建筑材料熱工設(shè)備-4-光電檢測技術(shù)

建筑材料熱工設(shè)備-4-光電檢測技術(shù)第一頁，共223頁。光機電技術(shù)光學(xué)技術(shù)機械技術(shù)電子技術(shù)光機電測控技術(shù)光機電傳感器融合核心部分基礎(chǔ)1-2光機電測控技術(shù)概念第二頁，共223頁。核心：物理量→光學(xué)量→電信號→機械運動屬性：光機電技術(shù)是一種交叉學(xué)科，光學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機技術(shù)、儀器儀表等等目的：物理量的檢測、傳遞、控制應(yīng)用：精密測量、紅外探測、遙感、激光雷達、空中偵察、制導(dǎo)武器、導(dǎo)航、跟蹤、光通信、圖像處理、夜視、深空探測等等1-2光機電測控技術(shù)概念第三頁，共223頁。傳感器的概念傳感器的作用：是將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量輸出。（非電量與電量系統(tǒng)之間的接口）敏感器：能夠?qū)⒈粶y非電量轉(zhuǎn)換為可用非電量的器件或裝置光電傳感器：基于光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種光電器件，廣泛應(yīng)用于自動控制、宇航和廣播電視等各個領(lǐng)域。1-2光機電測控技術(shù)概念第四頁，共223頁。1-3光機電測控與人工操作區(qū)別比較：被測物體感覺器官人腦手控被測物體光機電傳感器微機執(zhí)行機構(gòu)光電傳感部分相當(dāng)于人身的感覺器官第五頁，共223頁。被測對象光學(xué)系統(tǒng)光電傳感器變換電路處理電路后續(xù)電路顯示控制存儲光機電測控系統(tǒng)光源光學(xué)系統(tǒng)機電執(zhí)行機構(gòu)1-4光機電測控系統(tǒng)的組成第六頁，共223頁。光機電測控技術(shù)的特點高精度：測長度nm量級；高速度：光速是最快的；非接觸式檢測：可長距離工作；遠距離、大量程：遙控、遙測和遙感；受光學(xué)介質(zhì)的影響大（水、空氣、塵土）成本高。1-4光機電測控系統(tǒng)的組成第七頁，共223頁。熱輻射：由于外界熱量傳遞給物體而發(fā)生的輻射稱為熱輻射。熱輻射源的特性：它的輻射能量直接與它的溫度有關(guān)。熱平衡輻射：如果物體從周圍物體吸收幅射能所得到的熱量恰好等于自身輻射而減少的能量，則輻射過程達到平衡狀態(tài)，這稱為熱平衡輻射。2-2光輻射與熱輻射第八頁，共223頁。熱輻射主要在紅外波段任何物體只要它的溫度高于熱力學(xué)溫度（0K或攝氏-273℃），它就一定不斷地發(fā)射電磁輻射（熱輻射）。由于其中的分子、原子受到熱激發(fā)而產(chǎn)生并向外部發(fā)射各種波長的電磁波。只要外界傳遞熱量給物體以維持物體的溫度不變，物體就能不改變內(nèi)能持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)射電磁波。2-2光輻射與熱輻射第九頁，共223頁。在研究熱平衡輻射所遵從的規(guī)律時，我們假定物體發(fā)射能量和吸收能量的過程中，除了物體的熱狀態(tài)有所改變外，它的成分不發(fā)生變化。熱輻射的輻射光譜是連續(xù)的。熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長自遠紅外區(qū)到紫外區(qū)，并且輻射能按波長的分布主要決定于物體的溫度。熱輻射不僅與物體溫度有關(guān)，而且與物體表面特征有關(guān)。2-2光輻射與熱輻射第十頁，共223頁。若物體在任何溫度下，對任何波長的輻射能的吸收比都等于1，即，則稱該物體為絕對黑體（簡稱黑體）。它沒有反射，也沒有透射(當(dāng)然黑體仍然要向外輻射)。黑體具有最大的發(fā)射率。宇宙黑洞可視為理想的黑體。2-2光輻射與熱輻射黑體第十一頁，共223頁。五、普朗克定律描述黑體的光譜輻射出射度與波長、絕對溫度直接的關(guān)系黑體光譜輻射出射度為：式中

h—普朗克常數(shù)k—玻爾茲曼常數(shù)c—光速2-2光輻射與熱輻射第十二頁，共223頁。每條曲線都有一個峰值，隨著溫度的升高，此峰值向短波方向移動普朗克曲線2-2光輻射與熱輻射第十三頁，共223頁。本定律由德國物理學(xué)家威廉·維恩（WilhelmWien）于1893年通過對實驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗總結(jié)提出。威廉·維恩提出本定律的時間是在普朗克黑體輻射定律出現(xiàn)之前，且過程完全基于對實驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗總結(jié)。后來證明，本定律是更為廣義的普朗克黑體輻射定律的一個直接推論。六、維恩位移定律描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度之間反比關(guān)系的定律設(shè)黑體輻射的峰值波長，則存在如下的簡單關(guān)系：已知物體的溫度時，可以計算其峰值輻射波長，反之亦然。（溫度與峰值波長成反比）2-2光輻射與熱輻射第十四頁，共223頁。維恩位移定律說明了一個物體越熱，其輻射譜的波長越短（或者說其輻射譜的頻率越高）。譬如在宇宙中，不同恒星隨表面溫度的不同會顯示出不同的顏色，溫度較高的顯藍色，次之顯白色，瀕臨燃盡而膨脹的紅巨星表面溫度只有2000-3000K，因而顯紅色。太陽的表面溫度是6000K，根據(jù)維恩位移定律計算得的峰值輻射波長則為502nm，這近似處于可見光光譜范圍的中點，為黃光。描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度之間反比關(guān)系的定律2-2光輻射與熱輻射第十五頁，共223頁。光電效應(yīng)光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動勢等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)2-2光輻射與熱輻射第十六頁，共223頁。光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：物體受光照后向外發(fā)射電子——多發(fā)生于金屬和金屬氧化物內(nèi)光電效應(yīng)：物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而不會逸出物體外部——多發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象2-2光輻射與熱輻射第十七頁，共223頁。光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸上時，會在PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢。光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體在受到光照射時產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。

PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射PN結(jié)時，由于內(nèi)建場的作用（不加外電場），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個正電壓。半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會出現(xiàn)電流（光生電流）。2-2光輻射與熱輻射第十八頁，共223頁。光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化．熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象．輻射熱計效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象．溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點出現(xiàn)穩(wěn)差而在兩結(jié)點間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流．光熱效應(yīng)2-2光輻射與熱輻射第十九頁，共223頁。自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復(fù)色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來描述。若令其最大值為1，將光譜功率分布進行歸一化，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜功率分布。

光源的光譜功率分布通?？煞殖伤姆N情況：線狀光譜帶狀光譜連續(xù)光譜混合光譜低壓汞燈、激光高壓汞燈、高壓鈉燈熒光燈熱輻射光源、白熾燈光譜功率分布（相對光譜功率分布）2-3光源的基本特性參數(shù)第二十頁，共223頁。2.1波的疊加(1)干涉

干涉指兩列或多列光波在空間相遇時相互迭加，在某些區(qū)域始終加強，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象。

相干兩個波的相差φ2–φ1恒為0或者固定值，則這兩個波被稱之為相干的。相干是產(chǎn)生干涉的必要條件，另外一個條件是兩個波源的頻率幾乎相同。非偏振光可以描述成兩個正交的、振幅相同但相位差隨時間變化的平面偏振波合成的結(jié)果，故在滿足相長干涉、相消干涉的情況下，也有干涉現(xiàn)象產(chǎn)生。2-5光路分析的基本規(guī)律第二十一頁，共223頁。(2)衍射

當(dāng)障礙物的線度與光波波長可比擬時，光線偏離直線傳播，進入幾何暗影區(qū)，并形成明暗相間的條紋的現(xiàn)象。衍射也是波疊加的結(jié)果，表現(xiàn)為直線傳播的光束在遇到障礙時的繞射。按照光源和屏到障礙物的距離，可以把衍射分為兩種：當(dāng)光源和屏與障礙物的距離都是有限遠，或其中一個是有限遠時，稱為Fresnel衍射。當(dāng)光源和屏與障礙物的距離都是無限遠時，稱為Fraunhofer衍射；在實驗室常利用凸透鏡的聚焦性模擬來自“無限遠處”的平行光。2-5光路分析的基本規(guī)律第二十二頁，共223頁。2.2光的偏振態(tài)與旋光

光波電矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現(xiàn)象叫做偏振。偏振光包括如下幾種：①線偏振光，在光的傳播過程中，只包含一種振動，其振動方向始終保持在同一平面內(nèi)，這種光稱為線偏振光（或平面偏振光)。②部分偏振光，光波包含一切可能方向的橫振動，但不同方向上的振幅不等，在兩個互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，這種光稱為部分偏振光。自然光和部分偏振光實際上是由許多振動方向不同的線偏振光組成。③橢圓偏振光，在光的傳播過程中，空間每個點的電矢量均以光線為軸作旋轉(zhuǎn)運動，且電矢量端點描出一個橢圓軌跡，這種光稱為橢圓偏振光。④圓偏振光，旋轉(zhuǎn)電矢量端點描出圓軌跡的光稱圓偏振光，是橢圓偏振光的特殊情形。2-5光路分析的基本規(guī)律第二十三頁，共223頁。(2)人為雙折射現(xiàn)象：

某些各向同性介質(zhì)在外力（機械力、電場力）作用下會變成各向異性介質(zhì)，從而產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，而有些各向異性介質(zhì)在外力作用下會改變雙折射性質(zhì)，這類現(xiàn)象稱為人為雙折射現(xiàn)象。

電光效應(yīng)在外界電場作用下會形成各向異性而產(chǎn)生雙折射。在磁場作用下，F(xiàn)araday效應(yīng)也能使非晶體產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。

光彈性效應(yīng)：玻璃、塑料等非晶體在通常情況下是各向同性的，但在機械應(yīng)力（拉力或壓力）作用下會變成各向異性而顯示雙折射現(xiàn)象，這就是光彈性效應(yīng)。利用光彈性效應(yīng)來研究應(yīng)力分布方法已經(jīng)成為一個專門的學(xué)科，稱為光測彈性力學(xué)。2-5光路分析的基本規(guī)律第二十四頁，共223頁。光調(diào)制的分類：內(nèi)調(diào)制、外調(diào)制內(nèi)調(diào)制：將待傳輸信號直接加載于光源，以改變光源的輸出特性來實現(xiàn)調(diào)制。實例：半導(dǎo)體激光器電源激光器諧振腔外調(diào)制：在光源外的光路上放置調(diào)制器，將待傳輸信號加載于調(diào)制器上，來實現(xiàn)調(diào)制。解調(diào)：從已調(diào)制信號中恢復(fù)原始信號的過程，調(diào)制的逆過程。2-6光輻射調(diào)制概述第二十五頁，共223頁。調(diào)制的作用：使光信號攜帶信息、抑制背景干擾、抑制系統(tǒng)固有噪聲和外部電磁干擾。光輻射調(diào)制的基本原理調(diào)制的形式：模擬調(diào)制、脈沖調(diào)制、數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制：信息信號連續(xù)改變載波的強度、頻率、相位或偏振（載波是模擬信號）。特點：信息信號的幅度與波參數(shù)的幅度之間一一對應(yīng)。模擬調(diào)制形式：調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、調(diào)相（PM）。2-6光輻射調(diào)制概述第二十六頁，共223頁。模擬調(diào)制的原理強度調(diào)制：振幅調(diào)制：頻率調(diào)制：2-6光輻射調(diào)制概述第二十七頁，共223頁。脈沖調(diào)制載波：對信息信號的幅度按一定規(guī)律間隔取樣，用脈沖序列作載波（載波是脈沖序列）。方法：脈沖的幅度、寬度、頻率或位置隨信息信號的幅度變化。分類：脈沖調(diào)幅（PAM）、脈沖調(diào)寬（PWM）、脈沖調(diào)頻（PFM）、脈沖調(diào)位（PPM）。2-6光輻射調(diào)制概述第二十八頁，共223頁。脈沖調(diào)制脈沖幅度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制脈沖頻率調(diào)制脈沖位置調(diào)制信息信號2-6光輻射調(diào)制概述第二十九頁，共223頁。數(shù)字調(diào)制方式：把信息以編碼形式轉(zhuǎn)變位脈沖序列特點：脈沖在時間上固定，幅度被量化優(yōu)點：效率高、失真小；抑制噪聲能力強、精度高；系統(tǒng)易于實現(xiàn)。2-6光輻射調(diào)制概述第三十頁，共223頁。聲光調(diào)制概念：彈光效應(yīng)：當(dāng)一塊各向同性的透明介質(zhì)受外力作用時，介質(zhì)的折射率會發(fā)生變化。聲光效應(yīng)：聲波是一種機械應(yīng)力彈性波，當(dāng)超聲波作用于介質(zhì)時，也會引起彈光效應(yīng)。通常把超聲波引起的彈光效應(yīng)稱為聲光效應(yīng)。聲光柵：當(dāng)超聲波在聲光介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)密度呈疏密的交替變化，這會導(dǎo)致折射率大小的交替變化。這樣，可以把超聲波作用下的介質(zhì)等效為一塊“相位光柵”，即聲光柵。光柵的條紋間隔等于超聲波的波長λs。聲光衍射：聲光柵與光學(xué)條紋光柵相似，當(dāng)入射光束通過該介質(zhì)時，則入射光波被聲光柵衍射。衍射光束的強度、頻率和方向等都隨著超聲場的變化而變化。2-6光輻射調(diào)制概述第三十一頁，共223頁。電光調(diào)制電光調(diào)制是利用某些晶體材料在外加電場作用下折射率發(fā)生變化的電光效應(yīng)而進行工作的。用來作調(diào)制元件的晶體必須按相對于光軸的一些特殊方向切割成長方形或圓柱形等形狀。當(dāng)電場加在晶體上時，其折射率的變化可能產(chǎn)生線性效應(yīng)（普克爾效應(yīng)）或平方效應(yīng)（克爾效應(yīng)）。加電場的方向通常有兩種方式：一是電場沿著晶體主軸z軸（光軸方向），使電場方向與光線方向平行，產(chǎn)生縱向電光效應(yīng)；二是電場沿晶體任一主軸x軸或y軸或z軸加到晶體上，而取通光方向與電場方向相垂直，即產(chǎn)生橫向電光效應(yīng)。2-6光輻射調(diào)制概述第三十二頁，共223頁。橫向電光調(diào)制器原理線性電光效應(yīng)：某些晶體的o光和e光在橫向電壓作用下產(chǎn)生的位相差與電壓值成線性zy'-x'dLV2-6光輻射調(diào)制概述第三十三頁，共223頁。電光效應(yīng)

