型光纖傳感器 177
8.1 引言 177
8.2 光學(xué)Doppler效應(yīng) 177
8.3 頻率檢測(cè) 179
參考文獻(xiàn) 181
第九章 相位調(diào)制型光纖傳感器 182
9.1 引言 182
9.2 光纖干涉儀 182
9.3 光學(xué)層析成像 191
9.4 干涉儀的靈敏度 192
9.5 雙光束干涉的檢測(cè)方法 193
9.6 多光束干涉的檢測(cè)方法 200
參考文獻(xiàn) 205
第十章 偏振調(diào)制型光纖傳感器 208
10.1 引言 208
10.2 光纖的偏振調(diào)制 208
10.3 雙折射對(duì)光纖傳感器的影響 209
10.4 單模光纖雙折射的測(cè)量 213
參考文獻(xiàn) 216
第十一章 光柵調(diào)制型光纖傳感器 219
11.1 引言 219
11.2 光纖Bragg光柵傳感器 219
11.3 光纖Bragg光柵傳感信號(hào)的檢測(cè) 224
11.4 長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器 007
11.5 光纖光柵干涉?zhèn)鞲衅?228
參考文獻(xiàn) 230
第十二章 分布式光纖傳感器 234
12.1 引言 234
12.2 光纖系統(tǒng)的光學(xué)測(cè)距技術(shù) 234
12.3 背向散射法的調(diào)制原理 241
12.4 前向散射法的調(diào)制原理 243
12.5 頻域中非線性散射法的調(diào)制原理 244
12.6 分布式光纖傳感器的工程約束 246
參考文獻(xiàn) 246
第十三章 特種光纖 250
13.1 引言 250
13.2 自聚焦透鏡 250
13.3 傳像光纖 250
13.4 倏逝場(chǎng)光纖 251
13.5 增敏和去敏先纖 252
13.6 傳輸THz頻段的光纖 253
13.7 紅外光纖 253
13.8 可見(jiàn)光光纖 257
13.9 紫外光纖 258
13.10 光子晶體 259
參考文獻(xiàn) 264
第十四章 光集成傳感器 268
14.1 引言 268
14.2 倏逝場(chǎng)傳感器 268
14.3 光學(xué)陀螺儀 270
14.4 其他干涉?zhèn)鞲衅?271
14.5 光波導(dǎo)Bragg光柵傳感器 273
14.6 微光機(jī)電系統(tǒng)傳感器 274
14.7 納米測(cè)量技術(shù) 275
參考文獻(xiàn) 276
第十五章 光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)融合 279
15.1 引言 279
15.2 光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)融合模型 279
15.3 光纖Bragg光柵傳感器的復(fù)用技術(shù) 282
15.4 光纖中溫度和應(yīng)變的靈敏性 285
參考文獻(xiàn) 293
第三篇 應(yīng)用
第十六章 光纖機(jī)械傳感器 298
16.1 引言 298
16.2 運(yùn)動(dòng)和尺寸 298
16.3 力學(xué)量 308
16.4 聲學(xué)量 314
參考文獻(xiàn) 317
第十七章 光纖熱工傳感器 319
17.1 引言 319
17.2 溫度 319
17.3 壓力 325
17.4 流量和流速 328
17.5 密度 337
17.6 液位 338
17.7 粘度 340
參考文獻(xiàn) 342
第十八章 光纖電磁傳感器 344
18.1 引言 344
18.2 電壓 344
18.3 電流 346
18.4 磁場(chǎng) 351
18.5 電功率 354
18.6 電磁場(chǎng) 355
18.7 射線 356
參考文獻(xiàn) 356
第十九章 光纖化學(xué)傳感器 359
19.1 引言 359
19.2 光纖化學(xué)傳感器的特點(diǎn) 359
19.3 氣體 363
19.4 濕度 368
19.5 離子 369
參考文獻(xiàn) 372
第二十章 光纖生物傳感器 374
20.1 引言 374
20.2 生理量 374
20.3 生化量 381
20.4 生物量 383
參考文獻(xiàn) 386
第二十一章 光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展 389
21.1 引言 389
21.2 智能結(jié)構(gòu) 389
21.3 工業(yè) 394
21.4 生物醫(yī)學(xué) 405
21.5 自然生態(tài) 408
21.6 人居環(huán)境 412
參考文獻(xiàn) 416
第一章 緒論
1.1 引言
