第三章光纤传感器中的光学原理及效应

3.1光学反射原理3.2光学折射原理3.3光学吸收原理

3.3.1光学吸收原理

3.3.2一般吸收和选择吸收

3.3.3吸收光谱

3.3.4半导体吸收法测量温度的原理

3.3.5光谱吸收法测量成分或浓度3.4光学多普勒效应3.5声光效应3.6磁光效应

3.6.1法拉第效应

3.6.2磁光克尔效应

3.6.3塞曼效应

3.6.4磁致线双折射效应

3.6.5磁光效应的应用3.7电光效应

3.7.1泡克耳斯效应

3.7.2基于电光效应的光纤电压传感技术

3.7.3一种基于电光效应的光纤电压传感器3.8弹光效应3.9Sagnac效应

3.9.1圆形光路轨道的情况

3.9.2任意形状光路轨道的情况

3.9.3光纤陀螺原理3.10光声效应

3.10.1液体光声效应的激光激发机制

3.10.2液体光声效应的应用本章内容简介1、光的反射图3

1镜面反射和漫反射情况镜面反射i

θI漫反射

根据光的反射定律。由于粗糙表面上各点的法线方向不同，光线反射后，沿不同的方向射出，形成漫反射。大多数物体表面是粗糙的，由于漫反射的作用，我们能从各个方向看到它。反射现象的概念、反射定律的定义。光的反射的分类：镜面反射与漫反射及其定义。图3-2反射式强度调制型光纤传感器的基本原理2、光的折射

利用光学折射现象，可以实现液体浓度、成分含量的测量、气体或者液体折射率的测量。

折射现象的概念及其与折射率n的表征关系。图3-4基于光学折射原理的光纤盐度测量方法3、光的吸收

其中，C为溶液的浓度，A是只与吸收物质的分子特性有关，而与浓度无关的常数；

任何介质，对各种波长的电磁波能量会或多或少地吸收。完全没有吸收的绝对透明介质中是不存在的。光通过介质时，其强度随介质的厚度增加而减少的现象，称为介质对光的吸收。所谓“透明”是就某些波长范围来说的，仅有少量的吸收。吸收光辐射或光能量是物质具有的普遍性质。（1）一般吸收介质对各种波长λ的光能几乎均匀吸收，即吸收系数α与波长λ无关。

（2）选择吸收介质对某些波长的光的吸收特别显著。产生选择吸收的主要原因。

介质对光的吸收与透明的概念。吸收系数的定义，朗伯定律数学表达式的推导。3、光的吸收一切介质都具有一般吸收和选择吸收两种特性。

选择吸收是物体呈现颜色的主要原因。一些物体的颜色，是由于某些波长的光透入其内一定距离后被吸收掉而引起的。例如：水能透入红光，并逐渐吸收掉，因而水面没有对红光的反射，只反射蓝绿光，并让蓝绿光透过相当的深度，所以水呈现蓝绿色。图3

6钠蒸气的吸收光谱介质吸收光谱的形成，钠蒸汽吸收光谱的分析介绍。3.1基于吸收原理的半导体光纤温度传感器880930830Wavelength

/nmp(

)LEDspectrumAbsorptionedgeT1T2T2>T1图3

7光源光谱及半导体材料随温度变化吸收边的移动示意图790970吸收波长：

FiberFiberPorcelainbushingGasketcementCeramicpinGaAs图3光纤传感器传感探头具体的结构形式Fig.3Diagramofthefiber-optictemperaturesensorprobeProtectivebushing吸收系数公式的推导与介绍。3.2基于光谱吸收原理的液体成分测量水24API原油30API原油38API原油图3

8水与不同成分原油的近红外光谱图吸收率光波长/nmWhitelightsourceDual-channeldataacquisitionLensSampleCellFiberbundleFiberbranch1Fiberbranch2Filter1Filter2Detector1Detector23.3光学多普勒效应

多普勒效应的概念，光学中的多普勒效应。图3-9光学多普勒效应图光学多普勒效应频率公式由于u/c很小，最终公式可简化为：3.4声光效应

声光效应的概念：超声波在介质中传播时，引起介质地弹性应变做时间上和空间上的周期性变化，并且导致介质的折射率发生相应的变化。超声波频率低，光线发生偏转；超声波皮率高，发生声光衍射。声光布拉格衍射的概念。声光调制器：压电换能器、透明介质、声光出入射系统构成的光学器件。折射率介质的形成、折射率光栅(超声光栅)、光栅常数为超声波波长。图3-11声光调制器示意图3.5磁光效应图3