某些各向同性的透明介質(zhì)（如氣體、液體和玻璃態(tài)固體）在電場作用下顯示出光學(xué)各向異性，物質(zhì)的折射率因外加電場而發(fā)生變化的現(xiàn)象為電光效應(yīng)。有些各向異性介質(zhì)在外力作用下會改變雙折射性質(zhì)，這類現(xiàn)象稱為人為雙折射現(xiàn)象2-6光輻射調(diào)制概述第三十四頁，共223頁。激光技術(shù)發(fā)展史1.1917年：愛因斯坦在《關(guān)于輻射的量子力學(xué)?一文預(yù)言了原子受激輻射發(fā)光的可能性，即存在激光的可能性;2.20世紀(jì)50年代：湯斯和肖洛的光激射器理論；激光器方案的提出；3.

1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一臺激光器；4.1960年至今：激光技術(shù)飛速發(fā)展。

Laser－“激光”Laser“通過受激輻射實現(xiàn)光放大”LightAmplificationofStimulatedEmissionofRadiation引言

第三十五頁，共223頁。激光是一種高亮度的定向能束，單色性好，發(fā)散角很小，具有優(yōu)異的相干性，既是光電測試技術(shù)中的最佳光源，也是許多測試技術(shù)的基準(zhǔn)。

激光的基本產(chǎn)生過程是通過受激輻射實現(xiàn)光放大，必要條件包括具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作物質(zhì)，在亞穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通過光學(xué)諧振器實現(xiàn)光放大3-1激光的基本性質(zhì)第三十六頁，共223頁。（1）自發(fā)輻射原子在沒有外界干預(yù)的情況下,電子會由處于激發(fā)態(tài)的高能級自動躍遷到低能級,這種躍遷稱為自發(fā)躍遷.由自發(fā)躍遷而引起的光輻射稱為自發(fā)輻射..發(fā)光前.。發(fā)光后3-1激光的基本性質(zhì)第三十七頁，共223頁。（2）受激吸收原子吸收外來光子能量,并從低能級躍遷到高能級,且,這個過程稱為光吸收.吸收后。.吸收前.3-1激光的基本性質(zhì)第三十八頁，共223頁。（3）受激輻射由受激輻射得到的放大了的光是相干光,稱之為激光.原子中處于高能級的電子,會在外來光子(其頻率恰好滿足)的誘發(fā)下向低能級躍遷,并發(fā)出與外來光子一樣特征的光子,這叫受激輻射...。發(fā)光前發(fā)光后受激輻射的光放大示意圖3-1激光的基本性質(zhì)第三十九頁，共223頁。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布表明,處于低能級的電子數(shù)大于高能級的電子數(shù),這種分布叫做粒子數(shù)的正常分布.叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布.已知粒子數(shù)的正常分布.....。。。。。。。。。。。。。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布...............。。。。。3-1激光的基本性質(zhì)第四十頁，共223頁。要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須具備一定條件：一是要具備必要的能源（如光源、電源等），把低能級上原子盡可能多的激發(fā)到高能級上去，這個過程叫做“激勵”、“激發(fā)”或者叫“抽運”、“泵浦”；二是必須選取能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，這種物質(zhì)具有合適的能級結(jié)構(gòu)，即具有亞穩(wěn)態(tài)，這種物質(zhì)稱為激活介質(zhì)。產(chǎn)生激光的基本條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布3-1激光的基本性質(zhì)第四十一頁，共223頁。有些物質(zhì)具有亞穩(wěn)態(tài)，它不如基態(tài)穩(wěn)定，但比較激發(fā)態(tài)要穩(wěn)定得多，如紅寶石中絡(luò)離子、氦原子、氬原子、二氧化碳等粒子中都存在亞穩(wěn)態(tài)，具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)，就能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)的工作物質(zhì)3-1激光的基本性質(zhì)第四十二頁，共223頁。1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)E2E0E1激勵抽運E3能量粒子數(shù)E2E1E0N2N1N0N3E3四能級系統(tǒng)2.光學(xué)諧振腔激勵能源全反射鏡部分反射鏡激光激光原理受激輻射四能級系統(tǒng)3-1激光的基本性質(zhì)第四十三頁，共223頁。紅寶石中鉻離子能級示意圖..。?；鶓B(tài)亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)態(tài)

