传感器原理及应用——光弹效应
光纤传感器
这种干涉仪是多光束干涉，与前几种双光束干涉仪不同。
光 源
BS
M2
光纤
M1
调制
S0(t)
透射 输出
反射输出
几种干涉仪的共同点：如果相干光均在空气中传播, 受环境温度变化的影响，会引起空气折射率的扰动以 及声波干扰，导致空气光程的变化，造成工作不稳定， 精度的降低。
利用单模光纤作干涉仪的光路，可以减小环境温度的 影响。
其中
2
a
微弯光纤纤芯半径
n1 n2 相对折射率差 n1
2 2 n1 n2 2 2n1
对SIF, 对GIF,
g
g2
有: 有:
0
a
2a
0
例:水听器
2．光强度的外调制
外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤
本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和
例
被测物理量(温度)
I in
折射率改变
I out
1
强度改变
2 3
(a)
(b)
斜面反射式光纤温度传感器 1、2 光纤 3 棱镜
4 由光吸收系数的改变引起的强度调制
X射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加,光纤的输出 功率降低.
辐射 Iin L Iout D
(二) 解调
S0(t)
1 直接检测
L
D2 S D1
可得: I 2 I 0 1 cos( m t )
频移 m 一般由声光调制器AOM(布喇格盒)获得.其实质 是多谱勒效应
注:相位检测技术非常复杂,限于课时,不能展开讲解.有兴趣 的同学可参看王惠文主编的«光纤传感技术与应用»一书.
光电传感器的原理
光电传感器的原理光电效应是指物质吸收光能后，产生电流或电势差。
这是光电传感器最基本的原理。
光电效应包括光电发射效应、光电吸收效应和光电子发射效应。
光电发射效应是指当光照射到金属表面时，金属中的自由电子被光子激发后逸出金属表面，形成光电电流。
光电发射效应是光电传感器中最常用的原理。
光电吸收效应是指当光照射到半导体材料表面时，光子能量被半导体材料中的电子吸收，使其跃迁到传导带或价带，产生电流或电势差。
光电子发射效应是指光照射到半导体材料表面时，光子能量使半导体表面电子逃逸，形成电子空穴对，产生电流。
光电子发射效应常用于光电传感器的光源。
光敏电阻效应是指当光照射到光敏电阻器件表面时，光能被吸收，导致电阻值发生变化。
该变化可用来测量光的强度。
光电导效应是指当光照射到光电导材料中时，光能在材料内部激发电子跃迁，使其成为自由载流子。
光电导效应常用于光电耦合器件中。
光电二极管效应是指当光照射到半导体材料结构的接触面时，由于光子能量激发了材料内的电子，形成电子空穴对。
由于PN结的势垒，产生了漂移电流。
光电二极管效应是一种常用的光电传感器原理。
除了上述原理外，光电传感器还常用于基于光衰减、光散射、光透射等效应的测量。
基于光衰减的光电传感器利用物体对光的吸收、散射和透射等性质，测量光的强度。
常见的应用包括液体测量、气体分析等。
基于光散射的光电传感器利用物体对光的散射来测定物体的形态、成分等。
常见应用包括颗粒测量、浊度测量等。
基于光透射的光电传感器利用光在物质中传播的规律来测量光的透射特性。
常见应用包括透明度测量、表面缺陷检测等。
综上所述，光电传感器通过光电效应、光敏电阻效应、光电导效应、光电子发射效应、光电二极管效应以及其他基于光衰减、光散射、光透射等现象的原理，在光电测量、自动控制等领域发挥重要作用。
随着技术的发展，光电传感器的性能不断提高，应用范围也越来越广泛。
光弹法的介绍_原理和应用
光弹法的介绍_原理和应用光弹应力分析一、光弹性的发展历史介绍光弹性法开展较早,在20世纪20年代初就解决了一系列弹性力学的难题。
在30年代发现了应力冻结现象,解决了三维问题。
40年代以后,由于仪器设备的改进,新的模型材料的采用和计算方法的提高,光弹性已成为较为完善的技术了, 在生产中起了重要作用。
60年代激光的出现,提供了一种相干性特别好的光源, 将这一光源引入到光弹性中出现了全息光弹性。
近年来计算机的出现,特别是计算机图像处理技术的发展,加上接收信息的CCD摄像机的发展,可省去全息光弹性方法显影和定影,直接在计算机上显示结果,这一发展引起了学术界的关注。
目前的光弹性法一方面向自动化、计算机化发展,另一方面向更广阔的领域中渗透, 在汽车、动力、土建水利、生物力学、航天、航空、机械制造等方面都得到了广泛的应用。
目前的光弹性法大致有以下几个主要分支:1、三维光弹性实际工程构件的形状和载荷都比较复杂,其中大多属于三维问题。
