CN103335757A - 晶体型压力、应力或加速度传感器及光学测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种晶体型压力、应力或加速度传感器及光学测量方法。传感器包括：激光二极管准直光源、起偏器、传感元件、检偏器、光电探测器和信号处理与调制控制单元；传感元件为兼有电光效应和弹光效应的-43m和23点群的立方晶体。在立方晶体的上下表面的(111)晶面上垂直施加待测应力P和补偿电场。本方法通过调整补偿电场，使得晶体内因压力产生的弹光双折射能够被电光双折射所补偿，由补偿电场获取被测压力、应力或加速度的大小。本发明的π/2光学偏置通过将晶体设计成菲涅尔菱形或在垂直于晶体(111)晶面上预加四分之一波电场产生。本发明响应速度快、具有抗电磁干扰能力、可实现闭环测量，光学传感单元结构简单、体积小。

Description

晶体型压力、应力或加速度传感器及光学测量方法

技术领域

本发明为一种新型光学晶体型压力、应力或加速度传感器及光学测量方法，提供了压力、应力以及加速度等力学量的一种新的光学测量装置和方法，属于力学变量的光学测量技术领域。

背景技术

压力、应力及加速度传感器在诸多工业领域具有广泛的应用，目前除了基于力学、电磁学原理的压力、应力或加速度传感器以外（例如石英挠性加速度计），已有基于光学晶体弹光效应的光学压力传感器。光学材料的弹光效应是指材料在外加压力作用下产生线性双折射，且一般在材料的弹性限度以内，其应力诱导双折射大小与外加应力成正比；因此通过光学方法测量材料的线性双折射，即可实现对外加应力的测量。一种典型的基于弹光效应和光偏振测量的光学压力传感单元一般包括两个偏振器、一个四分之一波片和一个弹光传感元件；所用的弹光传感元件可以是光学晶体、玻璃或光纤，它们均具有弹光效应。光学压力、应力或加速度传感器的主要优点是响应速度快、抗电磁干扰能力强、体积小等。

晶体的线性电光效应是指晶体在外加电压或电场作用下产生线性双折射，且电场诱导双折射大小与外加电压或电场成正比。许多光学晶体兼有弹光效应和电光效应，考虑到电光效应和弹光效应的本质均是外场引起的折射率变化，因此可以利用它们的互补特性，设计压力、应力或加速度传感器，被测压力、应力可直接施加于传感晶体上，测量加速度时需要借助于质量块将加速度转换为压力。目前已经提出利用铌酸锂晶体的电光与弹光效应互补型光学压力传感器（参见文献：Applied Optics,vol.50,no.27,pp.5315-5320,2011），但尚未见到基于其它晶体的弹光与电光效应互补特性的光学压力、应力或加速度传感器的研究报道。

发明内容

本发明利用兼有弹光效应和电光效应的立方晶体，实现压力、应力或加速度的光学测量，具体提供了一种晶体型压力、应力或加速度传感器及光学测量方法。

本发明提供的一种光学晶体型压力、应力或加速度传感器系统构成主要包括光学传感单元和信号处理与调制控制单元。光学传感单元包括：激光二极管准直光源、起偏器、传感元件、检偏器和光电探测器。信号处理与调制控制单元包括：信号处理电路、电压比较器、调制电压控制器和输出显示单元。传感元件为兼有电光效应和弹光效应的-43m和23点群的立方晶体，立方晶体的上下表面为(111)晶面，设被测的压力、应力或者加速度对应的应力为P，待测应力P作用方向垂直于立方晶体（111）晶面。激光二极管准直光源发出的光，经起偏器起偏为偏振方向与晶体[111]晶向成45°角的线偏振光，线偏振光沿平行于晶体(111)晶面的方向入射晶体，则线偏振光因晶体双折射产生的相位延迟变成椭圆偏振光。椭圆偏振光经检偏器，输出的光信号被光电探测器探测转换为电信号，并输出给信号处理电路。信号处理电路对电信号进行降噪处理和检测，得到电压U_o。信号处理电路将电压U_o输入电压比较器，在电压比较器中与参考电压U_om比较，输出电压偏差量ΔU给调制电压控制器。调制电压控制器根据电压偏差量ΔU改变施加在立方晶体上下面的调制电压U，使得ΔU=0，此时调制电压U对应产生的电场E₀为：

