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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-195314

10．7．4惯性检测单元LN-200S315

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