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1、(10)申请公布号 CN 103335757 A (43)申请公布日 2013.10.02 CN 103335757 A *CN103335757A* (21)申请号 201310258020.4 (22)申请日 2013.06.26 G01L 1/24(2006.01) G01P 15/00(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 (72)发明人 李长胜 袁媛 (74)专利代理机构 北京永创新实专利事务所 11121 代理人 祗志洁 (54) 发明名称 晶体型压力、 应力或加速度传感器及光学测 量方法 (57) 摘要 本发明为一种。
2、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/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。
3、实现闭环测量， 光 学传感单元结构简单、 体积小。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103335757 A CN 103335757 A *CN103335757A* 1/2 页 2 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、。
4、 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。
5、理和检测， 得到 电压 Uo； 信号处理电路将电压 Uo输入电压比较器， 在电压比较器中与参考电压 Uom比较， 输 出电压偏差量 U 给调制电压控制器 ； 调制电压控制器根据电压偏差量 U 调制施加在立 方晶体上下面的电压 U， 使得 U=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 ： 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。
6、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 /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 /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/2： 其中， 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。
7、定直流电场 E/2： 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/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/2实现 ： 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 权 利 要 求 书 CN 1。
8、03335757 A 2 2/2 页 3 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 n 为 ： 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 n=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 /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 /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 表示光波长， L 为晶体通光方向上的长度 ； （3） 在垂直于立。
9、方晶体上表面的方向上施加恒定直流电场 权 利 要 求 书 CN 103335757 A 3 1/5 页 4 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 0001 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 0002 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。
10、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。 0003 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。
11、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 0004 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。
12、 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。 0005 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。
13、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 Uo。信号处理电路将电压 说 明 书 CN 103335757 A 4 2/5 页 5 Uo输入电压比较器， 在电压比较器中与参考电压 Uom比较， 输出电压偏差量 U 给调制电压 控制器。 调制电压控制器根据电压偏差量U改变施加在立方晶体上下面的。
14、调制电压U， 使 得 U=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。 0006 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 n 为 ： 0007 0008 其中， n0表示晶体折射率， r41为晶体的电光系数， p44为晶体。
15、的弹光系数， s44为晶 体的弹性顺服系数。 0009 调整补偿电场 E0使得 n=0， 实现弹光双折射与电光双折射的相互补偿。此时 0010 0011 根据获得的 E0获取被测应力 P。 0012 通过以下 （1） 、（2） 或 （3） 所述的方法产生 /2 光学偏置。 0013 （1） 将晶体设计成菲涅尔菱形， 通过两次全内反射产生 /2 光学偏置 ； 0014 （2） 在垂直于晶体上表面的方向上施加恒定应力 P/2： 0015 其中， 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。 0016 （3） 在 垂 直 。
16、于 晶 体 （111） 晶 面 的 方 向 施 加 恒 定 直 流 电 场 E/2： 式中 r41为晶体的电光系数。 0017 本发明的传感器及光学测量方法主要优点包括 ： 0018 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。 0019 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。 0020 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。 0021 本发明的光学测量方法具有抗电磁干扰能力强的特点。 0022 压力、 应力或加速。
17、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 0023 图 1 是本发明的光学晶体型压力传感器的结构示意图 ； 0024 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 说 明 书 CN 103335757 A 5 3/5 页 6 0025 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。 0026 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。
18、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。 0027 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 （Bi12SiO。
19、20, 简记为 BSO20）晶体、 或者钛酸铋 （Bi12TiO20, 简记为 BTO20） 晶体等。 0028 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 ： 0029 0030 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。
20、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 nx、 ny和 nz， 则由折射率椭球分析法可得 ： 0031 0032 0033 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 n 可表 示为 ： 0034 0035 由式 (4) 可见， 若使外加应力与外加电场满足如下关系 ： 0036 0037 则有 n=0， 即可实现弹光双折射与电光双折射的相互补偿。 0038 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。
21、别双折射n=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 n 0， 则 说 明 书 CN 103335757 A 6 4/5 页 7 调整晶体外加电场 E0以实现 n=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。 0039 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 n=0 的检测， 如图 1 所示。双折射测量所需要的 /2 光学偏置可以通过对晶体预加一 个恒定压力 P/2或恒定直流电场 E/2产生。或者将晶体设计成菲涅。
22、尔菱形， 通过两次全内 反射产生 /2 的光学偏置。 0040 在垂直于立方晶体上表面的方向上施加恒定应力 P/2： 0041 0042 其中， 表示光波长， L 为晶体通光方向上的长度 ； 0043 在垂直于立方晶体上表面的方向上施加恒定直流电场 E/2： 0044 0045 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。
23、 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。 0046 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)。
24、 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 Uo。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 Uo也随之变化。 0047 假设无外加应力P时的参考电压为Uom， 则将有外加应力时的传感器输出电压Uo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 U ； 此偏差量 U 输入到晶体 20 外加的调制电压控制器 60， 调制电压控制器。
25、 60 根据电压偏差量 U 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 U。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 Uom。由此可见， 当保持输出电压为参考电压 Uom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。
26、器的输出信号。 0048 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 /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 /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/2。 说 明 书 CN 103335757 A 7 5/5 页 8 0049 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/2： 0050 0051 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/2以。
27、获得 /2 的光学偏置。 0052 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/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。 0053 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。 说 明 书 CN 103335757 A 8 1/2 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103335757 A 9 2/2 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103335757 A 10 。