《光纤传感器技术》共21章，分为三篇，分层次介绍了光纤传感器技术的基础、原理和应用。
第一篇是基础，主要包括：基础光学（第二章）、光纤和光缆（第三章）、光波导和集成光路（第四章）、光纤器件（第五章）。
第二篇是原理，主要涉及：强度调制型光纤传感器（第六章）、波长调制型光纤传感器（第七章）、频率调制型光纤传感器（第八章）、相位调制型光纤传感器（第 九章）、偏振调制型光纤传感器（第十章）、光栅调制型光纤传感器（第十一章）、分布式光纤传感器（第十二章）、特种光纤（第十三章）、光集成传感器（第十 四章）、光纤传感器网络与数据融合（第十五章）。
第三篇应用，主要涉及：光纤机械传感器（第十六章）、光纤热工传感器（第十七章）、光纤电磁传感器（第十八章）、光纤化学传感器（第十九章）、光纤生物传感器（第二十章）、光纤传感器的产业化发展（第二十一章）。
《光纤传感器技术》可供从事光纤、光纤传感、检测、仪器、仪表等理论和应用研究的科研人员、工程技术人员及高等院校师生参考。
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《光纤传感器技术》分层次介绍了光纤传感器技术的基础、原理和应用。本书可供从事光纤、光纤传感、检测、仪器、仪表等理论和应用研究的科研人员、工程技术人员及高等院校师生参考。
目录
前言
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 光纤传感技术的发展 1
1.3 光纤传感器系统 2
1.4 光纤传感器系统的性能指标 12
1.5 小结 24
参考文献 25
第一篇 基础
第二章 基础光学 28
2.1 引言 28
2.2 光的基本理论 28
2.3 光波在各向同性介质中的传播 40
2.4 光纤的光线理论 47
2.5 光纤的模式理论 52
2.6 光纤的模式耦合理论 63
2.7 单模光纤的非线性传输特性 73
参考文献 75
第三章 光纤和光缆 78
3.1 引言 78
3.2 光纤制造 78
3.3 光纤测量的基本条件 79
3.4 光纤结构参数的测量 80
3.5 多模光纤和单模光纤的衰减与测量 84
3.6 光纤的物理化学特性 88
3.7 光缆 93
参考文献 102
第四章 光波导和集成光路 107
4.1 引言 107
4.2 集成光无源器件 107
4.3 半导体光有源器件 113
4.4 光源与光纤的耦合 122
4.5 光电检测器与光纤的耦合 122
参考文献 123
第五章 光纤器件 125
5.1 引言 125
5.2 光纤无源器件 125
5.3 光纤有源器件 138
参考文献 150
第二篇 原理
第六章 强度调制型光纤传感器 154
6.1 引言 154
6.2 强度调制型光纤传感器系统的一般传感模型 154
6.3 强度调制的限制 155
6.4 强度调制的原理 156
6.5 强度检测 163
6.6 混合型光纤传感器 163
参考文献 165
第七章 波长调制型光纤传感器 167
7.1 引言 167
7.2 波长调制的原理 167
7.3 波长检测 175
参考文献 176
第八章 频率调制型光纤传感器 177
8.1 引言 177
8.2 光学Doppler效应 177
8.3 频率检测 179
参考文献 181
第九章 相位调制型光纤传感器 182
9.1 引言 182
9.2 光纤干涉仪 182
9.3 光学层析成像 191
9.4 干涉仪的灵敏度 192
9.5 双光束干涉的检测方法 193
9.6 多光束干涉的检测方法 200
参考文献 205
第十章 偏振调制型光纤传感器 208
10.1 引言 208
10.2 光纤的偏振调制 208
10.3 双折射对光纤传感器的影响 209
10.4 单模光纤双折射的测量 213
参考文献 216
第十一章 光栅调制型光纤传感器 219
11.1 引言 219
11.2 光纤Bragg光栅传感器 219
11.3 光纤Bragg光栅传感信号的检测 224
11.4 长周期光纤光栅传感器 007
11.5 光纤光栅干涉传感器 228
参考文献 230
第十二章 分布式光纤传感器 234
12.1 引言 234
12.2 光纤系统的光学测距技术 234
12.3 背向散射法的调制原理 241
12.4 前向散射法的调制原理 243
12.5 频域中非线性散射法的调制原理 244
12.6 分布式光纤传感器的工程约束 246
参考文献 246