而在三维光弹性应力分析中,比较成熟的是冻结应力切片法。
用光弹性材料制成的模型,在室温下承受载荷时产生双折射现象,当把载荷撤掉后其光学效应随即消失。
在高温下也能观察到这种现象。
但是,一个承受载荷的环氧树脂模型,从高温(约100~ 130℃)逐渐冷却至室温后再撤掉载荷,则模型在高温下具有的光学效应可以被保存下来,称为应力冻结现象。
然后从冻结应力的模型中截取适当的切片, 并对切片中的条纹进行分析计算,就可以得到相应地应力分布情况。
这种方法的特点是:清晰直观,它能直接显示应力集中区域,并准确给出应力集中部位的量值。
特别是这一方法不受形状和载荷的限制,可以对工程复杂结构进行应力分析。
2、散光光弹性当光线通过透明的各向同性材料介质时,它沿着所有方向都有散射。
这种散射光是由悬浮于材料介质中的微小颗粒和材料的分子本身引起的,而且散射光总是平面偏振光,它的光强不仅和入射光的偏振特性有关,还和产生散射的材料介质的应力状态有关。
光弹效应实验讲义
目录实验光弹性效应实验 (1)实验光弹性效应实验一: 实验设备光学实验导轨1000mm 1根白光光源（含电源）1台二维+LD（含电源）1台扩束镜1套光弹性材料1块1/4波片2套偏振片2套压力架1个滑块8个透镜1个白屏1块二：实验原理塑料、玻璃等非晶体在通常情况下是各向同性而不产生双折射现象的。
但是当它们受到应力的时候，就会变成各向异性而显示出双折射性质，这种现象称为光弹性效应。
各向同向的介质在某一方向受应力时，在这个方向上就形成了介质的光轴。
设应力为P，设这时出现的o光和e光的折射率分别为no和ne ，则在一定的范围内：n o–n e =CPC为常量。
因此通过的厚度为L 的形变介质时，两偏振光的相位差为：L n n e o )(2-=λπφ单色光通过起偏镜后成为平面偏振光 ()t a u ωsin =u 到达第一个1/4波片后，沿波片分解成快、慢轴平面偏振光u1、u2 t a u ω45cos sin 1=︒= t a t a u ωωsin 245cos sin 2=︒=通过1/4波片后，u1、u2相对产生向位差2/π，则成为t a t a u ωπωcos 22sin 2'1=⎪⎭⎫ ⎝⎛+= (沿快轴) t au ωsin 2'2= (沿慢轴)u1、u2合成为圆偏振光。
设受力模型上o 点的主应力1σ的方向与第一个1/4波片的快轴成β角。
当u1、u2入射到模型o 点时，分别沿该点主应力1σ、2σ方向分解为()βωββσ-=+=t au u u cos 2sin 'cos '211 (沿1σ方向) ()βωββσ-=-=t au u u sin 2sin 'cos '211 (沿2σ方向) 通过试片后，1σu 、2σu 相对产生相位差φ，成为()φβωσ+-=t a u cos 2'1()βωσ-=t au sin 2'2 同理，可知经过第二个1/4波片后，公式就成为()()[]ββωβφβωsin sin cos cos 2'3--+-=t t a u (沿慢轴) ()()[]βφβωββωsin sin cos cos 2'4+---=t t au (沿快轴)3'u 、4'u 通过检偏镜后得合成偏振光为())22cos(2sin 45cos ''435φβωφ+-=︒-=t a u u u 当：φβ-︒=45，上式可简化为：⎪⎭⎫ ⎝⎛++=22cos 2sin 5φφωφt a u 如此一来，光通过检偏镜后再次利用光强公式我们可以写成2)2sin (φa K I =如果用光程差∆表示，则由于∆=λπφ2，得2)sin (λπ∆=a K I 很清楚的由公式我们可以看到仅在πλπN =∆，即△= λN (,...2,1,0=N )时才会出现暗点，这也表示利用圆偏振场的确可以消除等倾线对条纹图形的影响。
光纤传感中的光学原理及效应概论
第1章：光纤传感中的光学原理及效应1.1光学反射原理分为镜面反射和漫反射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。
1.2光学折射原理镜面反射和漫反射情况1.3光学吸收原理选择吸收：介质对某些波长的光的吸收特别显著郎伯比尔(Lambert-Beer)定律：Lambert-Beer定律是吸收光度法的基本定律，表示物质对某一单色光吸收的强弱与吸光物质浓度和厚度间的关系。
当气体浓度、光程均很小的时候，可以近似为：1.4光学多普勒效应θcos11ff22cucu-=雷达测速仪检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。