1865 年，J . C . Maxwell 提出光是一種電磁波［1 ～ 4］ ，參見(jiàn)圖1 -1 。光纖通信使用的波長(zhǎng)在近紅外區(qū)800 ～ 1700 nm ，頻率為1014 ～ 1016 Hz ，比常用的微波高104 ～ 105 量級(jí)，以光子為信息載體的光纖通信提供了一種重要的信息交換與傳輸手段［5 ， 6］ 。光纖傳感器主要研究的是光的模擬信號(hào)在光波導(dǎo)中傳感與傳輸，利用敏感元件感受規(guī)定的被測(cè)量，通過(guò)轉(zhuǎn)換元件按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成適于在光波導(dǎo)中傳輸?shù)墓庑?號(hào)。
圖1-1 電磁波波譜圖
1.2 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展
光纖傳感器是以光纖作傳感材料的傳感器。光纖具有良好的傳光特性，可用于信息傳遞，無(wú)需其他中間介質(zhì)就能把待測(cè)量值與光纖內(nèi)的光特性變化聯(lián)系起來(lái)［7 ， 8 ］ 。光纖質(zhì)輕、徑細(xì)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、電絕緣、耐高溫、信號(hào)衰減小、集信息傳感與傳輸于一體，自20 世紀(jì)70 年代出現(xiàn)以來(lái)，光纖傳感技術(shù)的發(fā)展可劃分為三個(gè)主要階段
第一階段，傳輸型光纖傳感器。20 世紀(jì)70 年代中后期，光纖作為一種信息交換的基礎(chǔ)，通過(guò)光學(xué)器件把待測(cè)量和光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來(lái)。1977 年，美國(guó)海軍研究所（NRL）開始了光纖傳感器系統(tǒng)（FOSS）計(jì)劃［9］ 。C . D . Kissinger 等人利用光纖和透鏡改善非接觸的位移測(cè)量［10］ ；W .F . Jacobsen 等人利用光纖和光傳感器檢測(cè)液位［11］ ；L . Reynolds 等人利用光纖傳輸研究血液的漫反射系數(shù)［12］ ；G . Pircher 等人研究了基于Sagnac 效應(yīng)的光纖旋轉(zhuǎn)傳感器［13］ ；C . D . Butter 等人研制出光纖應(yīng)變儀［14］ 等。
第二階段，單模光纖調(diào)制技術(shù)。單模光纖的深入應(yīng)用，形成了強(qiáng)度［15］ 、相位［16］ 、波長(zhǎng)［17］ 、偏振［18］ 、時(shí)分［ 19］ 、頻率［20］ 、光柵［21］ 等光纖傳感技術(shù)。20 世紀(jì)80 年代中后期，光纖傳感器近百種，主要研究計(jì)劃包括：現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng)（ ADOSS ，NASA）［22］ 、光纖陀螺儀（ FOG ，NASA）［ 23］ 、核輻射監(jiān)控（ NRM）［24］ 、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控（ AEM ，NASA）［ 25］ 和其他民用研究計(jì)劃（CRP）［26］ 等。光纖傳感儀器開始投入實(shí)際應(yīng)用。
第三階段，20 世紀(jì)90 年代中后期，光纖傳感技術(shù)逐步形成了五個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域：智能結(jié)構(gòu)，工業(yè)，生物醫(yī)學(xué)，自然生態(tài)和人居環(huán)境。
1.3 光纖傳感器系統(tǒng)
輸入、輸出和被測(cè)量均可分為六個(gè)信號(hào)域［27 ～ 29］ ，其中，電磁信號(hào)覆蓋了整個(gè)電磁譜；機(jī)械信號(hào)包括力、位置、物理尺度、速度、聲波和超聲波等；熱信號(hào)通常可定義為溫度及其衍生量，比如：熱容和熱阻等；電 信號(hào)包括電壓、電流和電場(chǎng)等；磁場(chǎng)信號(hào)由磁場(chǎng)定義；化學(xué)信號(hào)定義了物質(zhì)的成分和參量。
光纖中的光（電磁信號(hào)中的近紅外波段）受被測(cè)量調(diào)制，光纖傳感器系統(tǒng)主要包括：光源、光纖、光纖器件、傳感元件、探測(cè)器和信號(hào)處理等。
1.3.1 光源
表征光源的基本參數(shù)有：中心工作波長(zhǎng)、波長(zhǎng)的傳輸；光功率隨波長(zhǎng)的變化，光功率與光負(fù)載（反射）的變化以及這些參數(shù)隨工作溫度、偏置和時(shí)間變化。典型的光纖傳感器光源包括：發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器，白熾燈也可用于某些化學(xué)傳感器［30 ～ 34 ］ 。
