2001年第20卷第3期传感器技术(JournaIofTransducerTechnoIogy)
15
!!!!!"
摘
!"
!!!!!!"
设计与制造
"
新型反射式光纤位移传感器的分析与设计#
付松年,苏立国,游佰强,董小鹏
(厦门大学电子工程系,福建厦门361005)
要:在传统反射式光纤位移传感基础上,提出了一种新型的可测量被测物体反射面与反射光纤端面绝
对距离的光纤位移传感器的设计方法,并对其工作原理及特性进行了详细的分析和讨论。这种新的反射式光纤传感器可为绝对位移测量提供一种新的途径。关键词:位移传感器;光纤;绝对距离中图分类号:TN253
文献标识码:A
文章编号:(2001)1000-978703-0015-03
Analysisanddesignofanovelfiberopticdisplacementsensor
FUSong-nian,SULi-guo,YOUBai-giang,DONGXiao-peng
(Dept.ofElectronicEngin.,XiamenUniversity,Xiamen361005,China)
Abstract:AnewrefIectivetypefiberopticdispIacementsensorforabsoIutedistancebetweentheobjectrefIectivesurfaceandtheopticaIfiberendmeasurementisproposedinthispaper.ThistechnigueisbasedontraditionaIrefIectivetypefiberopticdispIacementsensor.Inthispaper,theworkingprincipIeandfeaturesofthissensorareanaIyzedanddiscussedindetaiI.ThemethodprovidesanewapproachforabsoIutedistancemeasurement.Keywords:dispIacementsensor;fiberopticaI;absoIutedistance
0引言位移或振动测量方法。通过测量比较各反射光纤的光强信号,可以得到光纤端面与物体反射面之间的距离,从而实现光纤绝对距离或位移的测量。文中对这种传感器输出信号的特性及多根光纤排列方式作了分析,得到这种光纤传感器的相关设计参数。1
传统反射式光纤位移传感器的输出特性传统的强度调制型光纤传感器工作原理是通过检测从物体表面反射并被光纤接收的光强信号的变化来探测反射物的位移量或振动频率,如图1
所示。
在传统的强度调制型光纤传感器中,反射式光
[1]
。纤位移或振动传感器是最早被提出并研究的
当反射式光纤传感器的入射与反射是不同光纤时,反射光纤得到的光强信号与反射面到光纤端面距离的关系不是一种单调或线性关系。另外,光源输出功率波动或信号在光纤中传输时的损耗也会对探测器接收到的信号产生影响。这给需要测量光纤端面到反射光纤端面绝对距离的某些应用场合带来困难。因此,传统的反射式光纤位移传感器一般不能进行绝对距离的测量。目前通常采用白光干涉法
[2]
,这种方法要建立两个MacheI-进行绝对距离测量
系统较son干涉光路并配合精密的反射镜调节装置,为复杂且成本较高。为充分发挥普通反射式光纤位移传感器简便可靠、实现容易的优点,提出一种采用具有不同高度多根光纤作反射光纤的反射式光纤
收稿日期:2000-11-13
国家自然科学基金资助项目(69777012)#基金项目:
Fig.1
图1
传统的强度调制型光纤传感器
Traditionalopticfiberintensity-modulatedsensor
l6传感器技术第2O卷
在这种传感方式中,反射及入射光纤可以是同一光纤,也可以是不同光纤。可以使用单模光纤或多模光纤。但当使用单模光纤时若入射与反射不是同一光纤,反射回接收光纤的光强信号很弱,这在系统光源功率较小时不能使用。
采用多模光纤的位移传感器输出特性可通过计算入射光纤的远场辐射经物体反射后对反射光纤基模的激发效率来得到。对于图l所示反射与入射光纤并排放置的情形,耦合进反射光纤的反射光强Pr与光纤端面至反射面的间距 的关系可以通过计算得到,当使用多模光纤反射光纤得到的光强信号Pr与距离 的关系如图2中曲线所示。计算所用的多模光纤参数:外径=l25!芯径2a=5O!数值孔m,m,径NA=O.3。光源波长均为l.33!光纤折射率为m,阶跃型分布。采用单模光纤也可以构成反射和入射光纤,但单模光纤反射接受到的最大光强要比采用多模光纤得到的低一个数量级左右。详细计算公式见文献[3]
。
