第三章光纖傳感器中的光學原理及效應

3.1光學反射原理3.2光學折射原理3.3光學吸收原理

3.3.1光學吸收原理

3.3.2一般吸收和選擇吸收

3.3.3吸收光譜

3.3.4半導體吸收法測量溫度的原理

3.3.5光譜吸收法測量成分或濃度3.4光學多普勒效應3.5聲光效應3.6磁光效應

3.6.1法拉第效應

3.6.2磁光克爾效應

3.6.3塞曼效應

3.6.4磁致線雙折射效應

3.6.5磁光效應的應用3.7電光效應

3.7.1泡克耳斯效應

3.7.2基于電光效應的光纖電壓傳感技術

3.7.3一種基于電光效應的光纖電壓傳感器3.8彈光效應3.9Sagnac效應

3.9.1圓形光路軌道的情況

3.9.2任意形狀光路軌道的情況

3.9.3光纖陀螺原理3.10光聲效應

3.10.1液體光聲效應的激光激發(fā)機制

3.10.2液體光聲效應的應用本章內容簡介1、光的反射圖3

1鏡面反射和漫反射情況鏡面反射i

θI漫反射

根據光的反射定律。由于粗糙表面上各點的法線方向不同，光線反射后，沿不同的方向射出，形成漫反射。大多數物體表面是粗糙的，由于漫反射的作用，我們能從各個方向看到它。反射現象的概念、反射定律的定義。光的反射的分類：鏡面反射與漫反射及其定義。圖3-2反射式強度調制型光纖傳感器的基本原理2、光的折射

利用光學折射現象，可以實現液體濃度、成分含量的測量、氣體或者液體折射率的測量。

折射現象的概念及其與折射率n的表征關系。圖3-4基于光學折射原理的光纖鹽度測量方法3、光的吸收

其中，C為溶液的濃度，A是只與吸收物質的分子特性有關，而與濃度無關的常數；

任何介質，對各種波長的電磁波能量會或多或少地吸收。完全沒有吸收的絕對透明介質中是不存在的。光通過介質時，其強度隨介質的厚度增加而減少的現象，稱為介質對光的吸收。所謂“透明”是就某些波長范圍來說的，僅有少量的吸收。吸收光輻射或光能量是物質具有的普遍性質。（1）一般吸收介質對各種波長λ的光能幾乎均勻吸收，即吸收系數α與波長λ無關。

（2）選擇吸收介質對某些波長的光的吸收特別顯著。產生選擇吸收的主要原因。

介質對光的吸收與透明的概念。吸收系數的定義，朗伯定律數學表達式的推導。3、光的吸收一切介質都具有一般吸收和選擇吸收兩種特性。

選擇吸收是物體呈現顏色的主要原因。一些物體的顏色，是由于某些波長的光透入其內一定距離后被吸收掉而引起的。例如：水能透入紅光，并逐漸吸收掉，因而水面沒有對紅光的反射，只反射藍綠光，并讓藍綠光透過相當的深度，所以水呈現藍綠色。圖3

6鈉蒸氣的吸收光譜介質吸收光譜的形成，鈉蒸汽吸收光譜的分析介紹。3.1基于吸收原理的半導體光纖溫度傳感器880930830Wavelength

/nmp(

)LEDspectrumAbsorptionedgeT1T2T2>T1圖3

7光源光譜及半導體材料隨溫度變化吸收邊的移動示意圖790970吸收波長：

FiberFiberPorcelainbushingGasketcementCeramicpinGaAs圖3光纖傳感器傳感探頭具體的結構形式Fig.3Diagramofthefiber-optictemperaturesensorprobeProtectivebushing吸收系數公式的推導與介紹。3.2基于光譜吸收原理的液體成分測量水24API原油30API原油38API原油圖3

8水與不同成分原油的近紅外光譜圖吸收率光波長/nmWhitelightsourceDual-channeldataacquisitionLensSampleCellFiberbundleFiberbranch1Fiberbranch2Filter1Filter2Detector1Detector23.3光學多普勒效應

