[发明专利]晶体型压力、应力或加速度传感器及光学测量方法

说明书

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：