从图2中的曲线可以看到,耦合进反射光纤的光强随距离 的变化有上升和下降两个区段,光强最大值出现的位置仅由反射光纤端面与反射面的距离决定,与光源功率的大小无关。但在使用单根反射光纤进行位移传感时,由于仅从反射回光纤的光强信号大小不能判定距离 对应图l中曲线上升或下降沿的哪一位置,同时强度信号也容易受光源功率波动或传输光纤损耗的影响,要从光强信号得到反射面到光纤端面的绝对距离十分困难。2
可测量绝对距离的反射式光纤传感测量原理为解决上述单根反射光纤不能得到反射面至光纤端面绝对距离的难题,提出使用多根反射光纤,同时各光纤与反射面的距离呈递增排列方式接收反射光信号,如图3所示。由上一节分析可知,当入射及反射光纤位置确定时,进入反射光纤最大光强对应这样将各不同高度的反的反射面距离 是唯一的。
射光纤在入射光纤周围排列时,对应某一距离 ,反射光纤中总有一根光纤的光强达到最大。这样通过比较各光纤输出信号的大小,就可以判断光纤端面与反射面的距离 是多少。
原则上反射光纤可以相对入射光纤平行排列(图(),也可以环绕入射光纤排列(图3(b)),但3a)通过计算可知,平行方式排列的反射光纤位置在距入射光纤较远时,进入反射光纤的光强信号会变得很弱,这将给实际测量带来困难。另外,进一步计算
图2
Fig.2
多模光纤的归一化功率与光纤端面至反射面的间距!的关系
也知,若使用单模光纤环绕入射光纤排列,进入反射光纤的最大光强信号也比同样排列下使用多模光纤实际应用中得到的最大光强弱l~2数量级。为此,使用多模光纤可以提高距离测量的信噪比。
Relationbetweenthenormalizedpowerofmultiple
fiberendtothereflectingsurface
modeopticalfiberandthedistance!fromtheoptical
图3
Fig.3
改进的光强度传感器示意图
Improvedoptic-fiberintensity-modulatedsensor
第3期付松年等:新型反射式光纤位移传感器的分析与设计l7
采用多模光纤作为入射、反射光纤时,反射光纤围绕入射光纤排布,排布的间距是38!m时候得到有规律的分布曲线,如图4
所示。
下一光纤输出功率达到最大,其功率的比值从数值当L继续增加时可以再用最大光l.33减小至0.6l。
纤输出与下一光纤输出的比值计算反射面的位移。图46根多模光纤归一化功率与距离!的关系Fig.4
Relationbetweenthenormalizedpowerofsix
multiplemodeopticalfiberanddistance!
从以上计算结果可以发现当(图3(b))入射光纤端面与反射面距离L改变时,l~6号光纤依次获
得最大光强。当距离L固定时,根据L的不同l~6光纤之一将出现最大光功率。因此在光纤参数、反射光纤之间的间距、光源波长确定情况下,通过检测哪一根光纤有最大输出即可得知反射面与光纤端面的距离。3
讨
论
由图4知,采用紧密环绕光纤排列(如图3(b))并配合检测最大光强输出光纤的方法可以达到的测量精度!由离反射面最近光纤出现最大光强对应的距离LmaX(量程)与光纤可排列的数目N的比值决定,!=L/N。
在标准l25!m光纤外径下,环绕中间入射光纤紧密接触式排列光纤的最大根数为6,可见单纯由最大光强输出光纤来判别距离L有较大误差。为提高测量精度可以通过选择外径较小的光纤作反射光纤、离开中心(入射)光纤一定距离排列反射光纤等方法实现。这里提出通过计算两个最大输出光强的比值方法来确定反射面距反射光纤端面的精确距离。从图4见,在量程范围内的任一距离L处将有两根相邻光纤的输出功率比其它光纤大。将前一根光纤的输出功率与后一根光纤(如图5L在80~96!m之间光纤2与光纤l功率的比)的功率相比,其比值在距离L在初始测量精度!范围内变化时对应的曲线如图5所示。
图5中光纤及其它计算参数与图4相同。从图5可见,当L从前一光纤最大输出功率处开始增大至
于是,在量程范围内,测量绝对距离的精度由检测电路的噪声决定。减小检测电路的噪声应能提高这种传感器测量绝对距离的准确性。
设计此类传感器的核心问题是保证第六根光纤的功率峰值出现在绝对距离为零处。调整的办法是改变光纤之间的间距。做出了调整曲线(图6),从曲线上确定最佳间距。曲线上距离为负值应解释为第六根光纤的最大值已经出现过了。考虑实际运用中光纤参数能发生变化的是数值孔径,也给出了在不同的光纤固有参数下光纤之间的最佳间距的变化
曲线(图7),
供设计时参考。
图5相邻两光纤功率的比值与距离的关系
Fig.5
Relationbetweentheratioofthetwoadjacentopticalfiber’spowersandthedistance
!