根据U进一步得到待测应力P，调制电压U经过输出显示单元变换和显示，作为传感器的输出信号。

本发明提供的一种光学测量方法，利用兼有电光效应和弹光效应的-43m和23点群的立方晶体作为压力、应力或加速度传感元件，立方晶体的上表面为(111)晶面，被测应力P和外加电场E₀同时作用于晶体的(111)晶面，则在立方晶体内沿着平行于晶体上表面方向传播的光波的晶体双折射Δn为：

$\mathrm{\Δn}=\frac{\sqrt{3}}{2}{n_0}^3{r}_{41}{E}_0+\frac{\sqrt{2}}{2}{n_0}^3{p}_{44}{s}_{44}P$

其中，n₀表示晶体折射率，r₄₁为晶体的电光系数，p₄₄为晶体的弹光系数，s₄₄为晶体的弹性顺服系数。

调整补偿电场E₀使得Δn=0，实现弹光双折射与电光双折射的相互补偿。此时

$E_0=-\sqrt{6}{p}_{44}{s}_{44}P/\left(3r_{41}\right)$

根据获得的E₀获取被测应力P。

通过以下（1）、（2）或（3）所述的方法产生π/2光学偏置。

（1）将晶体设计成菲涅尔菱形，通过两次全内反射产生π/2光学偏置；

（2）在垂直于晶体上表面的方向上施加恒定应力P_π/2：

其中，λ表示光波长，n₀表示晶体折射率，p₄₄为晶体的弹光系数，s₄₄为晶体的弹性顺服系数，L为晶体通光方向上的长度。

（3）在垂直于晶体（111）晶面的方向施加恒定直流电场E_π/2：

式中r₄₁为晶体的电光系数。

本发明的传感器及光学测量方法主要优点包括：

①利用弹光双折射与电光双折射之间可以相互补偿的特点，可以实现压力、应力或加速度的闭环光学测量。

②与以往传统基于光偏振测量的光学压力传感器相比，本发明不需要附加四分之一波片，光学传感单元结构简单，减小了体积，同时降低了成本。

③本发明的压力、应力或加速度的光学测量方法具有响应速度快的固有特点。

④本发明的光学测量方法具有抗电磁干扰能力强的特点。

⑤压力、应力或加速度传感信号加载于光载波信号中，因此易于实现压力、应力或加速度的远距离测量。

附图说明

图1是本发明的光学晶体型压力传感器的结构示意图；

图2是利用菲涅尔菱形的BGO₁₂晶体进行压力传感实验的结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明利用兼有电光效应和弹光效应的光学晶体作为压力、应力或加速度传感元件，并选取晶体的某一合适的方向施加作用力和外加电压（电场），使得因压力或应力产生的弹光双折射能够被电光双折射所补偿，从而使通过晶体的光波偏振态保持不变，此时晶体的外加控制电压(或电场)与外加应力成正比，由外加控制电压(或电场)大小即可获知被测压力、应力或加速度的大小，实现外加压力、应力或加速度的闭环光学传感与测量。

本发明提供的一种光学测量方法，选取兼有电光效应和弹光效应的-43m和23点群的立方晶体作为压力、应力或加速度传感元件。例如传感用立方晶体为闪烁锗酸铋（Bi₄Ge₃O₁₂,简记为BGO₁₂）晶体、闪烁硅酸铋（Bi₄Si₃O₁₂,简记为BSO₁₂）晶体、锗酸铋（Bi₁₂GeO₂₀,简记为BGO₂₀）晶体、硅酸铋（Bi₁₂SiO₂₀,简记为BSO₂₀）晶体、或者钛酸铋（Bi₁₂TiO₂₀,简记为BTO₂₀）晶体等。

如图1所示，设传感用立方晶体处于三维立体坐标系中，立方晶体的上下表面与yoz平面平行，左右表面与xoy平面平行，前后表面与xoz平面平行，立方晶体的上下表面为立方晶体的（111）晶面。本发明提出在垂直于该立方体（111）晶面的方向上同时施加被测应力P和补偿电场E₀，此时晶体的折射率椭球方程变为：