多普勒效應的概念，光學中的多普勒效應。圖3-9光學多普勒效應圖光學多普勒效應頻率公式由于u/c很小，最終公式可簡化為：3.4聲光效應

聲光效應的概念：超聲波在介質中傳播時，引起介質地彈性應變做時間上和空間上的周期性變化，并且導致介質的折射率發(fā)生相應的變化。超聲波頻率低，光線發(fā)生偏轉；超聲波皮率高，發(fā)生聲光衍射。聲光布拉格衍射的概念。聲光調制器：壓電換能器、透明介質、聲光出入射系統(tǒng)構成的光學器件。折射率介質的形成、折射率光柵(超聲光柵)、光柵常數為超聲波波長。圖3-11聲光調制器示意圖3.5磁光效應圖3

12法拉第磁光效應原理圖

當線偏振光沿磁場方向通過置于磁場中的磁光介質時，其偏振面發(fā)生旋轉的現象稱為磁致旋光效應，通常又稱為法拉第旋轉效應。如圖3

12所示，假設有一圓柱形磁光介質，沿著軸線方向外加一穩(wěn)恒磁場H。在這種情況下，將發(fā)生法拉第旋轉效應，光波的偏振面繞傳輸軸連續(xù)右旋（相對于H而言），直至磁光介質的終端，偏振面右旋了某一角度

。光沿磁場方向，左旋。光逆著磁場方向傳播，右旋。

對于給定的介質，振動面的轉角θ與介質的長度L和磁場強度H成正比，即

＝VHL，比例系數V叫做維爾德（Verdet）系數。

磁光效應：法拉第旋轉效應、磁光克爾效應。3.5.1法拉第旋轉效應3.5.2磁光克爾效應圖3-13克爾效應

磁光克爾效應：一束線偏振光在磁化了的介質表面反射時，反射光將是橢圓偏振光，而以橢圓的長軸為標志的偏振面相對于入射偏振光的偏振面旋轉了一定的角度。這個角度被定義為克爾角度。按照磁化強度的取向，磁光克爾效應大致可分為三種類型：1.極向克爾效應：磁化強度與介質表面垂直時的克爾效應。2.橫向克爾效應：磁化強度平行于介質表面，但垂直于光的入射面時的克爾效應。3.縱向克爾效應：磁化強度既平行于介質表面又與光的入射面相平行時的克爾效應。

磁光介質的克爾角受影響的因素：溫度、配比、入射光的波長。磁光譜的概念。存儲信息的材料是磁性材料。3.5.3塞曼效應Hg原子的譜線在磁場中的分裂圖3.5.4磁致線雙折射效應圖3

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基于磁光效應的光纖電流傳感器結構3.5.5磁光效應入射光旋角

和電線電流I的關系如下

設起偏器、檢偏器的偏振化方向互成45

角，如果入射光強為

0，出射光強為

，根據馬呂斯定律，出射光強為

由以上兩式得

為了對電力系統(tǒng)的高電壓、大電流進行實時監(jiān)測，可利用磁光效應原理研制新型的電壓、電流傳感器。這類傳感器的優(yōu)點。

光強的變化量反映了被測電流的變化。5、電光效應

在電場的作用下，可以使某些各向同性的透明介質變?yōu)楦飨虍愋裕瑥亩a生人為雙折射的現象稱為電光效應。電光效應的一般分類：克爾效應（二階電光效應）和泡克爾斯效應（一階電光效應即線性電光效應）兩種。泡克爾斯效應的應用。5.1克爾效應l+-45

45

P1P2克爾盒d

不加電場→液體各向同性→P2無透射光

加電場→液體呈單軸雙折射晶體性質，其光軸平行于外電場

P2有透射光——二次電光效應其中

E—

電場強度，k—

克爾常數?？藸栃鸬膃光與o光的相位差為：

當時，克爾盒相當于一個半波片，P2透光最強。克爾效應引起的e光與o光的光程差為：克爾盒的應用:高速電光開關，電光調制器?？藸柡械娜秉c:所用液體常有劇毒，易爆炸。5.2泡克爾斯效應。泡克爾斯盒電光晶體+。-P1P2KK