图6选择反射光纤之间最佳间距的曲线Fig.6
Curvefortheoptimaldisplacement
selecting图7数值孔径与最佳间距的关系Fig.7Relationbetweentheoptimaldisplacement
andnumericalaperture
(下转第20页)
(上接第!"页)#
结
论
采用多根光纤环绕并与反射面距离递增排列的接收方式,可以测量到反射面离开光纤端面的绝对距离。这种新型的反射式光强度调制传感器具有测量原理简单、成本低、易实现等特点。测量结果与光源输出功率的波动无关。这种传感器设计可为绝对距离或振动测量提供一种新的途径。[J]sensors.SPIEOpticaIEngineeringPress,1992,210:19-21.
[2]WangDN,NingYN,GrattanKTV.PerfomanceofsynthesizedIight
[A]sourcesforwhite-Iightinterferometricsystems.PresentedtoConf.[C]On“BroadBandInterferometry”.TheInstituteofPhysics,OpticaIGroup,Heriot-WattUniversity,Edinburgh,1993.24-27.
[3]秦秉坤,孙雨南.介质光波导及其应用[M]北京理工大.北京:
学出版社,1991.283-286.
作者简介:
付松年(1975-),男,福建南安人,厦门大学电子工程系硕士研参考文献:
1]CuIshawB,MoorEL,ZHANGZhi-Peng.AdvancedinopticaIfiber
究生。目前主要从事光纤位移传感器,光纤气体传感器的研究。
[
新型反射式光纤位移传感器的分析与设计
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
付松年, 苏立国, 游佰强, 董小鹏厦门大学 电子工程系,
传感器技术
JOURNAL OF TRANSDUCER TECHNOLOGY2001,20(3)8次
参考文献(3条)
1.Culshaw B;Moor E L;ZHANG Zhi-Peng Advanced in optical fiber sensors 1992
2.Wang D N;Ning Y N;Grattan K T V Perfomance of synthesized light sources for white-lightinterferometric systems 19933.介质光波导及其应用 1991
本文读者也读过(10条)
1. 高天国 反射式光纤位移传感器[期刊论文]-自动化博览2002,19(1)
2. 汪晓东 反射式光纤位移传感器数学模型的优化[期刊论文]-光子学报2002,31(10)
3. 方兰兰.马军山.Fang Lanlan.Ma Junshan 一种提高反射式光纤位移传感器灵敏度的方法[期刊论文]-应用激光2007,27(2)
4. 丛红 反射式光纤微位移传感器[期刊论文]-传感器技术2003,22(9)
5. 张毅.文勇.Zhang Yi.Wen Yong 光闸式光纤位移传感器[期刊论文]-测试技术学报2002,16(z1)6. 雷新颖 一种双光路输出的反射式光纤位移传感器[期刊论文]-中国科技信息2008(17)
7. 黄云刚.殷宗敏.周俊鹤.HUANG Yun-gang.YIN Zong-min.ZHOU Jun-he 测量纵向位移的光纤位移传感器[期刊论文]-仪表技术与传感器2005(3)
8. 王玉田.郭媛 反射式光纤位移传感器补偿方法的研究[会议论文]-2004
9. 朱庆保.ZHU Qingbao 一种智能光纤位移传感器[期刊论文]-自动化仪表2001,22(1)
10. 刘月明.田维坚.刘君华.张少君 适用于硅微谐振器件测量的光纤位移传感器研究[期刊论文]-光子学报2003,32(10)
引证文献(8条)
1.陈玉.王幼民.许德章 光纤位移传感器的研制与应用[期刊论文]-仪表技术与传感器 2007(9)2.李亦军.吴峰 流体流速测试仪的实验研究[期刊论文]-仪器仪表学报 2006(11)