12法拉第磁光效应原理图

当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转的现象称为磁致旋光效应，通常又称为法拉第旋转效应。如图3

12所示，假设有一圆柱形磁光介质，沿着轴线方向外加一稳恒磁场H。在这种情况下，将发生法拉第旋转效应，光波的偏振面绕传输轴连续右旋（相对于H而言），直至磁光介质的终端，偏振面右旋了某一角度

。光沿磁场方向，左旋。光逆着磁场方向传播，右旋。

对于给定的介质，振动面的转角θ与介质的长度L和磁场强度H成正比，即

＝VHL，比例系数V叫做维尔德（Verdet）系数。

磁光效应：法拉第旋转效应、磁光克尔效应。3.5.1法拉第旋转效应3.5.2磁光克尔效应图3-13克尔效应

磁光克尔效应：一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时，反射光将是椭圆偏振光，而以椭圆的长轴为标志的偏振面相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。这个角度被定义为克尔角度。按照磁化强度的取向，磁光克尔效应大致可分为三种类型：1.极向克尔效应：磁化强度与介质表面垂直时的克尔效应。2.横向克尔效应：磁化强度平行于介质表面，但垂直于光的入射面时的克尔效应。3.纵向克尔效应：磁化强度既平行于介质表面又与光的入射面相平行时的克尔效应。

磁光介质的克尔角受影响的因素：温度、配比、入射光的波长。磁光谱的概念。存储信息的材料是磁性材料。3.5.3塞曼效应Hg原子的谱线在磁场中的分裂图3.5.4磁致线双折射效应图3

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基于磁光效应的光纤电流传感器结构3.5.5磁光效应入射光旋角

和电线电流I的关系如下

设起偏器、检偏器的偏振化方向互成45

角，如果入射光强为

0，出射光强为

，根据马吕斯定律，出射光强为

由以上两式得

为了对电力系统的高电压、大电流进行实时监测，可利用磁光效应原理研制新型的电压、电流传感器。这类传感器的优点。

光强的变化量反映了被测电流的变化。5、电光效应

在电场的作用下，可以使某些各向同性的透明介质变为各向异性，从而产生人为双折射的现象称为电光效应。电光效应的一般分类：克尔效应（二阶电光效应）和泡克尔斯效应（一阶电光效应即线性电光效应）两种。泡克尔斯效应的应用。5.1克尔效应l+-45

45

P1P2克尔盒d

不加电场→液体各向同性→P2无透射光

加电场→液体呈单轴双折射晶体性质，其光轴平行于外电场

P2有透射光——二次电光效应其中

E—

电场强度，k—

克尔常数。克尔效应引起的e光与o光的相位差为：

当时，克尔盒相当于一个半波片，P2透光最强。克尔效应引起的e光与o光的光程差为：克尔盒的应用:高速电光开关，电光调制器。克尔盒的缺点:所用液体常有剧毒，易爆炸。5.2泡克尔斯效应。泡克尔斯盒电光晶体+。-P1P2KK

··

不加电场→P2

无透射光

加电场→晶体变双轴晶体→原光轴方向附加了双折射效应→P2

有透射光。泡克尔斯效应引起的相位差：——线性电光效应,相位差为180度，存在半波电压其中no—o光在晶体中的折射率；

V—电压；

r—

电光常数。

应用:电光开关、电光调制器。如军用固体激光测距机。

优点：响应时间短，外加电压低，克尔效应的十分之一。测量系统的自由空间传输方式，另介绍光纤传输方式参考课本P725.4基于电光效应的光纤电压传感技术

基于电光效应的光纤电压传器(简称VOT):横向调制式与纵向调制式、透射式与反射的式、分压式与无分压式、分立式与组合式、单光路式与双光路式、单晶体式与双晶体式。1.横向调制式与纵向调制式：电光效应使得在电场或电压的作用下，透过某些物质（如电光晶体）的光会发生双折射，双折射的两束光波之间的相位差与外施加电压（即被测电压）成正比，这就是设计的理论原理。电光晶体在不同方向上的电光系数的大小不同，以下所列表明电光效应的大小与电场方向和通光方向有关。