當(dāng)紅寶石受到強光照射時，鉻離子被激勵，使處于基態(tài)的大量鉻離子吸收光能而躍遷到激發(fā)態(tài)上，被激發(fā)的鉻離子在能級上的平均壽命很短，約為，所以很快轉(zhuǎn)移到能級上，此能級壽命較長（10-3秒），因而不立即以自發(fā)輻射的方式返回基態(tài)3-1激光的基本性質(zhì)第四十四頁，共223頁。光學(xué)諧振腔與閾值條件激活介質(zhì)本身不是一臺激光器，在激活介質(zhì)內(nèi)部受激輻射與自發(fā)輻射是同時存在的，且后者占主導(dǎo)地位。即使在工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布情況下，所獲得光的強度是很弱的，沒有實用價值。設(shè)計一種裝置，使在某一方向上的受激輻射不斷得到放大和加強，就是說，使受激輻射在某一方向上產(chǎn)生振蕩，而將其它方向傳播的光抑制住，以致在這一特定方向超過自發(fā)輻射，這樣就能在這一方向上實現(xiàn)受激輻射占主導(dǎo)地位的情況，從而獲得方向性和單色性很好的強光——激光，這種裝置叫做光學(xué)諧振腔。3-1激光的基本性質(zhì)第四十五頁，共223頁。實現(xiàn)光振蕩，有放大元件、正反饋系統(tǒng)、諧振系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)。在激光器中，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)就是放大元件，而光學(xué)諧振腔就起正反饋、諧振和輸出的作用工作物質(zhì)兩端，分別放置一塊全反射鏡和一塊部分反射鏡（兩反射面可以是平面、凹球面，或一平一凹），它們相互平行，且垂直于工作物質(zhì)的軸線，這樣的裝置就能起到光學(xué)諧振腔的作用。3-1激光的基本性質(zhì)第四十六頁，共223頁。光在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)中往返傳播,使諧振腔內(nèi)的光子數(shù)不斷增加,從而獲得很強的光,這種現(xiàn)象叫做光振蕩.加強光須滿足駐波條件..........激光光束全反射鏡光學(xué)諧振腔示意圖部分透光反射鏡3-1激光的基本性質(zhì)第四十七頁，共223頁。3-1激光的基本性質(zhì)第四十八頁，共223頁。在有了激活介質(zhì)和諧振腔的條件下還不一定能產(chǎn)生激光，因為光在諧振腔內(nèi)來回反射的過程中，對光強變化的影響存在兩個獨立因素：（1）激活介質(zhì)中光的增益，它使光強變大；（2）端面上光的損耗（包括衍射、吸收、透射等），它使光強變小。要使光強在諧振腔內(nèi)來回反射的過程中不斷得到加強，就必須使增益大于損耗，這就是閾值條件。3-1激光的基本性質(zhì)第四十九頁，共223頁。激光準(zhǔn)直測量原理直線度誤差是指被測實際輪廓線相對于理想直線的變 動量；直線度測量是平面度、平行度、垂直度等幾 何量測量的基礎(chǔ)傳統(tǒng)方法:建筑:垂線法,拉鋼絲法大型設(shè)備安裝:拉鋼絲法木工:劃線法機械加工:鉗工的劃線法,定位傳統(tǒng)方法的特點:簡單,直觀,垂線法,拉鋼絲法易受環(huán)境因素影響,精度低第五十頁，共223頁。激光準(zhǔn)直技術(shù)具有拉鋼絲法的直觀性、簡單性和普通光學(xué)準(zhǔn)直的精度，并可實現(xiàn)自動控制?，F(xiàn)有的激光準(zhǔn)直儀按照工作原理可以分為1)振幅測量法2)干涉測量法3)偏振測量法第五十一頁，共223頁。1.振幅（光強）測量法利用激光的能量中心及其光強分布實現(xiàn)直線度測量其基本原理:原理：振幅測量型準(zhǔn)直儀以激光束的強度中心作為直線基準(zhǔn)，在需要準(zhǔn)直的點上用光電探測器接收。探測器輸出對中和偏心信號。這種方法比用人眼通過望遠鏡瞄準(zhǔn)方便，瞄準(zhǔn)的不確定度上也有一定的提高，但其準(zhǔn)直度受到激光束漂移、光束截面上強度分布不對稱、探測器靈敏度不對稱，以及空氣擾動造成的光斑跳動等的影響。第五十二頁，共223頁。缺點:激光器的光束漂移光束的非均勻性探測器靈敏度不對稱空氣的折射率梯度氣流的擾動等影響第五十三頁，共223頁。(1)菲涅耳波帶片法強分布均勻,當(dāng)激光束通過望遠系統(tǒng)后，均勻地照射在方形波帶片上，并使其充滿整個波帶片，則在光軸的某一位置出現(xiàn)一個很細的十字亮線。調(diào)節(jié)望遠系統(tǒng)的焦距，則十字亮線就會出現(xiàn)在光軸的不同位置上，這些十字亮線中心點的連線為一直線，這條線可作為基準(zhǔn)來進行準(zhǔn)直測量。由于十字亮線是干涉的效果，所以具有良好的抗干擾性。同時，還可克服光強分布不對稱的影響。第五十四頁，共223頁。(2)位相板法在激光束中放一塊二維對稱位相板，它由四塊扇形涂層組成，相鄰?fù)繉庸獬滩顬棣?2（即位相差π）。在位相板后面的光束任何截面上都出現(xiàn)暗十字條紋。暗十字線的中心連線是一條直線，利用這條直線作基準(zhǔn)可直接進行準(zhǔn)直測量。若在暗十字中心處插一方孔PA，在孔后的屏幕PB上可觀察到一定的衍射分布。假若方孔中心與光軸有偏移，那么在PB上的衍射圖像就不對稱。這些亮點強度的不對稱隨著孔的偏移而增加。因此，這個偏移的大小和方向可以通過測量PB上的四個亮點的強度來獲得。

激光器位相板方孔PA屏幕PB1432位相板法激光準(zhǔn)直測量原理第五十五頁，共223頁。激光準(zhǔn)直測試技術(shù)的應(yīng)用②直線度的測試激光頭光電靶標(biāo)機床床身

