光电检测技术 第七章 光偏振调制检测系统.pptVIP

第七章 光偏振调制检测系统 7.1 光弹性效应测力计 7.2 光纤电流电压测试系统 原理：机械应力、磁场、电场——光学媒质的传光特性（偏振态的变化） 应用：光弹性效应测力计、磁光式电流测试装置、光纤电压表、BOS电压传感器等 光偏振检测系统有关光学器件： 1.波片：全波片、半波片、四分之一波片 2.偏振分光器件：偏振分光镜、渥拉斯顿棱镜 3.棱镜反射器：直角棱镜、角锥反射镜 7.1 光弹性效应测力计 光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折射的现象称为光弹性效应。 原理 P1→M→P2 P1→振幅为A0，光强为I0。 M→两束正交线偏振光振幅为A0/2。 P2→的分振幅为 A12=A22= A0/2 相应光强为I12=I22= I0/4两束光在同一方向上振动周相差为所测力的函数 式中，C——与材料性质相关的系数，与材料条纹值f0的关系是 f0=?/C 干涉：I = I12+I22+2(I12+I22)1/2cos? = (1+cos?)I0/2= (1–cos(2?CF/?))I0/2 = I0sin2(?CF/?) 光弹性效应测力计基本结构 为使I和F呈线性关系，光电测力计光路中放入若干云母片，用以产生附加光程差Δ，光电池接收的光强为： I=K{1–cos[2? /? （CF+ Δ)]}I0/2 式中K是放入云母片的削弱系数，使 2? /3 ≥ [2? /?（CF+ Δ)] ≥? /3 因余弦函数在此附近变化接近线性，即可的预期效果。 利用光弹性效应测量压力的原理及结构如图。发自LED的入射光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45o的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中1/4波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。 7.2 光纤电流电压测试系统 磁致旋光效应原理 ? =VdLB Vd——菲尔德常数 光纤安培计工作原理 工作原理 光路： 激光→线偏振光（经起偏振器） 线偏振光发生法拉第旋转（光纤线圈中） ?=Vn∮Hdi=VnI 线偏振光的分光（经渥拉斯顿棱镜）相互正交 电路： P = (I1－I2)/ (I1+I2) = k? K——光纤性能系数 在V、K、n确定和测出参数P以后，即可求出母线中待测电流的大小I。 光纤的要求 光源 采用激光二极管 0.85?m 温度控制克服温度影响 光纤 整个长度保持原有的偏振态 纤芯截面非圆性及不对称的应力分布会引起双折射 要求：引起的?在1°/m以下。 注意修正 限制光纤直线部分的长度、 线圈半径不要过小 适当减小匝数 检测系统 防震 光纤电压测试系统 工作原理 经过光纤传送到光电池的信号光信号I将随电极上所加外电压的大小V而变化，从而测出待测电压的大小。 原理：纵向泡克勒斯效应（外加电场使本身各向异性 的物质改变特性。 电光晶体：磷酸二氢氨、磷酸二氢钾、砷酸二氢钾等 应用：275千伏架空输电线下方的静电感应电压 * * 光弹性效应测力计原理 构成： 起偏振器P1 、检偏振器P2 透振方向相互垂直。 测力元件 透明硬质材料（如玻璃等）的平行六面体或圆柱体 结构 P 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 P (a)检测原理 1 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波长板 4、10 光弹性元件5、11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜 偏振光 线偏振光 椭圆偏振光 光弹性效应压力计 为了提高传感器的精度和稳定性，下图为另一种检测方法的结构。输出光用偏振分光镜分别检测出两个相互垂直方向的偏振分量；并将这两个分量经“差／和”电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。该传感器的测量范围为103Pa～106Pa，精度为±1％，理论上分辨力可达1.4Pa。 这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度。 2 4 5 3 输出 前置 放大 前置 放大 I2－I1 I2+I1 驱动 1 6 I1 I2 PD1 PD2 光弹性式光纤压力传感器