3.丁英丽 基于光纤传感器的智能温度检测系统的设计[期刊论文]-计量与测试技术 2003(2)4.马立修 基于双D光纤传感器的陶瓷泥浆浓度仪的设计[期刊论文]-传感技术学报 2009(6)5.李强.孙彦萍.赵文琦 制药厂房粉尘检测装置设计[期刊论文]-机电信息 2013(23)
6.张毅.洪建中 反射式光强调制型光纤传感器的应用及发展[期刊论文]-光电子技术与信息 2002(3)7.胡章芳 纯平AG荫罩振动特性的研究[学位论文]硕士 2004
8.刘丽华 光纤位移传感器及旋转机械动静间隙测量技术研究[学位论文]博士 2005
引用本文格式:付松年.苏立国.游佰强.董小鹏 新型反射式光纤位移传感器的分析与设计[期刊论文]-传感器技术2001(3)
2001年第20卷第3期传感器技术(JournaIofTransducerTechnoIogy)
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摘
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设计与制造
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新型反射式光纤位移传感器的分析与设计#
付松年,苏立国,游佰强,董小鹏
(厦门大学电子工程系,福建厦门361005)
要:在传统反射式光纤位移传感基础上,提出了一种新型的可测量被测物体反射面与反射光纤端面绝
对距离的光纤位移传感器的设计方法,并对其工作原理及特性进行了详细的分析和讨论。这种新的反射式光纤传感器可为绝对位移测量提供一种新的途径。关键词:位移传感器;光纤;绝对距离中图分类号:TN253
文献标识码:A
文章编号:(2001)1000-978703-0015-03
Analysisanddesignofanovelfiberopticdisplacementsensor
FUSong-nian,SULi-guo,YOUBai-giang,DONGXiao-peng
(Dept.ofElectronicEngin.,XiamenUniversity,Xiamen361005,China)
Abstract:AnewrefIectivetypefiberopticdispIacementsensorforabsoIutedistancebetweentheobjectrefIectivesurfaceandtheopticaIfiberendmeasurementisproposedinthispaper.ThistechnigueisbasedontraditionaIrefIectivetypefiberopticdispIacementsensor.Inthispaper,theworkingprincipIeandfeaturesofthissensorareanaIyzedanddiscussedindetaiI.ThemethodprovidesanewapproachforabsoIutedistancemeasurement.Keywords:dispIacementsensor;fiberopticaI;absoIutedistance
0引言位移或振动测量方法。通过测量比较各反射光纤的光强信号,可以得到光纤端面与物体反射面之间的距离,从而实现光纤绝对距离或位移的测量。文中对这种传感器输出信号的特性及多根光纤排列方式作了分析,得到这种光纤传感器的相关设计参数。1
传统反射式光纤位移传感器的输出特性传统的强度调制型光纤传感器工作原理是通过检测从物体表面反射并被光纤接收的光强信号的变化来探测反射物的位移量或振动频率,如图1
所示。
在传统的强度调制型光纤传感器中,反射式光
[1]
。纤位移或振动传感器是最早被提出并研究的
当反射式光纤传感器的入射与反射是不同光纤时,反射光纤得到的光强信号与反射面到光纤端面距离的关系不是一种单调或线性关系。另外,光源输出功率波动或信号在光纤中传输时的损耗也会对探测器接收到的信号产生影响。这给需要测量光纤端面到反射光纤端面绝对距离的某些应用场合带来困难。因此,传统的反射式光纤位移传感器一般不能进行绝对距离的测量。目前通常采用白光干涉法