測量機床床身直線度的激光準(zhǔn)直系統(tǒng)

第五十六頁，共223頁。用激光準(zhǔn)立儀制導(dǎo)鏜內(nèi)孔生產(chǎn)上自動控制第五十七頁，共223頁。3-5激光多普勒測速技術(shù)概述1842年奧地利科學(xué)家Doppler等人首次發(fā)現(xiàn)，任何形式的波傳播，波源、接收器、傳播介質(zhì)或散射體的運動會使頻率發(fā)生變化——多普勒效應(yīng)。1964年，Yeh和Cummins觀察到水流中粒子的散射光有頻移，首次證實了可用激光多普勒頻移技術(shù)來確定粒子流動速度。目前，激光多普勒頻移技術(shù)已廣泛地應(yīng)用到流體力學(xué)、空氣動力學(xué)、燃燒學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及工業(yè)生產(chǎn)中的速度測量。第五十八頁，共223頁。1.多普勒效應(yīng)當(dāng)波源與觀測者之間有相對運動時，觀測者所接收到的頻率不等于波源振動頻率，此現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。多普勒在其聲學(xué)理論中指出，在聲源、介質(zhì)、觀測者存在相對運動時，觀測者接收到的聲波頻率與聲源頻率不同的現(xiàn)象就是聲學(xué)多普勒效應(yīng)。愛因斯坦在《論物體的電動力學(xué)》中指出，當(dāng)光源與觀測者有相對運動時，觀測者接收到的光波頻率與光源頻率不同，即存在光（電磁波）多普勒效應(yīng)。3-5激光多普勒測速技術(shù)第五十九頁，共223頁。聲學(xué)多普勒效應(yīng)與波源及觀測者相對于介質(zhì)運動有關(guān)，光學(xué)多普勒效應(yīng)只與光源和觀測者之間的相對運動有關(guān)，因此，聲學(xué)（機械波）和光學(xué)（電磁波）的多普勒效應(yīng)有本質(zhì)區(qū)別。3-5激光多普勒測速技術(shù)第六十頁，共223頁。4-2激光干涉原理與條件1．干涉原理光干涉的基礎(chǔ)是光波的疊加原理。由波動光學(xué)知道，兩束相干光波在空間某點相遇而產(chǎn)生的干涉條紋光強分布為：位相差兩光束到達某點的光程差滿足的光程差相同的點形成的亮線叫亮紋。滿足的光程差相同的點形成的暗線叫暗紋，亮紋和暗紋組成干涉條紋。其中m是干涉條紋的干涉級次。第六十一頁，共223頁。2．干涉條件通常能夠產(chǎn)生干涉的兩列光波必須滿足三個基本相干條件：頻率相同振動方向相同恒定的位相差在實際應(yīng)用中，有時需要有意識地破壞上述條件。比如在外差干涉測量技術(shù)中，在兩束相干光波中引入一個小的頻率差，引起干涉場中的干涉條紋不斷掃描，經(jīng)光電探測器將干涉場中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由電路和計算機檢出干涉場的位相差。靜態(tài)穩(wěn)定干涉場的條件4-2激光干涉原理與條件第六十二頁，共223頁。影響干涉條紋對比度的因素小結(jié)：對于所有類型的干涉儀，干涉條紋圖樣對比度降低的普遍原因是：光源的時間相干性；光源的空間相干性；相干光束的光強不等；雜散光的存在；各光束的偏振狀態(tài)差異；振動、空氣擾動、干涉儀結(jié)構(gòu)的剛性不足等。4-2激光干涉原理與條件第六十三頁，共223頁。4-4激光全息干涉測試技術(shù)全息術(shù)及其基本原理概念：全息的概念早在1948年就由英國的Gabor提出。所謂全息就是在攝影底片上同時記錄物光波的振幅和位相的全部信息，通過再現(xiàn)，可以獲得物光波的立體像。全息術(shù)是一種兩步成像技術(shù)：記錄，即以干涉條紋的形式在底片上存儲被攝物體的光強和位相；再現(xiàn)，即用光衍射原理來重現(xiàn)被記錄物體的三維形狀。第六十四頁，共223頁。全息術(shù)及其基本原理全息術(shù)與普通照相相比具有以下特點：三維性。全息術(shù)能獲得物體的三維信息，成立體像。抗破壞性。全息圖的一部分就可以再現(xiàn)出物體的全貌，僅成像的亮度降低、分辨力下降，而且全息圖不怕油污和擦傷。信息容量大。光學(xué)系統(tǒng)簡單，原則上無須透鏡成像。4-4激光全息干涉測試技術(shù)第六十五頁，共223頁。全息術(shù)及其基本原理①全息圖的記錄設(shè)參考光波為因為參考光波是平面波，則振幅恒定，位相隨y值變，以O(shè)點為參考，任一點

P(x,y)的位相將比入射到

O點光波的位相延遲了令則有θ

全息底片物光波OP參考光波zy圖4-19全息圖的記錄過程圖示4-4激光全息干涉測試技術(shù)第六十六頁，共223頁。全息術(shù)及其基本原理①全息圖的記錄對于物體光波，由于入射到全息底片上各點的振幅和位相均為(x,y)的函數(shù)，故P(x,y)點物體光波電場分布為注意與參考光波的比較全息底片僅對光強起反應(yīng)，而光強可表示為光波振幅的平方，即該式表明，全息底片上的光強分布按正弦規(guī)律分布，而且干涉條紋的亮度和形狀主要由物光波決定，因此物體光波的振幅和相位以光強的形式記錄在全息底片上。全息底片經(jīng)過顯影和定影處理后，就成為全息圖(又稱全息干板)。4-4激光全息干涉測試技術(shù)第六十七頁，共223頁。4-4激光全息干涉測試技術(shù)3.1全息術(shù)及其基本原理②物光波的再現(xiàn)如果用和參考光一樣的光波再現(xiàn)全息圖，則得到的透射光波為在整個全息圖上近似為常數(shù)，則該項正好是一個常數(shù)乘上一個物體光波，它表示一個與物體光波相同的透射光波，這個光波具有原始光波所具有的一切性質(zhì)，如果迎著該光波觀察就會看到一個和原來一模一樣的“物體”。所以，這個透射光波是原始物體波前的再現(xiàn)。由于再現(xiàn)時實際物體并不存在，該像只是衍射光線的反向延長線所構(gòu)成，稱之為原始物體的虛像或原始像。