1.3.2 光纖
光纖主要包括將光纖預(yù)制棒或放入坩堝中的芯皮玻璃料在拉絲機(jī)上拉制成一定長(zhǎng)度的導(dǎo)線式光纖和采用沉積、濺射、離子交換等方法或?qū)⒍喔饫w熔壓成一體的芯片式光纖。根據(jù)光纖對(duì)周圍環(huán)境的敏感，可研制出傳感器用特殊光纖［35 ～ 38］ 。
1.3.3 光纖器件
光纖器件構(gòu)成了光纖傳感器系統(tǒng)的器件基礎(chǔ)［39 ～ 43］ ，利用全光纖器件來(lái)組成光路，使信號(hào)被限制在纖芯范圍內(nèi)傳輸，可提高穩(wěn)定性。
1.3.4 傳感元件
光源發(fā)出的光經(jīng)光纖送入傳感元件的調(diào)制區(qū)，與被測(cè)參數(shù)產(chǎn)生相互作用，使光的強(qiáng)度、相位、偏振、頻率、波長(zhǎng)等光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號(hào)光；最后由光纖送入光探測(cè)器，檢測(cè)技術(shù)從被調(diào)制的光信號(hào)中還原（解調(diào)）出調(diào)制信號(hào)，參見(jiàn)圖1 -2 。
光纖傳感器的傳感原理是傳感元件內(nèi)光與外場(chǎng)的相互作用規(guī)律。盡管光的強(qiáng)度、頻率、波長(zhǎng)、相位、偏振態(tài)等都可被調(diào)制，但光電探測(cè)器只能響應(yīng)光的強(qiáng)度，因此，任何對(duì)調(diào)制光信號(hào)的檢
測(cè)都應(yīng)轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)響應(yīng)。按傳感類型，光纖傳感器可分為三類。（1） 在傳光型（非功能型）光纖傳感器中，光纖僅是光的傳播介質(zhì)，光纖往往不連續(xù)，其間接入了對(duì)外界信息敏感的其他材料制成的或傳統(tǒng)的傳感元件。
（2）在傳感型（功能型）光纖傳感器中，光纖不僅傳光，在外界因素作用下，傳輸光的強(qiáng)度、相位、偏振、頻率、波長(zhǎng)等光學(xué)特性會(huì)發(fā)生變化。
（3）在倏逝場(chǎng)光纖傳感器中，當(dāng)環(huán)境折射率低于纖芯折射率，光纖中的導(dǎo)模滿足全反射，就在環(huán)境側(cè)出現(xiàn)倏逝場(chǎng)，比如：拋磨光纖、拉伸光纖、D 形光纖和空心光纖等。
1.3.5 敏感元件
彈性（敏感）元件把各種形式的測(cè)量參量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量或位移量等，配合傳感元件，把測(cè)量參量轉(zhuǎn)換成調(diào)制光，從而制作出不同種性能的傳感器，實(shí)現(xiàn)相關(guān)參量的測(cè)量［44 ～ 46］ 。
1 .彈性元件的基本特性
（1）彈性元件的固有頻率（無(wú)阻尼自由振動(dòng)頻率）決定了彈性元件的動(dòng)態(tài)特性。
（2）非彈性效應(yīng)是指彈性元件在加、卸載同一數(shù)值時(shí)，位移量之間存在差值，構(gòu)成了彈性滯后環(huán)，參見(jiàn)圖1 -3 ，一般用相對(duì)滯后表示：
δn ＝ Δ ωmax
ωmax
× 100 % （1.3 -1）
式中，Δ ωmax 是最大的位移滯后；ωmax 是最大工作載荷下的總位移。
圖1-3 彈性滯后環(huán)圖1-4 彈性后效
彈性元件材料的變形也是時(shí)間的函數(shù)，參見(jiàn)圖1 -4 。當(dāng)載荷停止增加時(shí)，元件產(chǎn)生位移OD ；位移CD 是載荷不變時(shí)，在O K 時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的正彈性后效（彈性蠕變） 。卸載完畢后，元件產(chǎn)生位移CE ；位移EO 是在K H 時(shí)間內(nèi)緩慢釋放的后彈性后效。彈性后效使傳感器出現(xiàn)負(fù)的測(cè)量誤差、零點(diǎn)漂移等，這應(yīng)盡量避免。
彈性模量溫度系數(shù)βt 是因環(huán)境溫度變化Δ T 引起材料彈性模量變化Δ E 的量度，表示為βt ＝ 1
E0
Δ E
Δ T ＝ 1
E0
E - E0
T - T0
（1.3 -2）
式中，E0 和E 分別是溫度為T0 和T 時(shí)的彈性模量，彈性模量隨溫度變化。在相同載荷的作用下，彈性元件的輸出量發(fā)生變化，由此引起的誤差被稱為溫度誤差。
（3）剛度k 是彈性元件在外力F 作用下變形ω 的量度，表示為
k ＝ lim Δ ω·0
Δ F
Δ ω ＝ dF
dω （1.3 -3）
……
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