[2]
,这种方法要建立两个MacheI-进行绝对距离测量
系统较son干涉光路并配合精密的反射镜调节装置,为复杂且成本较高。为充分发挥普通反射式光纤位移传感器简便可靠、实现容易的优点,提出一种采用具有不同高度多根光纤作反射光纤的反射式光纤
收稿日期:2000-11-13
国家自然科学基金资助项目(69777012)#基金项目:
Fig.1
图1
传统的强度调制型光纤传感器
Traditionalopticfiberintensity-modulatedsensor
l6传感器技术第2O卷
在这种传感方式中,反射及入射光纤可以是同一光纤,也可以是不同光纤。可以使用单模光纤或多模光纤。但当使用单模光纤时若入射与反射不是同一光纤,反射回接收光纤的光强信号很弱,这在系统光源功率较小时不能使用。
采用多模光纤的位移传感器输出特性可通过计算入射光纤的远场辐射经物体反射后对反射光纤基模的激发效率来得到。对于图l所示反射与入射光纤并排放置的情形,耦合进反射光纤的反射光强Pr与光纤端面至反射面的间距 的关系可以通过计算得到,当使用多模光纤反射光纤得到的光强信号Pr与距离 的关系如图2中曲线所示。计算所用的多模光纤参数:外径=l25!芯径2a=5O!数值孔m,m,径NA=O.3。光源波长均为l.33!光纤折射率为m,阶跃型分布。采用单模光纤也可以构成反射和入射光纤,但单模光纤反射接受到的最大光强要比采用多模光纤得到的低一个数量级左右。详细计算公式见文献[3]
。
从图2中的曲线可以看到,耦合进反射光纤的光强随距离 的变化有上升和下降两个区段,光强最大值出现的位置仅由反射光纤端面与反射面的距离决定,与光源功率的大小无关。但在使用单根反射光纤进行位移传感时,由于仅从反射回光纤的光强信号大小不能判定距离 对应图l中曲线上升或下降沿的哪一位置,同时强度信号也容易受光源功率波动或传输光纤损耗的影响,要从光强信号得到反射面到光纤端面的绝对距离十分困难。2
可测量绝对距离的反射式光纤传感测量原理为解决上述单根反射光纤不能得到反射面至光纤端面绝对距离的难题,提出使用多根反射光纤,同时各光纤与反射面的距离呈递增排列方式接收反射光信号,如图3所示。由上一节分析可知,当入射及反射光纤位置确定时,进入反射光纤最大光强对应这样将各不同高度的反的反射面距离 是唯一的。
射光纤在入射光纤周围排列时,对应某一距离 ,反射光纤中总有一根光纤的光强达到最大。这样通过比较各光纤输出信号的大小,就可以判断光纤端面与反射面的距离 是多少。
原则上反射光纤可以相对入射光纤平行排列(图(),也可以环绕入射光纤排列(图3(b)),但3a)通过计算可知,平行方式排列的反射光纤位置在距入射光纤较远时,进入反射光纤的光强信号会变得很弱,这将给实际测量带来困难。另外,进一步计算
图2
Fig.2
多模光纤的归一化功率与光纤端面至反射面的间距!的关系
也知,若使用单模光纤环绕入射光纤排列,进入反射光纤的最大光强信号也比同样排列下使用多模光纤实际应用中得到的最大光强弱l~2数量级。为此,使用多模光纤可以提高距离测量的信噪比。
Relationbetweenthenormalizedpowerofmultiple
fiberendtothereflectingsurface
modeopticalfiberandthedistance!fromtheoptical
图3
Fig.3
改进的光强度传感器示意图
Improvedoptic-fiberintensity-modulatedsensor
第3期付松年等:新型反射式光纤位移传感器的分析与设计l7
采用多模光纤作为入射、反射光纤时,反射光纤围绕入射光纤排布,排布的间距是38!m时候得到有规律的分布曲线,如图4
所示。
下一光纤输出功率达到最大,其功率的比值从数值当L继续增加时可以再用最大光l.33减小至0.6l。
纤输出与下一光纤输出的比值计算反射面的位移。图46根多模光纤归一化功率与距离!的关系Fig.4
Relationbetweenthenormalizedpowerofsix
multiplemodeopticalfiberanddistance!