交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度．装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上。
1.5声光效应超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅 。
当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，这种现象称之为声光效应。
利用声光衍射效应制成的器件，称为声光器件。
声光器件能快速有效地控制激光束的强度、方向和频率，还可把电信号实时转换 为光信号。
此外，声光衍射还是探测材料声学性质的主要手段。
主要用途有：制作声光调制器件，制作声光偏转器件，声光调Q 开关，可调谐滤光器，在光信号处理和集成光通讯方面的应用。
1.6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。
光电感应器的工作原理
光电感应器的工作原理
光电感应器是一种通过光电效应来感应光线的设备。
其工作原理如下：
1. 光电效应：光电效应是指当光线照射到金属或半导体材料上时，光子的能量被电子吸收，使得电子从原子中脱离并形成自由电子。
2. 光电二极管：光电感应器常采用光电二极管作为感光元件。
光电二极管由半导体材料构成，当光子照射到二极管的PN结时，光子能量被电子吸收，电子从价带跃迁到导带，形成电流。
3. 接收电路：光电感应器的接收电路会将光电二极管输出的微弱电流放大，并转换为可感知的信号。
根据具体的应用需求，接收电路可以采用放大器、滤波器、比较器等元件进行加工处理。
4. 判别信号：经过接收电路处理后，光电感应器会输出一个判别信号，用来表示光线的状态，如有光/无光或光线强弱等。
5. 应用场景：光电感应器在很多领域都有广泛的应用，例如自动照明系统、反光补偿摄影、防尾随感应器等。
根据具体的应用需求，还可以通过调整光电二极管的结构、材料和制作工艺等来实现不同的功能。
传感器原理及用用
一、传感器的作用随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。
特别是近年来，由于科学技术、经济发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域中的作用也日益显著。
在工业生产自动化、能源、交通、灾害预测、安全防卫、环境保护、医疗卫生等方面所开发的各种传感器，不仅能代替人的五官功能，并且在检测人的五官所不能感受的参数方面创造了十分有利的条件。
工业生产中，它起到了工业耳目的作用。
例如，冶金工业中连续铸造生产过程中的钢包液位检测，高炉铁水硫磷含量分析等方面就需要多种多样的传感器为操作人员提供可靠的数据。
此外，用于工厂自动化柔性制造系统（FMS）中的机械手或机器人可实现高精度在线实时测量，从而保证了产品的产量和质量。
在微型计算机广为普及的今天，如果没有各种类型的传感器提供可靠、准确的信息，计算机控制就难以实现。
因此，近几年来传感器技术的应用研究在许多工业发达的国家中已经得到普遍重视。
二、传感器及传感技术传感器（transducer 或sensor）是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。
过去人们习惯地把传感器仅作为测量工程的一部分加以研究，但是自６０年代以来，随着材料科学的发展和固体物理效应的不断发现，目前传感器技术已形成了一个新型科学技术领域，建立了一个完整的独立科学体系———传感器工程学。
传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，它是检测（传感）原理、材料科学、工艺加工等三个要素的最佳结合。
检测（传感）原理指传感器工作时所依据的物理效应、化学反应和生物反应等机理，各种功能材料则是传感技术发展的物质基础，从某种意义上讲，传感器也就是能感知外界各种被测信号的功能材料。
传感技术的研究和开发，不仅要求原理正确，选材合适，而且要求有先进、高精度的加工装配技术。
除此之外，传感技术还包括如何更好地把传感元件用于各个领域的所谓传感器软件技术，如传感器的选择、标定以及接口技术等。
传感器原理及应用——光弹效应
又例如
• 玻璃在制造过程中，由于冷却不均匀， 使内部受到不同程度的应力，导致其自 行破裂。把玻璃放在两块偏振片之间观 察应力引起的双折射现象，就可以检查 出内部应力的分布情况，在单色光照射 下可以看到明暗交替的花样；在白光照 射下，则显示出彩色花样。为了消除光 学玻璃的内部应力，在磨制光学元件例 如天文望远镜的镜头等之前，必须进行 缓冷处理和偏振光检查。