横向调制式传感器的半波电压与电极间距及长度有光，改变电极的间距或长度可以调整半波电压的大小。缺点：存在自然双折射引起的附加相位的延迟，并且随着晶体的温度变化而变化，影响传感器工作的稳定性。

纵向调制式：传光方向与电场方向一致的一种调制方式。两电极间的电压与电场的分布无关，是由电场强度沿任意路径的线积分来定义的。可排除极间外电场的干扰以及杂散电容的影响，提高测量精度，半波电压只与晶体的电光性能有关，而与晶体的长度无关，需要制作透明电极。2.透射式与反射式

横向调制与纵向调制均属于透射式结构范畴如图2-(a)所示，从晶体的一端入射从另一端出射。反射则是光线从晶体的一端入射后经另一端反射后又从入射端出射。

ABB公司生产的反射式结构传感器其工作过程：光线经准直透镜由透明电极射入电光晶体，在晶体的另一端经直角棱镜做两次全反射后又返回电光晶体，再从透明电极准直透镜射出。3.分压式与无分压式4.分立式与组合式

测量单一电压或者电流的为分立式，组合式既可以测电压也可以同时测电流。5.单光路式与双光路式6.单晶体与双晶体式图3

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基于电光效应的光纤电压传感器原理

在一块两端面平行的双折射晶体的入射面输入一束单色平行光束，基于双折射晶体的电光效应，其折射率会随外加电压的变化而线性变化。入射光在进入晶体后变成两束初始相位相同、而电场矢量互相垂直的o光和e光光束，这两束光在晶体中的传播速度不同，出射时将产生由于光程差而导致的相位差，若能测出两束光波的相位差，就可以计算出被测电压。从BGO晶体中出射的两束光的偏振方向并不一致，不能直接产生干涉。所以在光路中加入一块偏振分束棱镜，于是将两束偏振方向垂直的出射光投射到一个偏振方向上，并产生干涉效应。晶体未加电压时，一束圆偏振光相当于自然双折射很小的晶体；加上电压时，入射圆偏振光通过产生人工双折射的晶体后变为椭圆偏振光，经偏振分束棱镜分为两束线偏振光。用光电探测器检测输出光强，就可以得到被测电压。3.5.6一种基于电光效应的光纤电压传感器6、弹光效应(参考P77)入射光纤接收光纤弹光材料检偏器起偏器压缩盘压力图3

21基于弹光效应的光纤压力传感器原理信号光源光探测器

由机械应力引起的材料折射率变化的现象称为弹光效应（Elasto-OpticalEffect）。由于沿应力方向发生折射率变化，原来同性材料也可变成各向异性，即折射率椭球发生变化，而呈现双折射。因此，对弹光物质通光和施加应力时，由于应力和与应力垂直的方向上产生位相差，故可以利用这种效应制作位移、振动和压力等光学传感器。

弹光效应压力传感器原理的一些介绍：7、Sagnac效应Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位（或它们经历的光程）将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同，其相位差（光程差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。1.圆形光路轨道的情况2.任意形状光路轨道的情况(1)Sagnac相位差与光路轨道形状、旋转中心位置以及折射率无关。(2)Sagnac相位差只与光路轨道的几何参数有关。7.1圆形光路轨道的情况3.光纤陀螺仪原理3.1概述

陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一种传感器．自1852年陀螺仪问世，因其独特的性能，广泛地应用于航海、航空、航天以及国民经济等领域。迄今为止，陀螺仪从传统的刚体转子陀螺仪到新型的固态陀螺仪，种类十分繁多。液浮陀螺、静电陀螺和动力调谐陀螺是技术成熟的三种刚体转子陀螺仪，达到了精密仪器领域内的高技术水平。随着光电技术、微米／纳米技术的发展，新型陀螺仪如激光陀螺、光纤陀螺和微机械陀螺应运而生。它们都是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件—高速转子，称为固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导产品，具有广泛的发展前途和应用前景。

根据其精度范围陀螺仪大致分为三部分：超高精度陀螺仪、中高精度陀螺仪和低精度陀螺仪。1）超高精度陀螺仪超高精度陀螺仪指精度在10-6º/h～5×10-4

º／h范围内的陀螺仪，主要包括静电陀螺、磁浮陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺仪是静电陀螺仪。