从以上计算结果可以发现当(图3(b))入射光纤端面与反射面距离L改变时,l~6号光纤依次获
得最大光强。当距离L固定时,根据L的不同l~6光纤之一将出现最大光功率。因此在光纤参数、反射光纤之间的间距、光源波长确定情况下,通过检测哪一根光纤有最大输出即可得知反射面与光纤端面的距离。3
讨
论
由图4知,采用紧密环绕光纤排列(如图3(b))并配合检测最大光强输出光纤的方法可以达到的测量精度!由离反射面最近光纤出现最大光强对应的距离LmaX(量程)与光纤可排列的数目N的比值决定,!=L/N。
在标准l25!m光纤外径下,环绕中间入射光纤紧密接触式排列光纤的最大根数为6,可见单纯由最大光强输出光纤来判别距离L有较大误差。为提高测量精度可以通过选择外径较小的光纤作反射光纤、离开中心(入射)光纤一定距离排列反射光纤等方法实现。这里提出通过计算两个最大输出光强的比值方法来确定反射面距反射光纤端面的精确距离。从图4见,在量程范围内的任一距离L处将有两根相邻光纤的输出功率比其它光纤大。将前一根光纤的输出功率与后一根光纤(如图5L在80~96!m之间光纤2与光纤l功率的比)的功率相比,其比值在距离L在初始测量精度!范围内变化时对应的曲线如图5所示。
图5中光纤及其它计算参数与图4相同。从图5可见,当L从前一光纤最大输出功率处开始增大至
于是,在量程范围内,测量绝对距离的精度由检测电路的噪声决定。减小检测电路的噪声应能提高这种传感器测量绝对距离的准确性。
设计此类传感器的核心问题是保证第六根光纤的功率峰值出现在绝对距离为零处。调整的办法是改变光纤之间的间距。做出了调整曲线(图6),从曲线上确定最佳间距。曲线上距离为负值应解释为第六根光纤的最大值已经出现过了。考虑实际运用中光纤参数能发生变化的是数值孔径,也给出了在不同的光纤固有参数下光纤之间的最佳间距的变化
曲线(图7),
供设计时参考。
图5相邻两光纤功率的比值与距离的关系
Fig.5
Relationbetweentheratioofthetwoadjacentopticalfiber’spowersandthedistance
!
图6选择反射光纤之间最佳间距的曲线Fig.6
Curvefortheoptimaldisplacement
selecting图7数值孔径与最佳间距的关系Fig.7Relationbetweentheoptimaldisplacement
andnumericalaperture
(下转第20页)
(上接第!"页)#
结
论
采用多根光纤环绕并与反射面距离递增排列的接收方式,可以测量到反射面离开光纤端面的绝对距离。这种新型的反射式光强度调制传感器具有测量原理简单、成本低、易实现等特点。测量结果与光源输出功率的波动无关。这种传感器设计可为绝对距离或振动测量提供一种新的途径。[J]sensors.SPIEOpticaIEngineeringPress,1992,210:19-21.
[2]WangDN,NingYN,GrattanKTV.PerfomanceofsynthesizedIight
[A]sourcesforwhite-Iightinterferometricsystems.PresentedtoConf.[C]On“BroadBandInterferometry”.TheInstituteofPhysics,OpticaIGroup,Heriot-WattUniversity,Edinburgh,1993.24-27.
[3]秦秉坤,孙雨南.介质光波导及其应用[M]北京理工大.北京:
学出版社,1991.283-286.
作者简介:
付松年(1975-),男,福建南安人,厦门大学电子工程系硕士研参考文献:
1]CuIshawB,MoorEL,ZHANGZhi-Peng.AdvancedinopticaIfiber
究生。目前主要从事光纤位移传感器,光纤气体传感器的研究。
[
新型反射式光纤位移传感器的分析与设计
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
付松年, 苏立国, 游佰强, 董小鹏厦门大学 电子工程系,
传感器技术
JOURNAL OF TRANSDUCER TECHNOLOGY2001,20(3)8次
参考文献(3条)
1.Culshaw B;Moor E L;ZHANG Zhi-Peng Advanced in optical fiber sensors 1992
2.Wang D N;Ning Y N;Grattan K T V Perfomance of synthesized light sources for white-lightinterferometric systems 19933.介质光波导及其应用 1991
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5. 张毅.文勇.Zhang Yi.Wen Yong 光闸式光纤位移传感器[期刊论文]-测试技术学报2002,16(z1)6. 雷新颖 一种双光路输出的反射式光纤位移传感器[期刊论文]-中国科技信息2008(17)
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8.刘丽华 光纤位移传感器及旋转机械动静间隙测量技术研究[学位论文]博士 2005
引用本文格式:付松年.苏立国.游佰强.董小鹏 新型反射式光纤位移传感器的分析与设计[期刊论文]-传感器技术2001(3)