在外界动力作用的影响下液体也能发生光学的各向异性举例来说液体在两个同轴圆筒一个固定一个转动间流动而发生速度梯度时即表现出双折射性能折射率差值可达相当大的数值
传感器原理及应用
——光弹效应
杨广益 2012302580024
光弹效应
• 光弹效应（photo-elastic effect）： • 也称作光弹性效应，又作双折射效应。 • 它是物质的弹性形变，产生双折射，引起 其折射率发生变化的现象。 • 当外力或振动作用于弹性体产生应变时， 弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性 质，这种有内应力的透明介质中o光和e光 折射率不相等，它与应力分布有关。这种 现象即为光弹性效应。
光弹效应的应用
• 通过光弹性效应，研 究材料内部的应力情 况 • 例如. 设计大吊钩时， 要知道实际使用时内 部的应力分布情况。 可用透明的环氧树脂 制成模拟吊钩，通过 光弹效应，了解内部 应力的分布
That’s all! Thank you!
光弹效应实验
• 1、观察光弹材料受力后由各向同性变为各向异性 所引起的应力分布图样。 • 2、区分等倾线和等差线。 • 3、使用1/4波片消去等倾线。 • 4、使用专用应力分析软件 • 进行应力分析（需选购件）。 • 仪器特点： • 压力数值显示 • 光源 220V,30W • 偏振片的 有效通光孔径：58MM,1/4波片的 有效通 光孔径58MM
传感器原理与应用复习题及参考答案
中南大学网络教育课程考试复习题及参考答案传感器原理与应用(专科)传感器按输出量形类可分为、、。
3.热敏电阻常数B大于零的是温度系数的热敏电阻。
4.传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，输出与输入的比值。
对线性传感器来说，其灵敏度是。
5.振筒式传感器是以均匀作为敏感元件，将或密度的变化转换成。
6.我们学过的参量式传感器有、、误差按出现的规律分、、。
9.若测量系统无接地点时，屏蔽导体应连接到信号源的。
10.用弹性元件和电阻应变片及一些附件可以组成应变片传感器，按用途划分用应变式传感器、应变式传感器等（任填两个）。
11.由光电管的光谱特性看出，检测不同颜色的光需要选用不同的光电管，以便利用光谱特性的区段。
14.对传感器进行动态的主要目的是检测传感器的动态性能指标。
15.目前应用于压电式传感器中的压电材料通常有、、。
16.采用热电阻作为测量温度的元件是将的测量转换为的测量。
17.按热电偶本身结构划分，有热电偶、热电偶、热电偶。
传感器的过载能力是指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过的能力。
21.根据电容式传感器的工作原理，电容式传感器有、、三种基本类型22.空气介质变隙式电容传感器中，提高灵敏度和减少非线性误差是矛盾的，为此实际中大都采用式电容传感器23.热敏电阻正是利用半导体的数目随着温度变化而变化的特性制成的敏感元件。
24.传感器通常由、、三部分组成。
25.传感检测系统目前正迅速地由、数字式，向方向发展。
二、选择题：1.差动变压器传感器的配用测量电路主要有 [ ]A.差动相敏检波电路B.差动整流电路C.直流电桥D.差动电桥2.目前我国使用的铂热电阻的测量范围是 [ ]A.-200～850℃B.-50～850℃C.-200～150℃D.-200～650℃3.测量范围大的电容式位移传感器的类型为 [ ]A.变极板面积型B.变极距型C.变介质型D.容栅型4.应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量，测量范围是 [ ]A.102～106p aB.105～107p aC.104～107p aD.106～109p a5.在两片间隙为 1mm的两块平行极板的间隙中插入什么，可测得最大的容量 [ ]A.塑料薄膜B.干的纸C.湿的纸D.玻璃薄片6.测得某检测仪表的输入信号中,有用信号为20 毫伏,干扰电压也为20毫伏，则此时的信噪比为[ ]A.20dBB.1 dBC.0 dB7.按照工作原理分类，固体图象式传感器属于 [ ]A.光电式传感器B.电容式传感器C.压电式传感器D.磁电式传感器8.热电偶可以测量 [ ]A.压力B.电压C.温度D.热电势9.利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小 [ ]A.