第十三章 特种光纤 250
13.1 引言 250
13.2 自聚焦透镜 250
13.3 传像光纤 250
13.4 倏逝场光纤 251
13.5 增敏和去敏先纤 252
13.6 传输THz频段的光纤 253
13.7 红外光纤 253
13.8 可见光光纤 257
13.9 紫外光纤 258
13.10 光子晶体 259
参考文献 264
第十四章 光集成传感器 268
14.1 引言 268
14.2 倏逝场传感器 268
14.3 光学陀螺仪 270
14.4 其他干涉传感器 271
14.5 光波导Bragg光栅传感器 273
14.6 微光机电系统传感器 274
14.7 纳米测量技术 275
参考文献 276
第十五章 光纤传感器网络与数据融合 279
15.1 引言 279
15.2 光纤传感器网络与数据融合模型 279
15.3 光纤Bragg光栅传感器的复用技术 282
15.4 光纤中温度和应变的灵敏性 285
参考文献 293
第三篇 应用
第十六章 光纤机械传感器 298
16.1 引言 298
16.2 运动和尺寸 298
16.3 力学量 308
16.4 声学量 314
参考文献 317
第十七章 光纤热工传感器 319
17.1 引言 319
17.2 温度 319
17.3 压力 325
17.4 流量和流速 328
17.5 密度 337
17.6 液位 338
17.7 粘度 340
参考文献 342
第十八章 光纤电磁传感器 344
18.1 引言 344
18.2 电压 344
18.3 电流 346
18.4 磁场 351
18.5 电功率 354
18.6 电磁场 355
18.7 射线 356
参考文献 356
第十九章 光纤化学传感器 359
19.1 引言 359
19.2 光纤化学传感器的特点 359
19.3 气体 363
19.4 湿度 368
19.5 离子 369
参考文献 372
第二十章 光纤生物传感器 374
20.1 引言 374
20.2 生理量 374
20.3 生化量 381
20.4 生物量 383
参考文献 386
第二十一章 光纤传感器的产业化发展 389
21.1 引言 389
21.2 智能结构 389
21.3 工业 394
21.4 生物医学 405
21.5 自然生态 408
21.6 人居环境 412
参考文献 416
第一章 绪论
1.1 引言
1865 年，J . C . Maxwell 提出光是一种电磁波［1 ～ 4］ ，参见图1 -1 。光纤通信使用的波长在近红外区800 ～ 1700 nm ，频率为1014 ～ 1016 Hz ，比常用的微波高104 ～ 105 量级，以光子为信息载体的光纤通信提供了一种重要的信息交换与传输手段［5 ， 6］ 。光纤传感器主要研究的是光的模拟信号在光波导中传感与传输，利用敏感元件感受规定的被测量，通过转换元件按照一定规律转换成适于在光波导中传输的光信 号。
图1-1 电磁波波谱图
1.2 光纤传感技术的发展
光纤传感器是以光纤作传感材料的传感器。光纤具有良好的传光特性，可用于信息传递，无需其他中间介质就能把待测量值与光纤内的光特性变化联系起来［7 ， 8 ］ 。光纤质轻、径细、抗电磁干扰能力强、电绝缘、耐高温、信号衰减小、集信息传感与传输于一体，自20 世纪70 年代出现以来，光纤传感技术的发展可划分为三个主要阶段
第一阶段，传输型光纤传感器。20 世纪70 年代中后期，光纤作为一种信息交换的基础，通过光学器件把待测量和光纤内的导光联系起来。1977 年，美国海军研究所（NRL）开始了光纤传感器系统（FOSS）计划［9］ 。C . D . Kissinger 等人利用光纤和透镜改善非接触的位移测量［10］ ；W .F . Jacobsen 等人利用光纤和光传感器检测液位［11］ ；L . Reynolds 等人利用光纤传输研究血液的漫反射系数［12］ ；G . Pircher 等人研究了基于Sagnac 效应的光纤旋转传感器［13］ ；C . D . Butter 等人研制出光纤应变仪［14］ 等。
第二阶段，单模光纤调制技术。单模光纤的深入应用，形成了强度［15］ 、相位［16］ 、波长［17］ 、偏振［18］ 、时分［ 19］ 、频率［20］ 、光栅［21］ 等光纤传感技术。20 世纪80 年代中后期，光纤传感器近百种，主要研究计划包括：现代数字光纤控制系统（ ADOSS ，NASA）［22］ 、光纤陀螺仪（ FOG ，NASA）［ 23］ 、核辐射监控（ NRM）［24］ 、飞机发动机监控（ AEM ，NASA）［ 25］ 和其他民用研究计划（CRP）［26］ 等。光纤传感仪器开始投入实际应用。