$[\frac{1}{{n_0}^2}+\frac{P}{3}(p_{11}+2p_{12})(s_{11}+2s_{12})](x^2+y^2+z^2)+(\frac{2\sqrt{2}P}{3}{p}_{44}{s}_{44}+\frac{2}{\sqrt{3}}{r}_{41}{E}_0)(\mathrm{yz}+\mathrm{zx}+\mathrm{xy})=1---\left(1\right)$

其中，n₀表示晶体折射率，p₁₁,p₁₂,p₄₄为晶体的弹光系数，s₁₁,s₁₂,s₄₄为晶体的弹性顺服系数，r₄₁为晶体的电光系数，(x,y,z)为坐标变量。假设在外加应力和电场作用下，晶体的三个外场诱导主轴折射率分别为n_x′、n_y′和n_z′，则由折射率椭球分析法可得：

$n_{x^{\′}}=n_{y^{\′}}\≈n_0[1+\frac{1}{2\sqrt{3}}{n_0}^3{r}_{41}{E}_0+\frac{\sqrt{2}}{6}{n_0}^3{p}_{44}{s}_{44}P-\frac{P}{6}{n_0}^3(p_{11}+2p_{12})(s_{11}+2s_{12})]---\left(2\right)$

$n_{z^{\′}}\≈n_0[1-(\frac{1}{\sqrt{3}}{n_0}^3{r}_{41}{E}_0+\frac{\sqrt{2}}{3}{n_0}^3{p}_{44}{s}_{44}P)-\frac{P}{6}{n_0}^3(p_{11}+2p_{12})(s_{11}+2s_{12})]---\left(3\right)$

因此，对于沿着平行于晶体（111）晶面在晶体内传播的光波，晶体双折射Δn可表示为：

$\mathrm{\Δn}=n_{x^{\′}}-n_{z^{\′}}=\frac{\sqrt{3}}{2}{n_0}^3{r}_{41}{E}_0+\frac{\sqrt{2}}{2}{n_0}^3{p}_{44}{s}_{44}P---\left(4\right)$

由式(4)可见，若使外加应力与外加电场满足如下关系：

$E_0=-\frac{\sqrt{6}}{3r_{41}}{p}_{44}{s}_{44}P---\left(5\right)$

则有Δn=0，即可实现弹光双折射与电光双折射的相互补偿。

在此基础之上，本发明提出利用闭环检测与控制方法实现压力、应力或加速度的闭环光学测量。具体实现过程是：通过检测光电输出信号判别双折射Δn=0是否满足，从而判别外加应力与外加电场是否能够使弹光双折射与电光双折射相互补偿；如果Δn≠0，则调整晶体外加电场E₀以实现Δn=0；此时，根据式(5)所示的外加电场E₀与外加应力P之间的对应关系即可获知被测压力、应力或加速度的大小。

对于双折射的测量，可采用常用的“起偏器-样品-检偏器”的光学设计实现双折射Δn=0的检测，如图1所示。双折射测量所需要的π/2光学偏置可以通过对晶体预加一个恒定压力P_π/2或恒定直流电场E_π/2产生。或者将晶体设计成菲涅尔菱形，通过两次全内反射产生π/2的光学偏置。

在垂直于立方晶体上表面的方向上施加恒定应力P_π/2：

$P_{\mathrm{\π}/2}=\mathrm{\λ}/\left(2\sqrt{2}{n_o}^3{p}_{44}{s}_{44}L\right)---\left(6\right)$

其中，λ表示光波长，L为晶体通光方向上的长度；

在垂直于立方晶体上表面的方向上施加恒定直流电场E_π/2：

$E_{\mathrm{\π}/2}=\mathrm{\λ}/\left(2\sqrt{3}{n_o}^3{r}_{41}L\right)---\left(7\right)$

实施例一：如图1所示，为本发明提供的一种光学晶体型压力、应力或加速度传感器，组成主要包括两部分，一是光学传感单元，包括激光二极管（LD）准直光源10、起偏器P1、传感用立方晶体20、检偏器P2和光电探测器（PD）30；第二部分是信号处理与调制控制单元，包括信号处理电路40、电压比较器50、调制电压控制器60和输出显示单元70等。本发明实施例中的传感用立方晶体为BGO₁₂。