两个桥臂都应当用大电阻值工作应变片B.两个桥臂都应当用两个工作应变片串联C.两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片D.两个桥臂应当分别用应变量变化相同的工作应变片10.变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量 [ ]A.增加B.减小C.不变D.不确定11.热电阻测量转换电路采用三线制是为了 [ ]A.提高测量灵敏度B.减小非线性误差C.提高电磁兼容性D.减小引线电阻的影响12.发现某检测仪表机箱有麻电感,必须采取什么措施 [ ]A.接地保护环B.将机箱接大地C.抗电磁干扰13.电涡流式传感器激磁线圈的电源是 [ ]A.直流B.工频交流C.高频交流D.低频交流14.下列被测物理量适合于使用红外传感器进行测量的是 [ ]A.压力B.力矩C.温度D.厚度15.固体半导体摄像元件CCD是一种 [ ]A.PN 结光电二极管电路B.PNP型晶体管集成电路C.MOS 型晶体管开关集成电路D.NPN型晶体管集成电路16.在以下几种传感器当中( )属于自发电型传感器 [ ]A.电容式B.电阻式C.压电式D.电感式17.当石英晶体受压时，电荷产生在 [ ]A.Z 面上B.X 面上C.Y 面上D.X、Y、Z面上18.在仿型机床当中利用电感式传感器来检测工件尺寸，该加工检测装置是采了什么测量方法？ [ ]A.微差式B.零位式C.偏差式19.变间隙式电容传感器的非线性误差与极板间初始距离d0之间是 [ ]A.正比关系B.反比关系C.无关系D.不确定20.光敏电阻适于作为 [ ]A.光的测量元件B.光电导开关元件C.加热元件D.发光元件21.已知函数x(t)的傅里叶变换为X（f），则函数y(t)=2x(3t)的傅里叶变换为 [ ]A.2X( )B.X( )C.X(f)D.2X(f)22.（）的数值越大,热电偶的输出热电势就越大 [ ]A.热端直径B.热端和冷端的温度C.热端和冷端的温差D.热电极的电导率23.汽车衡所用的测力弹性敏感元件是 [ ]A.悬臂梁B.弹簧管C.实心轴D.圆环24.在实验室中测量金属的熔点时,冷端温度补偿采用 [ ]A.计算修正法B.仪表机械零点调整法C.冰浴法三、名词解释：1.传感器2.传感器的迟滞3.传感器的线性度4.光电效应5.传感器的分辨力6.接地技术7.光栅尺8.霍尔效应9.绝对误差10.应变效应11.开关传感器12.光电耦合技术四、简答题：1.弹性敏感元件在传感器中起什么作用？2.传感器有哪些组成部分？在检测过程中各起什么作用？3.传感器有哪些分类方法？各有哪些传感器？4.变气隙式传感器主要由哪几部分组成？有什么特点？5.什么是电阻应变效应？6.感应同步器有哪几种？直线感应同步器主要由哪几部分组成？7.根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？各自用途是什么？8.电感式传感器的工作原理是什么？能够测量哪些物理量？9.光电效应有哪几种类型？与之对应的光电元件各有哪些？简述各光电元件的优缺点。
传感器原理及其应用光纤传感器课件
第9章 光纤传感器
2．非功能型(传光型)光纤传感器
这类光纤传感器中光纤仅起导光
作用，只“传”不“感”，对外
界信息的“感觉”功能依靠其他
物理性质的功能元件完成，光纤
在系统中是不连续的。此类光纤
传感器无需特殊光纤及其他特殊
技术，比较容易实现，成本低； 非功能型光纤传感器使用的光
传感器原理及其应用光纤传感器课 武汉理工大学件机电工程学院
第9章 光纤传感器
光电转换器件采用光电二极管
传感器原理及其应用光纤传感器课 武汉理工大学件机电工程学院
第9章 光纤传感器
9.2 光纤传感器的分类及其工作原理
光纤传感器与电类传感器的对比
电
被
电源
类
测
电类传感器
电缆
传
参
电量检测
感
量
器
光源
光
被
纤
可以证明，该入射角为
sin0
1 n0
n12 n22
光 纤 的 “ 数 值 孔 径 ” NA ，
NAsin0n10 n12n22
传感器原理及其应用光纤传感器课 武汉理工大学件机电工程学院
第9章 光纤传感器
9.1.3 光纤的种类 1．按材料分类
1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维
这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为 0.47 dB/km 。 锗 硅 光 纤 ， 包 层 用 硼 硅 材 料 ， 其 损 耗 约 为 0.5 dB/km。
光纤传感器的特点:
①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、 流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量
传感器技术及应用课件
2、光纤传感器的分类
光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类
1）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元 件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且 还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位 、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光 纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。
光源 接收
1
2
3
P
膜片反射式光纤压力传感器示意图
1 Y形光纤束 2 壳片 3 膜片
弹性膜片材料是恒弹性金属，如殷钢、铍青铜等。但金属材料的
弹性模量有一定的温度系数，因此要考虑温度补偿。若选用石英膜片，
则可减小温度的影响。
膜片的安装采用周边固定，焊接到外壳上。对于不同的测量范围，
可选择不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm～0.2mm之间为宜。
三、光纤传感器的应用
（一）温度的检测 下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对
设定温度的控制，温度设定值灵活可变
1 23
4
水银柱式光纤温度开关 1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银
下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高时，
双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光 强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精 度约为0.5℃。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较 长，一般需几分钟。
3、光生伏特效应：在光线的作用下，物体产生一定 方向电动势的光电效应。基于光生伏特效应的光 电元件：光电池等。
紫外光电管
光电传感器的工作原理
光电传感器的工作原理光电传感器是一种能够将光信号转化为电信号的装置，广泛应用于工业自动化、电子设备、通信、医疗等领域。
它可以通过感知光信号的强度、颜色、波长等参数，实现对环境的监测、测量和控制。
光电传感器的工作原理主要分为光电效应、光电转换和信号处理三个部分。
一、光电效应光电效应是指当光照射到物质表面时，光子与物质相互作用，从而产生电子的现象。
常见的光电效应有光电发射效应、光电吸收效应和光电导效应。
1. 光电发射效应：光电传感器中常用的光电发射效应是指当光照射到金属表面时，金属中的自由电子被激发并从金属表面逸出。
这些逸出的电子可以通过电场加速形成电流，从而实现光电转换。
2. 光电吸收效应：光电传感器中常用的光电吸收效应是指光照射到半导体材料表面时，光子被半导体材料吸收，激发出电子-空穴对。
这些电子-空穴对可以通过电场分离，形成电流，从而实现光电转换。
3. 光电导效应：光电传感器中常用的光电导效应是指光照射到导电性材料表面时，激发出电子，使其在材料中自由移动，形成电流。
这些电子的运动可以通过外加电场进行控制，从而实现光电转换。
二、光电转换光电转换是指将光电效应产生的电子转化为可用的电信号。
光电传感器中常用的光电转换方式有光电二极管、光敏电阻、光电三极管和光电管等。
1. 光电二极管：光电二极管是一种能够将光信号转化为电信号的半导体器件。
当光照射到光电二极管的PN结时，光子被吸收，产生电子-空穴对，形成电流。
光电二极管具有快速响应、高灵敏度和低功耗的特点，广泛应用于光电传感器中。
2. 光敏电阻：光敏电阻是一种能够根据光照强度变化而改变电阻值的电阻器件。
当光照射到光敏电阻上时，光子被吸收，导致电阻值发生变化。
光敏电阻的电阻值与光照强度成反比，可以通过测量电阻值的变化来获取光信号。
3. 光电三极管：光电三极管是一种具有光电转换功能的三极管。