全息底片虛像O照明光波zy圖4-21物光波的再現(xiàn)圖示

再現(xiàn)物波該項也含有物體光波的振幅和位相信息，但是它和物光波前進方向不同，這可以從位相項中看出。它所表示的光波是比照明光波更偏離z軸的光束波前。前的負號預(yù)示著再現(xiàn)光波對原始物體光波在相位上是共軛的，即從波前來講，若原來物體光波是發(fā)散的話，則該光波將是會聚的。此處，原來物體光波是發(fā)散的，所以，這一項所表示的光波在全息圖后邊某處形成原始物體的一個實像。

該項是在照明光束方向傳播的光波，它經(jīng)過全息圖后不偏轉(zhuǎn)，但是振幅會發(fā)生變化。

第六十八頁，共223頁。全息術(shù)及其基本原理②物光波的再現(xiàn)如果再現(xiàn)過程中用另外方向的光束作為照明光波，再現(xiàn)像會隨之變化。全息底片實像（共軛像）O照明光波zy圖4-22物光波的再現(xiàn)圖示虛像（原始像）實像O照明光波zy圖4-23物光波的再現(xiàn)圖示虛像重要性質(zhì)：由圖明顯看出，由于全息圖記錄的是物體光波和參考光波產(chǎn)生的干涉條紋，它分布于整個全息圖上，因此，如果全息圖缺損一部分，僅減少了干涉條紋所占的面積，降低了再現(xiàn)象的亮度和分辨力，而對再現(xiàn)像的位置和形狀是毫無影響的。這就是說，全息圖對缺損、劃傷、油污、灰塵等沒有嚴(yán)格要求，這一點在應(yīng)用中具有重要意義。4-4激光全息干涉測試技術(shù)第六十九頁，共223頁。全息干涉測試技術(shù)全息干涉測試技術(shù)是全息術(shù)應(yīng)用于實際最早也是最成熟的技術(shù)，它把普通的干涉測試技術(shù)同全息術(shù)結(jié)合起來，具有許多獨特的優(yōu)勢：1）全息干涉技術(shù)則能夠?qū)θ我庑螤詈痛植诒砻娴娜S表面進行測量，測量不確定度可達光波波長數(shù)量級。2）全息圖的再現(xiàn)像具有三維性質(zhì)，因此全息干涉技術(shù)可以從不同視角觀察一個形狀復(fù)雜的物體，一個干涉全息圖相當(dāng)于用一般干涉進行多次觀察。3）全息干涉技術(shù)是比較同一物體在不同時刻的狀態(tài)，因此，可以測試該段時間內(nèi)物體的位置和形狀的變化。4）全息干涉圖是同一被測物體變化前后的狀態(tài)的記錄，不需要比較基準(zhǔn)件，對任意形狀和粗糙表面的測試比較有利。4-4激光全息干涉測試技術(shù)第七十頁，共223頁。全息干涉測試技術(shù)①靜態(tài)二次曝光全息干涉法原理：二次曝光全息干涉法是將兩個具有一定位相差的光波分別與同一參考光波相干涉，分兩次曝光記錄在同一張全息底片上。當(dāng)用與參考光完全相同的再現(xiàn)光照射該全息圖時，就可以再現(xiàn)出兩個互相重疊的具有一定位相差的物光波。當(dāng)迎著物光波觀察時，就可以觀察到在再現(xiàn)物體上產(chǎn)生的干涉條紋。4-4激光全息干涉測試技術(shù)第七十一頁，共223頁。全息干涉測試技術(shù)②實時法全息干涉原理：將對物體曝光一次的全息圖經(jīng)顯影和定影處理后在原來攝影裝置中精確復(fù)位，再現(xiàn)全息圖時，再現(xiàn)像就重疊在原來的物體上。若物體稍有位移或變形，就可以看到干涉條紋。設(shè)物光波和參考光波在全息底片上形成的光場分布分別為：經(jīng)過曝光、顯影和定影處理后得到的全息底片透射率分布為：

4-4激光全息干涉測試技術(shù)第七十二頁，共223頁。全息干涉測試技術(shù)②實時法全息干涉把經(jīng)過處理后獲得的全息圖復(fù)位，并用原參考光波R和變形后的物光波A1同時照射全息圖，設(shè)變形后的物光波透過全息圖的光場復(fù)振幅分布是

物光A參考光R全息圖a)記錄過程物物光A1再現(xiàn)光R全息圖b)再現(xiàn)過程變形后物ⅢⅠ,ⅥⅡ,ⅣⅤ實時法全息圖的記錄與波面再現(xiàn)4-4激光全息干涉測試技術(shù)第七十三頁，共223頁。全息干涉測試技術(shù)③時間平均法多次曝光全息干涉技術(shù)的概念可以推廣到連續(xù)曝光這一極限情況，結(jié)果得到所謂的時間平均全息干涉測試技術(shù)。這種方法是對周期性振動物體做一次曝光而形成。當(dāng)記錄的曝光時間大于物體振動周期時，全息圖上就會有效地記錄許多像的總效果，物體振動的位置和時間平均相對應(yīng)。當(dāng)這些光波又重新再現(xiàn)出來時，它們在空間上必然要相干疊加。由于物體上不同點的振幅不同而引起的再現(xiàn)波相位不同，疊加結(jié)果是再現(xiàn)像上必然會呈現(xiàn)和物體的振動狀態(tài)相對應(yīng)的干涉條紋，亦即產(chǎn)生和振動的振幅相關(guān)的干涉條紋。其再現(xiàn)像光強分布為時間平均全息干涉技術(shù)是研究正弦振動的最好工具，也可以用于研究非正弦運動，是振動分析的基本手段。4-4激光全息干涉測試技術(shù)第七十四頁，共223頁。全息干涉測試技術(shù)④計算全息干涉技術(shù)含義：全息圖是具有黑度連續(xù)變化的照片。如果不用實際物體來形成黑度變化，而是用數(shù)字計算機來實現(xiàn)這些連續(xù)的黑度變化，就有可能利用計算機人為地制造一個想象中的物體。所謂的計算全息就是利用計算機產(chǎn)生全息圖。優(yōu)勢：計算全息技術(shù)為精密測試提供了一個制作標(biāo)準(zhǔn)的嶄新途徑。例如，非球面的檢測、各種復(fù)雜三維形狀的檢測等，可以人為地制作一個標(biāo)準(zhǔn)的非球面波面來檢驗工件，為大型精密加工、汽車、航空航天、造船等工業(yè)的輪廓檢驗提供了新手段。同時，計算全息技術(shù)也為光學(xué)濾波、信息存儲等光學(xué)信息處理提供了新途徑。4-4激光全息干涉測試技術(shù)第七十五頁，共223頁。

