光纤传感器中的光学原理和效应

光纤传感器中的光学原理和效应

1. 光学反射原理：

A ． 镜面反射：⎩⎨⎧≠==i

i I 反反θθ,,0,I r B ． 漫反射：])/(2)(exp[2)(20

2

'020I I I σθθσπθ--∙=，这是一个高斯分布其中，σ为光强分布的方差；θ为反射场中光线与表面法线的夹角；‘0θ为遵循镜面反射定律的光束

反射方向。

C ． 应用：基于反射原理的光纤传感器结构简单、工作可靠、成本低廉。主要应用于位移测量，振动测量，压力测量，浓度测量和液位测量。

2．光学折射原理

2sin *n21sin *n1θθ=

应用：液体浓度，成分，折射率测量

3. 光学吸收原理

l e ⋅-⋅=α0I I （朗伯定律，J.H. Lambdet,1760）

0I 和I 分别是在初始位置和l 处时的光强，吸收系数α一般与材料的密度、浓度，光波波长有关。

一般吸收：介质对各种波长的光都能几乎均匀吸收，吸收系数α与波长无关。 选择吸收：对特定波长的光吸收特别显著。

应用：半导体吸收法测量温度，光谱吸收测量成分或浓度。

4、光学多普勒效应

θcos 11f f 02200c

u c u -=

5、声光效应：当超声波在介质中传播时，引起介质的弹性应变做时间上和空间上的周期变化，并导致介质的折射率发生相应的变化，当光束通过有超声波的介质后会产生衍射的现象。 应用：声光调制器

6、磁光效应：具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性发生变化，因而使得光波在其内部传输特性也发生变化的现象。

A 、法拉第效应：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，对于给定的介质，偏振面旋转角度=介质长度×磁场强度×维厄德系数

B 、磁光克尔效应：指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，而且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。 分类：

①极化克尔效应，即磁化强度M 与介质表面垂直时的克尔效应，应用于磁光存储技术中 ②横向克尔效应：M 既平行于介质表面，但垂直于光的入射面

③纵向克尔效应：M 既平行于介质表面，又平行于光的入射面

C 、磁致线双折射效应：某些由各向异性分子组成的介质，在不加磁场时表现为各向同性，加上足够强的外磁场时，分子磁矩受到了力的作用，各分子对外磁场有了一定的取向，使介质宏观上呈现各向异性，当光以不同于磁场方向通过这样的介质时，就会出现双折射现象。

7、电光效应：在电场作用下，可以使某些各向同性的透明介质变为各向异性，从而使光产生人为双折射的现象，包括：克尔(Kerr)效应（二阶电光效应，强，半波电压高）

和泡克尔斯(Pockels)效应（一阶电光效应，弱，半波电压小），后者应用广泛，可以调制光束相位，进而调制光束的频率，振幅，偏振态及传播方向。

应用：由于光电效应，发生双折射的两束光波之间的相位差与外施电压成正比。（OVT 基于电光泡克尔斯效应的光纤电压传感器）。a 、横向调制式和纵向调制式，b 、透射式反射式结构，c 、分压式和无分压式结构，d 、分立式和组合式结构，e 、单光路式和双光路结构，f 、单晶体式和双晶体式结构。

8、弹光效应：

由于机械应力引起的材料折射率变化的现象称为弹光效应（Elasto-Optical-Effect ），

利用弹光材料在外界应力的作用下对入射光呈现双折射而引入的相位差，可以测量压力的大小，进而得到与压力相应的位移量。

Sagnac 效应：同一光源同一光路，两束相向传播的光之间的光程差或相位差与其光学系统相对于惯性空间旋转的角速度成正比。

λπθC S N 8Ω=

∆（N 匝，Ω角速度） 9、光声效应：激光