光纤传感技术中的光学原理及效应

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1、光纤传感技术中的光学原理与效应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。2、光的折射光纤传感技术中的光学原理与效应利用光学折射现象，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。3、光的吸收光纤传感技术中的光学原理与效应其中，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。

2、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。3、光的吸收光纤传感技术中的光学原理与效应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

3、呈现蓝绿色。图36钠蒸气的吸收光谱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-optictemperaturesensorprobeProtectivebushing3.2基于光谱吸收原理的液体

4、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-channeldataacquisitionLensSampleCellFiberbundleFiberbranch1Fiberbranch2Filter1Filter2Detector1Detector24、磁光效应光纤传感技术中的光学原理与效应图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

5、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。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。图314基于磁光效应的光纤电流传感器结构4、磁光效应光纤传感技术中的光学原理与效应入射光旋角和母线电流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5、电光效应光纤传感技术中的光学原理与效应图320基于电光效应

6、的光纤电压传感器原理在一块2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2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2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2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2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2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。6、弹光效应光纤传感技术中的光学原理与效应入射光纤接收光纤弹光材料检偏器起偏

7、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。7、光声效应光纤传感技术中的光学原理与效应激光光束照射到固体表面或气体和液体中，会与被照射物质相互作用产生一定强度和频率的声波，这就是光声效应。光