图1所示的光学晶体型压力、应力或加速度传感器的工作机理是：设P为被测的压力、应力或者加速度对应的应力；将被测应力P作用于BGO₁₂晶体的（111）晶面时，在晶体的弹性限度以内，晶体内将产生与外加应力成正比的应力双折射，且应力双折射的两个主轴方向分别平行和垂直于(111)晶面。激光二极管准直光源10发出的光，经起偏器P1起偏为偏振方向与晶体[111]晶向成45°角的线偏振光，该线偏振光沿平行于晶体(111)晶面的方向入射晶体，则此线偏振光将因晶体双折射产生的相位延迟而变成椭圆偏振光，椭圆偏振光经检偏器P2后输出的光信号被光电探测器30探测并转换为电信号输出给信号处理电路40，信号处理电路40对电信号进行滤波降噪处理和检测，得到电压U_o。经过检偏器P2的出射光的光强度将随外加应力P的变化而变化，于此对应的电压U_o也随之变化。

假设无外加应力P时的参考电压为U_om，则将有外加应力时的传感器输出电压U_o输入电压比较器50时，电压比较器50将产生一个电压偏差量ΔU；此偏差量ΔU输入到晶体20外加的调制电压控制器60，调制电压控制器60根据电压偏差量ΔU控制晶体20的调制电压U，使晶体内产生一个能够补偿外加应力双折射的电光双折射，其相应的调制电场数值与外加应力之间的关系理论上应为或写为U∝ΔU。同时，调制电压U经过输出显示单元70变换和显示，作为传感器的输出信号。晶体20在上述电场（或电压）作用下，其应力双折射得到补偿，即其合成总双折射恢复为零，此时对应的信号处理电路40的输出电压应等于参考电压U_om。由此可见，当保持输出电压为参考电压U_om时，晶体的补偿调制电场E₀（或电压U）与外加应力具有一一对应关系，可以作为压力（或应力、加速度）传感器的输出信号。

为了增大传感器的测量灵敏度及其线性测量范围，需要设置一个四分之一波片提供π/2的光学偏置。可以通过对晶体20预先施加一个恒定应力，由弹光双折射产生所需的π/2的光学偏置；由上述（4）式可得所需应力大小为如式(6)所示的P_π/2。

或者在晶体20的上下面之间预先施加一个恒定直流四分之一波电压U_π/2：

$U_{\mathrm{\π}/2}=\mathrm{\λd}/\left(2\sqrt{3}{n}_o^3{r}_{41}L\right)---\left(8\right)$

其中，d表示立方晶体上下两个（111）晶面之间的距离。从而使在垂直于晶体（111）晶面的方向上施加了如式(7)的恒定直流电场E_π/2以获得π/2的光学偏置。

实施例二：传感器的系统组成和工作机理与上述实施例一基本相同，如图1所示，但传感元件BGO₁₂晶体的形状设计为菲涅尔菱形，从而使通过其中的光波利用在晶体内的两次全反射产生π/2的相位延迟，为传感器提供所需的光学偏置，即BGO₁₂晶体同时起到传感元件和四分之一波片的作用。

利用一块菲涅尔菱形的BGO₁₂晶体进行了初步的压力传感实验，被测压力F(N)与补偿电压之间关系的实验结果如图2所示，图2中，横坐标F为晶体外加压力，单位是牛顿（N），纵坐标为晶体外加补偿电压U（V），由图可见被测压力与补偿电压之间具有很好的线性关系，因此，利用本发明传感器或测量方法，根据获取的补偿电压或电场能对应得到被测压力。

Claims (5)

1.一种光学晶体型压力、应力或加速度传感器，其特征在于，包括光学传感单元和信号处理与调制控制单元；光学传感单元包括：激光二极管准直光源、起偏器、传感元件、检偏器和光电探测器；信号处理与调制控制单元包括：信号处理电路、电压比较器、调制电压控制器和输出显示单元；传感元件为兼有电光效应和弹光效应的-43m和23点群的立方晶体，立方晶体的上表面为(111)晶面；设被测的压力、应力或者加速度对应的应力为P，待测应力P作用方向垂直于立方晶体（111）晶面；