全息干涉測試技術(shù)應(yīng)用全息技術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的光學(xué)分支，其應(yīng)用滲透到各個領(lǐng)域，已成為近代科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟生活中十分有效的測試手段，廣泛應(yīng)用于位移測量、應(yīng)變測量、缺陷檢測、瞬態(tài)測試等方面，在某些領(lǐng)域里的應(yīng)用具有很大優(yōu)勢。①缺陷檢測試件物光束1全息底片H1全息底片H2物光束2參考光束1參考光束2圖4-27全息干涉法檢測復(fù)合材料兩表面缺陷光路圖4-4激光全息干涉測試技術(shù)第七十六頁，共223頁。

全息干涉測試技術(shù)應(yīng)用③計算全息用于檢測非球面激光B1B2PHOFM2M3M1檢驗非球面的計算全息干涉儀4-4激光全息干涉測試技術(shù)第七十七頁，共223頁。激光外差干涉測試技術(shù)應(yīng)用①激光外差干涉測長數(shù)據(jù)處理雙頻激光器1/4波片準(zhǔn)直系統(tǒng)可動角隅棱鏡檢偏器v探測器

前置放大器f2f1f1±Δff2f1f2f1±Δf

雙頻激光器外差干涉測長原理圖偏振分光鏡f2－f1f2－（f1±Δf）4-5激光外差干涉測試技術(shù)第七十八頁，共223頁。激光外差干涉測試技術(shù)應(yīng)用②激光外差干涉測量微振動f0f0＋fs12341/2波片510671/4波片9振動體

雙頻激光測量振動光路示意圖8f0±fD

方解石棱鏡及1/4波片的作用是使測量光束的光路既作發(fā)射光路，又作接收光路。通過o光和e光在方解石中光路的不同，起到“光學(xué)定向耦合”作用，使發(fā)射與接收的光無損失地通過方解石棱鏡(不考慮光吸收損失)。

頻率fs信號由聲光調(diào)制器的信號源直接輸入混頻器與拍頻信號混頻，把多普勒頻移fD解調(diào)出來。

4-5激光外差干涉測試技術(shù)第七十九頁，共223頁。激光外差干涉測試技術(shù)應(yīng)用③激光外差干涉在精密定位中的應(yīng)用

平面鏡干涉系統(tǒng)光路圖平面鏡干涉系統(tǒng)傾斜光路圖該干涉儀系統(tǒng)有以下兩個特點：(1)儀器分辨力由于多普勒頻差增加一倍而增加一倍；

(2)平面反射鏡相對于光軸的任何偏斜只會使反射回的光束偏移，而不會偏斜。4-5激光外差干涉測試技術(shù)第八十頁，共223頁。一.激光衍射測量原理衍射/繞射:光波在傳播過程中遇到障礙物時，會偏離原來的傳播方向，繞過障礙物的邊緣而進入幾何陰影區(qū)，并在障礙物后的觀察屏上呈現(xiàn)光強的不均勻分布，這種現(xiàn)象稱為光的衍射。使光波發(fā)生衍射的障礙物或者其它能使入射光波的振幅或位相分布發(fā)生某種變化的光屏稱為衍射屏。波能夠繞過障礙物而彎曲地向它后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象，稱為波的衍射現(xiàn)象波:

聲、光、電磁、機械波障礙物：大小、形狀對現(xiàn)象均有影響現(xiàn)象：與波的波長、障礙物的大小、光源/觀察的位置有關(guān)4-8激光衍射測試技術(shù)概述第八十一頁，共223頁。光的波長短，對很小的縫隙/屏才有明顯的衍射現(xiàn)象，激光出現(xiàn)后，衍射現(xiàn)象才實際應(yīng)用到測量中：1973年Canada國家研究所T.R.Pryer提出了激光衍射測量的方法衍射測量的特點：全場，非接觸，穩(wěn)定性好，自動化程度高，精度高4-8激光衍射測試技術(shù)概述第八十二頁，共223頁。1.菲涅耳和夫瑯和費衍射劃分：按光源、障礙物/衍射物，觀察屏三者之間的距離或位置劃分菲涅耳衍射和夫瑯和費衍射（1）菲涅耳衍射/近場衍射光源—障礙物—接收屏距離為有限遠

（2）夫瑯和費衍射/遠場衍射光源—障礙物—接收屏距離為無限遠

4-8激光衍射測試技術(shù)概述第八十三頁，共223頁。1.菲涅耳和夫瑯和費衍射夫瑯和費衍射是我們衍射測量的基本原理其常用的光路圖如下：4-8激光衍射測試技術(shù)概述第八十四頁，共223頁。2、單縫測量原理（1）.單縫衍射現(xiàn)象其觀察屏的光強分布：有菲涅爾衍射原理有由基爾霍夫條件知：則光強分布：4-8激光衍射測試技術(shù)概述第八十五頁，共223頁。（2）、單縫測量原理單縫衍射的特點：1）中央明紋最亮、最寬，它的寬度為其他各級明紋寬度的兩倍2）次級明紋的光強隨級次的增加而逐漸減小