··

不加電場→P2

無透射光

加電場→晶體變雙軸晶體→原光軸方向附加了雙折射效應→P2

有透射光。泡克爾斯效應引起的相位差：——線性電光效應,相位差為180度，存在半波電壓其中no—o光在晶體中的折射率；

V—電壓；

r—

電光常數。

應用:電光開關、電光調制器。如軍用固體激光測距機。

優(yōu)點：響應時間短，外加電壓低，克爾效應的十分之一。測量系統(tǒng)的自由空間傳輸方式，另介紹光纖傳輸方式參考課本P725.4基于電光效應的光纖電壓傳感技術

基于電光效應的光纖電壓傳器(簡稱VOT):橫向調制式與縱向調制式、透射式與反射的式、分壓式與無分壓式、分立式與組合式、單光路式與雙光路式、單晶體式與雙晶體式。1.橫向調制式與縱向調制式：電光效應使得在電場或電壓的作用下，透過某些物質（如電光晶體）的光會發(fā)生雙折射，雙折射的兩束光波之間的相位差與外施加電壓（即被測電壓）成正比，這就是設計的理論原理。電光晶體在不同方向上的電光系數的大小不同，以下所列表明電光效應的大小與電場方向和通光方向有關。

橫向調制式傳感器的半波電壓與電極間距及長度有光，改變電極的間距或長度可以調整半波電壓的大小。缺點：存在自然雙折射引起的附加相位的延遲，并且隨著晶體的溫度變化而變化，影響傳感器工作的穩(wěn)定性。

縱向調制式：傳光方向與電場方向一致的一種調制方式。兩電極間的電壓與電場的分布無關，是由電場強度沿任意路徑的線積分來定義的。可排除極間外電場的干擾以及雜散電容的影響，提高測量精度，半波電壓只與晶體的電光性能有關，而與晶體的長度無關，需要制作透明電極。2.透射式與反射式

橫向調制與縱向調制均屬于透射式結構范疇如圖2-(a)所示，從晶體的一端入射從另一端出射。反射則是光線從晶體的一端入射后經另一端反射后又從入射端出射。

ABB公司生產的反射式結構傳感器其工作過程：光線經準直透鏡由透明電極射入電光晶體，在晶體的另一端經直角棱鏡做兩次全反射后又返回電光晶體，再從透明電極準直透鏡射出。3.分壓式與無分壓式4.分立式與組合式

測量單一電壓或者電流的為分立式，組合式既可以測電壓也可以同時測電流。5.單光路式與雙光路式6.單晶體與雙晶體式圖3

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基于電光效應的光纖電壓傳感器原理

在一塊兩端面平行的雙折射晶體的入射面輸入一束單色平行光束，基于雙折射晶體的電光效應，其折射率會隨外加電壓的變化而線性變化。入射光在進入晶體后變成兩束初始相位相同、而電場矢量互相垂直的o光和e光光束，這兩束光在晶體中的傳播速度不同，出射時將產生由于光程差而導致的相位差，若能測出兩束光波的相位差，就可以計算出被測電壓。從BGO晶體中出射的兩束光的偏振方向并不一致，不能直接產生干涉。所以在光路中加入一塊偏振分束棱鏡，于是將兩束偏振方向垂直的出射光投射到一個偏振方向上，并產生干涉效應。晶體未加電壓時，一束圓偏振光相當于自然雙折射很小的晶體；加上電壓時，入射圓偏振光通過產生人工雙折射的晶體后變?yōu)闄E圓偏振光，經偏振分束棱鏡分為兩束線偏振光。用光電探測器檢測輸出光強，就可以得到被測電壓。3.5.6一種基于電光效應的光纖電壓傳感器6、彈光效應(參考P77)入射光纖接收光纖彈光材料檢偏器起偏器壓縮盤壓力圖3

21基于彈光效應的光纖壓力傳感器原理信號光源光探測器

由機械應力引起的材料折射率變化的現象稱為彈光效應（Elasto-OpticalEffect）。由于沿應力方向發(fā)生折射率變化，原來同性材料也可變成各向異性，即折射率橢球發(fā)生變化，而呈現雙折射。因此，對彈光物質通光和施加應力時，由于應力和與應力垂直的方向上產生位相差，故可以利用這種效應制作位移、振動和壓力等光學傳感器。