静电陀螺仪组成的静电陀螺监控器(ESGM)与舰船惯性导航系统(SINS)组成SINS／ESGM组合导航系统，该系统是目前最高精度等级的惯性导航设备，它能满足潜艇及航母高精度、高可靠性和隐蔽性的要求。2)中高精度陀螺仪中高精度陀螺仪指精度在5×10-4º/h到10-1º/h的陀螺仪。目前最具有发展前景的陀螺仪就是光学陀螺仪，主要指激光陀螺仪和光纤陀螺仪，激光陀螺属于第一代光学陀螺，光纤陀螺属于第二代光学陀螺．最近几年，由于光纤陀螺在精度、性能和尺寸上具有更大的潜力，越来越受到各国陆海空三军的青睐。

有关专家认为：精度在10-2º/h或者更高的光纤陀螺将代替激光陀螺，这是发展趋势。在军用方面，飞机、舰艇、潜艇以及导弹均将装备光纤陀螺用以导航和制导，而且卫星、宇宙飞船上也将会装备光纤陀螺仪用于与地形跟踪匹配和导向，火箭发射场上光纤陀螺仪用于火箭升空发射跟踪及测定等。在民用方面，光纤陀螺仪可用于飞机导航和石油勘察、钻井导向(确定下钻的位置)，特别是在工业上的应用具有极大的发展潜力。3)低精度陀螺仪低精度陀螺仪指精度范围超过10-1º/h的陀螺仪。目前有发展前景的是微机械陀螺仪。虽然精度低，但低廉的价格使其具有广阔的应用前景。微机械陀螺仪有望在一些新的领域中得到应用，如车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标，甚至是玩具上。光纤陀螺仪的工作原理：光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克(Sagnac)效应。萨纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。

光纤陀螺仪原理结构示意图

对原理模型和解析关系的说明参照课本P81与机电陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：(1)零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动的能力；(2)绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级；(3)无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命；(4)易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；(5)通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数，可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围；(6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无需预热；(7)可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传感器，尤其是级联式惯导系统的传感器；(8)结构简单、价格低，体积小、重量轻．

干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，即第一代光纤陀螺仪，目前应用最广泛。它采用多匝光纤圈来增强SAGNAC效应，一个由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可提供较高的精度，也势必会使整体结构更加复杂；

开环光纤陀螺不带反馈，直接检测光输出，省去许多复杂的光学和电路结构，具有结构简单、价格便宜、可靠性高、消耗功率低等优点，缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度，输入一输出线性度差、动态范围小，主要用作角度传感器。开环的干涉型光纤陀螺(IOFG)的基本结构是一个环形双光束干涉仪。光纤线圈一般都用单模光纤和保偏光纤制作。主要用作角速度传感器。开环光纤陀螺仪测量示意图闭环光纤陀螺

闭环光纤陀螺包含闭环环节，它引入了反馈相移。它由激光器光源LR、分束器SL、相位调制器PM、光检测器D和相敏解调器PSD、伺服放大器SF、相位变换器PT组成反馈回路。从LR出来的光经分束器SL分成等强的两束，其中顺时针方向传播的光由透镜L1耦合进人光纤线圈的一端。而逆时针方向传播的光通过相位调制器PM后，由透镜L2耦合进入光纤线圈的另一端。这两束光分别从光纤线圈的相反两端出射。当光纤陀螺输入轴旋转时，两束光之间的相移将发生变化，两束光经分束器SL汇合后。由光检测器D接收，经工作频率为fm的相敏解调器PSD解调，并经低通滤波后送人伺服放大器SF驱动相位变换PT，产生与旋转相移ΔΦ大小相等符号相反的信号，使光纤陀螺始终处于在其最灵敏的零位附近工作。

闭环干涉型光纤陀螺原理图

和开环IOFG相比，闭环IOFG多了一个反馈回路，它引入了反馈相移。闭环环节大大降低光源漂移的影响，扩大了光纤陀螺的动态范围，对光源强度变化和元件增益变化不敏感，陀螺漂移非常小，输出线性度和稳定性只与相位变换器有关，主要应用于中等精度的惯导系统，对光纤陀螺的小型化和稳定性有重要作用，是高精度光纤陀螺研究的主要趋势。谐振式光纤陀螺

用单模光纤构成环形谐振腔，通过检测谐振腔中顺、逆时针传播的两光束之间由转动引起的谐振频差，实现转动速率的度量，即构成谐振器型光纤陀螺。在该陀螺中，为了抵消谐振腔长随温度变化和机械变化带来的影响，必须采用顺、逆时针传播的