激光二极管准直光源发出的光，经起偏器起偏为偏振方向与晶体[111]晶向成45°角的线偏振光，线偏振光沿平行于晶体(111)晶面的方向入射晶体，则线偏振光因晶体双折射产生的相位延迟变成椭圆偏振光；椭圆偏振光经检偏器，输出的光信号被光电探测器探测转换为电信号输出给信号处理电路，信号处理电路对电信号进行降噪处理和检测，得到电压U_o；信号处理电路将电压U_o输入电压比较器，在电压比较器中与参考电压U_om比较，输出电压偏差量ΔU给调制电压控制器；调制电压控制器根据电压偏差量ΔU调制施加在立方晶体上下面的电压U，使得ΔU=0，此时施加在立方晶体上下面的电压U对应产生的电场E₀为：

$E_0=-\sqrt{6}{p}_{44}{s}_{44}P/\left(3r_{41}\right)$

调制电压U经过输出显示单元变换和显示，作为传感器的输出信号，根据U进一步得到待测应力P。

2.根据权利要求1所述的光学晶体型压力、应力或加速度传感器，其特征在于，所述的传感元件采用闪烁锗酸铋（Bi₄Ge₃O₁₂）晶体、闪烁硅酸铋（Bi₄Si₃O₁₂）晶体、锗酸铋（Bi₁₂GeO₂₀,）晶体、硅酸铋（Bi₁₂SiO₂₀）晶体或者钛酸铋（Bi₁₂TiO₂₀）晶体。

3.根据权利要求1或2所述的光学晶体型压力、应力或加速度传感器，其特征在于，所述的传感器通过如下任一方式实现π/2光学偏置：

方式一：将立方晶体设计成菲涅尔菱形，通过两次全内反射产生π/2光学偏置；

方式二：在垂直于立方晶体上表面的方向上施加恒定应力P_π/2：

$P_{\mathrm{\π}/2}=\mathrm{\λ}/\left(2\sqrt{2}{n_o}^3{p}_{44}{s}_{44}L\right)$

其中，λ表示光波长，n₀表示晶体折射率，p₄₄为晶体的弹光系数，s₄₄为晶体的弹性顺服系数，L为晶体通光方向上的长度；

方式三：在垂直于立方晶体上表面的方向上施加恒定直流电场E_π/2：

$E_{\mathrm{\π}/2}=\mathrm{\λ}/\left(2\sqrt{3}{n_o}^3{r}_{41}L\right)$

其中，r₄₁为晶体的电光系数。

4.根据权利要求3所述的光学晶体型压力、应力或加速度传感器，其特征在于，所述的电场E_π/2，通过在立方晶体的上下表面之间施加一个恒定直流四分之一波电压U_π/2实现：

$U_{\mathrm{\π}/2}=\mathrm{\λd}/\left(2\sqrt{3}{n_o}^3{r}_{41}L\right)$

其中，d表示立方晶体的上下表面之间的距离。

5.一种光学测量方法，其特征在于，利用兼有电光效应和弹光效应的-43m和23点群的立方晶体作为压力、应力或加速度传感元件，立方晶体的上表面为(111)晶面，被测的压力、应力或者加速度对应的应力P作用于垂直立方晶体上表面的方向上；在晶体的(111)晶面上施加电场E₀，在立方晶体内沿着平行于晶体上表面方向传播的光波的晶体双折射Δn为：

$\mathrm{\Δn}=\frac{\sqrt{3}}{2}{n_0}^3{r}_{41}{E}_0+\frac{\sqrt{2}}{2}{n_0}^3{p}_{44}{s}_{44}P$

其中，n₀表示晶体折射率，r₄₁为晶体的电光系数，p₄₄为晶体的弹光系数，s₄₄为晶体的弹性顺服系数；

调整电场E₀使得Δn=0，此时

根据E₀获取被测应力P；

所述的光学测量方法还通过以下（1）、（2）或（3）方法产生π/2光学偏置：

（1）将晶体设计成菲涅尔菱形，通过两次全内反射产生π/2光学偏置；

（2）在垂直于立方晶体上表面的方向上施加恒定应力

λ表示光波长，L为晶体通光方向上的长度；

（3）在垂直于立方晶体上表面的方向上施加恒定直流电场