当光照射到光电三极管的基区时，光子被吸收，激发出电子-空穴对，形成电流。
光弹性效应和电光效应
next
3
把克尔盒放在两个正交的偏振片之间，就构成一 个偏振干涉装置，出射光强与∆ϕ 有关，即与V有关。
next
∆ϕ
=
2π λ
κ
⋅
V2 d2
⋅
L
应用： ①电光开关
出射光强为0，为“关”：干涉极小 ，∆ϕ =？0，V=0， 出射光强最强，为“开”：干涉极大，∆ϕ =π，VV=?( λd2 )1/ 2,
2κL 优点：响应时间短，有电场就开，无电场就关，开 关速度可达109次/秒。
规律：沿单轴晶体的光轴方向加电场后，在单轴晶 体内垂直于电场方向的平面上，存在着两个互相垂直 的方向；光沿光轴方向传播时，光振动沿这两个方向 的分振动的传播速度不同，通过长度为L的电场E后， 两个振动之间出现光程差：
γ
n
3 o
EL
其中，γ为电光系数，no为o光折射率
相位差为：∆ϕ
=
2π λ
no3
γEL
装置：
这种实验装置 叫做克尔盒。
next
next
1
场强：E=V/d,
no − ne = κE2
通过长为L的克尔盒后，o光、e光产生的光程差为:
δ = κ ⋅ V2 ⋅L d2
与电场的正负无关
相位差：
∆ϕ =
2π λ
κ
⋅
V2 d2
⋅
L
因为克尔盒的光轴方向为竖直方向，平行于克尔 盒的侧表面，它与波片的作用相同。
5-10 光弹性效应和电光效应 一、光弹性效应——人为双折射现象 1、现象 物体内部存在应力时，出现各向异性光的学性 质，产生双折射。 例如：塑料膜拉紧后放在两偏振片之间，白光 入射时可以看到彩色，这种色偏振现象，说明拉 紧后的塑料膜有双折射。
第三章光纤传感器中的光学原理及效应
+ 。。
·
测量系统的自由空间传输方式，另介绍光纤传输方式
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， 2 3 p n rV 存在半波电压 o 其中 no—o 光在晶体中的折射率； V —电压； r — 电光常数。 • 优点 ：响应时间短，外加电 压低，克尔效应的十分之一。
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
3.5.6 一种基于电光效应的光纤电压传感器
图320 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。
P2 45
克尔盒
l 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 E P2有透射光
第五章光纤传感器
角θi＜arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播。8
4、光纤的主要参数 （1）传播损耗
光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸变，以及光 纤弯曲处的辐射损耗等, 它表示光强度相对衰减与光纤 长度的关系。
（2）光纤模式
是光波沿光纤传播的途径和方式。单模光纤和多模光纤
（3）色散
表征光纤传输特性的一个重要参数，在光纤通讯中反映 传输带宽，影响通讯信息的容量和质量。
6
3、光纤导光原理及数值孔径NA
入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θi，入射后折射(折 射角为θj)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成 θk角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角为θr。则
n0sinθi=n1sinθj
n1sinθk=n2sinθr
sinθi=(n1/n0)sinθj sinθk=(n2/n1)sinθr 因θj=90º－θk 所以
相
半导体透射率
对 LED发光光谱
发
光
T1<T2<T3
强
T1
透 射 率
度
T2
T3
波长
半导体透射测量原理
22
（二）压力的检测
种类：强度调制型、相位调制型和偏振调制型三类。
1、采用弹性元件的光纤压力传感器
的光弹效应构成的压力、振动或声传感器，以及利用光
纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传
感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。
3）频率调制光纤传感器
是一种利用由被测对象引起的光频率的变化来进行