彈光效應壓力傳感器原理的一些介紹：7、Sagnac效應Sagnac效應是指在任意幾何形狀的閉合光路中，從某一點觀察點發(fā)出的一對光波沿相反方向運行一周后又回到該觀察點時，這對光波的相位（或它們經歷的光程）將由于該閉合環(huán)形光路相對于慣性空間的旋轉而不同，其相位差（光程差）的大小與閉合光路的轉速速率成正比。1.圓形光路軌道的情況2.任意形狀光路軌道的情況(1)Sagnac相位差與光路軌道形狀、旋轉中心位置以及折射率無關。(2)Sagnac相位差只與光路軌道的幾何參數有關。7.1圓形光路軌道的情況3.光纖陀螺儀原理3.1概述

陀螺儀(gyroscope)意即“旋轉指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一種傳感器．自1852年陀螺儀問世，因其獨特的性能，廣泛地應用于航海、航空、航天以及國民經濟等領域。迄今為止，陀螺儀從傳統(tǒng)的剛體轉子陀螺儀到新型的固態(tài)陀螺儀，種類十分繁多。液浮陀螺、靜電陀螺和動力調諧陀螺是技術成熟的三種剛體轉子陀螺儀，達到了精密儀器領域內的高技術水平。隨著光電技術、微米／納米技術的發(fā)展，新型陀螺儀如激光陀螺、光纖陀螺和微機械陀螺應運而生。它們都是廣義上的陀螺儀，是根據近代物理學原理制成的具有陀螺效應的傳感器。因其無活動部件—高速轉子，稱為固態(tài)陀螺儀。這種新型全固態(tài)的陀螺儀將成為未來的主導產品，具有廣泛的發(fā)展前途和應用前景。

根據其精度范圍陀螺儀大致分為三部分：超高精度陀螺儀、中高精度陀螺儀和低精度陀螺儀。1）超高精度陀螺儀超高精度陀螺儀指精度在10-6o/h～5×10-4

o／h范圍內的陀螺儀，主要包括靜電陀螺、磁浮陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺儀是靜電陀螺儀。

靜電陀螺儀組成的靜電陀螺監(jiān)控器(ESGM)與艦船慣性導航系統(tǒng)(SINS)組成SINS／ESGM組合導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)是目前最高精度等級的慣性導航設備，它能滿足潛艇及航母高精度、高可靠性和隱蔽性的要求。2)中高精度陀螺儀中高精度陀螺儀指精度在5×10-4o/h到10-1o/h的陀螺儀。目前最具有發(fā)展前景的陀螺儀就是光學陀螺儀，主要指激光陀螺儀和光纖陀螺儀，激光陀螺屬于第一代光學陀螺，光纖陀螺屬于第二代光學陀螺．最近幾年，由于光纖陀螺在精度、性能和尺寸上具有更大的潛力，越來越受到各國陸?？杖姷那嗖A。

有關專家認為：精度在10-2o/h或者更高的光纖陀螺將代替激光陀螺，這是發(fā)展趨勢。在軍用方面，飛機、艦艇、潛艇以及導彈均將裝備光纖陀螺用以導航和制導，而且衛(wèi)星、宇宙飛船上也將會裝備光纖陀螺儀用于與地形跟蹤匹配和導向，火箭發(fā)射場上光纖陀螺儀用于火箭升空發(fā)射跟蹤及測定等。在民用方面，光纖陀螺儀可用于飛機導航和石油勘察、鉆井導向(確定下鉆的位置)，特別是在工業(yè)上的應用具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?)低精度陀螺儀低精度陀螺儀指精度范圍超過10-1o/h的陀螺儀。目前有發(fā)展前景的是微機械陀螺儀。雖然精度低，但低廉的價格使其具有廣闊的應用前景。微機械陀螺儀有望在一些新的領域中得到應用，如車載導航系統(tǒng)、天文望遠鏡、工業(yè)機器人、計算機鼠標，甚至是玩具上。光纖陀螺儀的工作原理：光纖陀螺的工作原理是基于薩格納克(Sagnac)效應。薩納克效應是相對慣性空間轉動的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關效應，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進行傳播，最后匯合到同一探測點。若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對慣性空間存在著轉動角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產生光程差，其光程差與旋轉的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應的相位差的信息，即可得到旋轉角速度。