第三阶段，20 世纪90 年代中后期，光纤传感技术逐步形成了五个主要应用领域：智能结构，工业，生物医学，自然生态和人居环境。
1.3 光纤传感器系统
输入、输出和被测量均可分为六个信号域［27 ～ 29］ ，其中，电磁信号覆盖了整个电磁谱；机械信号包括力、位置、物理尺度、速度、声波和超声波等；热信号通常可定义为温度及其衍生量，比如：热容和热阻等；电 信号包括电压、电流和电场等；磁场信号由磁场定义；化学信号定义了物质的成分和参量。
光纤中的光（电磁信号中的近红外波段）受被测量调制，光纤传感器系统主要包括：光源、光纤、光纤器件、传感元件、探测器和信号处理等。
1.3.1 光源
表征光源的基本参数有：中心工作波长、波长的传输；光功率随波长的变化，光功率与光负载（反射）的变化以及这些参数随工作温度、偏置和时间变化。典型的光纤传感器光源包括：发光二极管和半导体激光器，白炽灯也可用于某些化学传感器［30 ～ 34 ］ 。
1.3.2 光纤
光纤主要包括将光纤预制棒或放入坩埚中的芯皮玻璃料在拉丝机上拉制成一定长度的导线式光纤和采用沉积、溅射、离子交换等方法或将多根光纤熔压成一体的芯片式光纤。根据光纤对周围环境的敏感，可研制出传感器用特殊光纤［35 ～ 38］ 。
1.3.3 光纤器件
光纤器件构成了光纤传感器系统的器件基础［39 ～ 43］ ，利用全光纤器件来组成光路，使信号被限制在纤芯范围内传输，可提高稳定性。
1.3.4 传感元件
光源发出的光经光纤送入传感元件的调制区，与被测参数产生相互作用，使光的强度、相位、偏振、频率、波长等光学性质发生变化而成为被调制的信号光；最后由光纤送入光探测器，检测技术从被调制的光信号中还原（解调）出调制信号，参见图1 -2 。
光纤传感器的传感原理是传感元件内光与外场的相互作用规律。尽管光的强度、频率、波长、相位、偏振态等都可被调制，但光电探测器只能响应光的强度，因此，任何对调制光信号的检
测都应转化为光强响应。按传感类型，光纤传感器可分为三类。（1） 在传光型（非功能型）光纤传感器中，光纤仅是光的传播介质，光纤往往不连续，其间接入了对外界信息敏感的其他材料制成的或传统的传感元件。
（2）在传感型（功能型）光纤传感器中，光纤不仅传光，在外界因素作用下，传输光的强度、相位、偏振、频率、波长等光学特性会发生变化。
（3）在倏逝场光纤传感器中，当环境折射率低于纤芯折射率，光纤中的导模满足全反射，就在环境侧出现倏逝场，比如：抛磨光纤、拉伸光纤、D 形光纤和空心光纤等。
1.3.5 敏感元件
弹性（敏感）元件把各种形式的测量参量转换成应变量或位移量等，配合传感元件，把测量参量转换成调制光，从而制作出不同种性能的传感器，实现相关参量的测量［44 ～ 46］ 。
1 .弹性元件的基本特性
（1）弹性元件的固有频率（无阻尼自由振动频率）决定了弹性元件的动态特性。
（2）非弹性效应是指弹性元件在加、卸载同一数值时，位移量之间存在差值，构成了弹性滞后环，参见图1 -3 ，一般用相对滞后表示：
δn ＝ Δ ωmax
ωmax
× 100 % （1.3 -1）
式中，Δ ωmax 是最大的位移滞后；ωmax 是最大工作载荷下的总位移。
图1-3 弹性滞后环图1-4 弹性后效
弹性元件材料的变形也是时间的函数，参见图1 -4 。当载荷停止增加时，元件产生位移OD ；位移CD 是载荷不变时，在O K 时间内产生的正弹性后效（弹性蠕变） 。卸载完毕后，元件产生位移CE ；位移EO 是在K H 时间内缓慢释放的后弹性后效。弹性后效使传感器出现负的测量误差、零点漂移等，这应尽量避免。
弹性模量温度系数βt 是因环境温度变化Δ T 引起材料弹性模量变化Δ E 的量度，表示为βt ＝ 1
E0
Δ E
Δ T ＝ 1
E0
E - E0
T - T0
（1.3 -2）
式中，E0 和E 分别是温度为T0 和T 时的弹性模量，弹性模量随温度变化。在相同载荷的作用下，弹性元件的输出量发生变化，由此引起的误差被称为温度误差。
（3）刚度k 是弹性元件在外力F 作用下变形ω 的量度，表示为
k ＝ lim Δ ω·0
Δ F
Δ ω ＝ dF
dω （1.3 -3）
……
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