监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普
勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器
信号处理
光发送器 光受信器
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• 如果形变介质受力是均匀的，那么观察到 的彩色是相同的，如果形变介质受力是不 均匀的，有的地方出现的颜色也就不同， 如果应力分布相当复杂，那就会呈现出五 彩缤纷的复杂图案。 利用这个方法来研究 介质应力的分布，目 前已发展成为一个专 门的学科——光测弹 性学，它为工程设计 解决了极其复杂的应 力分析问题。
双折射现象
光束入射到各向异性的晶体， 分解为两束光而沿不同方向 折射的现象。他们为振动方 向互相垂直的偏振光。 光在非匀质体中传播时，其 传播速度和折射率值随振动 方向不同而改变，其折射率 值不止一个。光波入射非均 质体，除特殊方向以外，都 要发生双折射，分解成振动 方向不同，传播速度不同， 折射率不等的两种偏振光， 此现象称为双折射。
光弹效应实验
• 1、观察光弹材料受力后由各向同性变为各向异性 所引起的应力分布图样。 • 2、区分等倾线和等差线。 • 3、使用1/4波片消去等倾线。 • 4、使用专用应力分析软件 • 进行应力分析（需选购件）。 • 仪器特点： • 压力数值显示 • 光源 220V,30W • 偏振片的 有效通光孔径：58MM,1/4波片的 有效通 光孔径58MM
o光——寻常光（ordinary ray） e光——非常光（extraordinary ray）
光弹效应的原理
• 各向同性介质在某一方向受压力或拉力作用 时，在这方向上就形成介质的光轴，若这时 出现的o光和e光的折射率分别为no 和ne，则 它们通过厚度为ζ 的物体后产生的光程差为 δ=(no-ne)ζ 实验表明，在一定的应力范围内折射率 之差与应力 P 成正比，即 no-ne=C*p 式中C为介质的材料系数，它和材料的性 质有关。
传感器原理及应用
——光弹效应
杨广益 2012302580024
光弹效应
• 光弹效应（photo-elastic effect）： • 也称作光弹性效应，又作双折射效应。 • 它是物质的弹性形变，产生双折射，引起 其折射率发生变化的现象。 • 当外力或振动作用于弹性体产生应变时， 弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性 质，这种有内应力的透明介质中o光和e光 折射率不相等，它与应力分布有关。这种 现象即为光弹性效应。
光弹效应的应用
• 通过光弹性效应，研 究材料内部的应力情 况 • 例如. 设计大吊钩时， 要知道实际使用时内 部的应力分布情况。 可用透明的环氧树脂 制成模拟吊钩，通过 光弹效应，了解内部 应力的分布
That’s all! Thank you!
• 这样，两束光经厚度为ζ 的形变介质层 后，所得的光程差为 δ=(no-ne)ζ=cpζ 其位相差即为 Δφ=2π(no-ne)ζ /λ= 2πcpζ /λ • 这两束光经形变介质后又射至检偏器， 这时两束光都成为振动面平行于偏振器 主截面的平面偏振光，因而能够通过检 偏器，由于它们频率相同，有固定的相 位差，振动方向又相同，因而能产生干 涉，干涉的结果决定于它们的位相差。
放置在方格纸上的方解石 显示出双折射现象
• 双折射现象，光学现象的一种，可以用 光的横波性质来解释。当光照射到各向 异性晶体（单轴晶体）时，发生两个不 同方向的折射；其中一个遵守折射定律 的称为o光（寻常光），另一束不遵从折 射定律的称为e光（非常光），这两束光 都是偏振光。
光线从一个特殊的角 度射入晶体是不会发 生双折射现象，这一 角度称为晶体的光轴。
• 塑料、玻璃、环氧树脂等非晶体 在通常情况下是各向同性而不产 生双折射现象的，但当它们受到 应力时，就会变成各向异性显示 出双折射性质，这种现象称为光 弹性效应。
例如
• 把塑料膜拉紧 后夹在两块偏 振片之间，通 过白光观察可 以看到彩色图 样，拉图改变， 彩色图样也发 生变化，显示 出双折射现象， 其变化随应力 变化。
• 在外界动力作用的影响下，液体也能发 生光学的各向异性，举例来说，液体在 两个同轴圆筒（一个固定，一个转动） 间流动而发生速度梯度时，即表现出双 折射性能，折射率差值可达相当大的数 值；液流方向和液体光轴之间的夹也很 大。 被超声振动激发的液体中，也发现 了双折射现象，这也是由于在声波场中 存在液体速度梯度的缘故。