光纖陀螺儀原理結構示意圖

對原理模型和解析關系的說明參照課本P81與機電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點：(1)零部件少，儀器牢固穩(wěn)定，具有較強的抗沖擊和抗加速運動的能力；(2)繞制的光纖較長，使檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個數量級；(3)無機械傳動部件，不存在磨損問題，因而具有較長的使用壽命；(4)易于采用集成光路技術，信號穩(wěn)定，且可直接用數字輸出，并與計算機接口聯接；(5)通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數，可以實現不同的精度，并具有較寬的動態(tài)范圍；(6)相干光束的傳播時間短，因而原理上可瞬間啟動，無需預熱；(7)可與環(huán)形激光陀螺一起使用，構成各種慣導系統(tǒng)的傳感器，尤其是級聯式慣導系統(tǒng)的傳感器；(8)結構簡單、價格低，體積小、重量輕．

干涉型光纖陀螺儀(I—FOG)，即第一代光纖陀螺儀，目前應用最廣泛。它采用多匝光纖圈來增強SAGNAC效應，一個由多匝單模光纖線圈構成的雙光束環(huán)形干涉儀可提供較高的精度，也勢必會使整體結構更加復雜；

開環(huán)光纖陀螺不帶反饋，直接檢測光輸出，省去許多復雜的光學和電路結構，具有結構簡單、價格便宜、可靠性高、消耗功率低等優(yōu)點，缺點是靠增加單模光纖的長度來提高陀螺的靈敏度，輸入一輸出線性度差、動態(tài)范圍小，主要用作角度傳感器。開環(huán)的干涉型光纖陀螺(IOFG)的基本結構是一個環(huán)形雙光束干涉儀。光纖線圈一般都用單模光纖和保偏光纖制作。主要用作角速度傳感器。開環(huán)光纖陀螺儀測量示意圖閉環(huán)光纖陀螺

閉環(huán)光纖陀螺包含閉環(huán)環(huán)節(jié)，它引入了反饋相移。它由激光器光源LR、分束器SL、相位調制器PM、光檢測器D和相敏解調器PSD、伺服放大器SF、相位變換器PT組成反饋回路。從LR出來的光經分束器SL分成等強的兩束，其中順時針方向傳播的光由透鏡L1耦合進人光纖線圈的一端。而逆時針方向傳播的光通過相位調制器PM后，由透鏡L2耦合進入光纖線圈的另一端。這兩束光分別從光纖線圈的相反兩端出射。當光纖陀螺輸入軸旋轉時，兩束光之間的相移將發(fā)生變化，兩束光經分束器SL匯合后。由光檢測器D接收，經工作頻率為fm的相敏解調器PSD解調，并經低通濾波后送人伺服放大器SF驅動相位變換PT，產生與旋轉相移ΔΦ大小相等符號相反的信號，使光纖陀螺始終處于在其最靈敏的零位附近工作。

閉環(huán)干涉型光纖陀螺原理圖

和開環(huán)IOFG相比，閉環(huán)IOFG多了一個反饋回路，它引入了反饋相移。閉環(huán)環(huán)節(jié)大大降低光源漂移的影響，擴大了光纖陀螺的動態(tài)范圍，對光源強度變化和元件增益變化不敏感，陀螺漂移非常小，輸出線性度和穩(wěn)定性只與相位變換器有關，主要應用于中等精度的慣導系統(tǒng)，對光纖陀螺的小型化和穩(wěn)定性有重要作用，是高精度光纖陀螺研究的主要趨勢。諧振式光纖陀螺

用單模光纖構成環(huán)形諧振腔，通過檢測諧振腔中順、逆時針傳播的兩光束之間由轉動引起的諧振頻差，實現轉動速率的度量，即構成諧振器型光纖陀螺。在該陀螺中，為了抵消諧振腔長隨溫度變化和機械變化帶來的影響，必須采用順、逆時針傳播的