3）若光程差不等于λ/2

的整數(shù)倍，亮度介于最明與最暗之間。4）條紋的方向平行于縫的方向5）暗條紋β=kπ

即4-8激光衍射測試技術(shù)概述第八十六頁，共223頁。（2）.單縫測量的原理當(dāng)θ不大時則有:由暗條紋現(xiàn)的公式知:4-8激光衍射測試技術(shù)概述第八十七頁，共223頁。（2）.單縫測量的原理由此可以得出以下結(jié)論:測定LXk的大小,就能計算狹縫寬度測定bXk的大小,就能計算L的大小如果Xk變化,L已知,反映了狹縫的變化,可實現(xiàn)在線測量由公式可知,暗條紋間距為固定值所以通過測量條紋間距,也可以測量以上各值4-8激光衍射測試技術(shù)概述第八十八頁，共223頁。測量量程一般d的寬度取0.01mm-0.5mm4-8激光衍射測試技術(shù)概述第八十九頁，共223頁。二.激光衍射測量方法衍射測量根據(jù)夫瑯和費狹縫衍射原理進行測量：常用的測量方法主要有：1、間隙測量法2、反射衍射測量法3、分離間隙法4、互補測屏法5、愛里斑測量法6、衍射頻譜檢測法4-9激光衍射測試方法第九十頁，共223頁。1、間隙測量法間隙法主要運用單縫衍射原理，通過測量某一暗條紋的距離，通過公式，計算出被測量的大小。主要分：尺寸比較形貌測量c.傳感器可以測量應(yīng)力/應(yīng)變，溫度，壓力，加速度等4-9激光衍射測試方法第九十一頁，共223頁。1、間隙測量法測量出某一暗條紋的位置后,利用衍射公式,計算出變化量的多少.也可以通過計數(shù)某一位置(衍射角度固定),衍射條紋數(shù)的變化條數(shù)計算第一種,為絕對測量法第二種為增量測量法4-9激光衍射測試方法第九十二頁，共223頁。1、間隙測量法基本的間隙法測量裝置:測量應(yīng)變裝置:4-9激光衍射測試方法第九十三頁，共223頁。a)比較測量b）測量輪廓c）測量應(yīng)變間隙測量法的應(yīng)用參考邊b參考邊工件激光b參考物試件b激光激光P3、分離間隙法4-9激光衍射測試方法第九十四頁，共223頁。2、反射衍射測量法反射衍射法是利用試件棱緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進行衍射測量的。由于平面鏡作用,相當(dāng)于虛線的光源發(fā)出的光照射,則兩端線光程差為:根據(jù)衍射條件知:光程差為波長整數(shù)倍,出現(xiàn)暗條紋,即θPAA′L2bb棱緣鏡像棱緣反射表面接收屏反射衍射法原理圖xkφ4-9激光衍射測試方法第九十五頁，共223頁。2、反射衍射測量法將右式展開:則有帶入所以有:θ為任意值，可以測量某角度下的不同級數(shù)暗條紋的位置X，連立方程求解4-9激光衍射測試方法第九十六頁，共223頁。2、反射衍射測量法特點：

1、靈敏度提高一倍

2、入射光可以以一定角度入射，布置方便應(yīng)用：表面質(zhì)量評價、直線性測定、間隙測定等4-9激光衍射測試方法第九十七頁，共223頁。反射衍射測量法θ角一般是任意的，測得某一入射角θ位置的兩個xk值代入公式，聯(lián)立解出θ值和b值。從實例可見，該法易于實現(xiàn)檢測自動化，其檢測靈敏度可達2.5～0.025μm。光電器件磁盤磁頭θb)測量磁盤系統(tǒng)的間隙c)直線性偏差θ試件標(biāo)準(zhǔn)反射面θ試件標(biāo)準(zhǔn)刃邊a)評價表面質(zhì)量反射衍射法應(yīng)用實例4-9激光衍射測試方法第九十八頁，共223頁。莫爾測試技術(shù)引言：莫爾（Moire）一詞在法文中的原意是表示水波紋或波狀花紋。當(dāng)薄的兩層絲綢重疊在一起并作相對運動時，則形成一種漂動的水波型花樣，當(dāng)時就將這種有趣的花樣叫做莫爾條紋。一般來說，任何兩組（或多組）有一定排列規(guī)律的幾何線族的疊合，均能產(chǎn)生按新規(guī)律分布的莫爾條紋圖案。1874年英國物理學(xué)家瑞利首次將莫爾圖案作為一種計測手段，根據(jù)條紋形態(tài)來評價光柵尺各線紋間的間隔均勻性，從而開創(chuàng)了莫爾測試技術(shù)。隨著光刻技術(shù)和光電子技術(shù)水平的提高，莫爾技術(shù)獲得較快發(fā)展，在位移測試、數(shù)字控制、伺服跟蹤、運動比較等方面有廣泛的應(yīng)用。第九十九頁，共223頁。莫爾測試技術(shù)1.1莫爾測試技術(shù)基礎(chǔ)在莫爾測試技術(shù)中，通常利用兩塊光柵（稱做光柵付）或光柵的兩個像的重疊產(chǎn)生莫爾條紋，以獲取各種被測量的信息。莫爾條紋的形成，實質(zhì)是光通過光柵時光的衍射和干涉的結(jié)果。在不同場合，可以有多種解釋方式。①幾何光學(xué)原理如果所用的光源為非相干光源，光柵為節(jié)距較大的黑白光柵，光柵付柵線面之間間隙較小時，通常可以按照光是直線傳播的幾何光學(xué)原理，利用光柵柵線之間的遮光效應(yīng)來解釋莫爾條紋的形成，并推導(dǎo)出光柵付結(jié)構(gòu)參數(shù)與莫爾條紋幾何圖形的關(guān)系。第一百頁，共223頁。莫爾測試技術(shù)1.1莫爾測試技術(shù)基礎(chǔ)①幾何光學(xué)原理N=0N=1N=-1N=0N=1a)節(jié)距不同b)柵線方向不同兩粗線光柵重疊形成莫爾條紋的原理0N′=4321第一百零一頁，共223頁。莫爾測試技術(shù)1.1莫爾測試技術(shù)基礎(chǔ)①幾何光學(xué)原理X莫爾條紋的幾何關(guān)系P1P2WYa)YθABDCEb)實際應(yīng)用中，兩柵的節(jié)距往往相同，即P1=P2=P。

光學(xué)放大作用。例如，θ=0.004弧度時（即14′），W=250P，節(jié)距放大倍率達250倍。第一百零二頁，共223頁。

光導(dǎo)纖維簡稱光纖，它是以特別的工藝?yán)傻募毥z。光纖透明、纖細，雖比頭發(fā)絲還細，卻具有能把光封閉在其中，并沿軸向進行傳播的特征。

5-1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)第一百零三頁，共223頁。圓柱形內(nèi)芯和包層組成，而且內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率5-1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)第一百零四頁，共223頁。斯乃爾定理當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時，發(fā)生折射（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：（c）全反射：5-1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)第一百零五頁，共223頁。1.數(shù)值孔徑（NA）入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個角度α的正弦值就稱為光纖的數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收性能。意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θi張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。 大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。 但數(shù)值孔徑太大，光信號畸變也越嚴(yán)重。5-2光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)第一百零六頁，共223頁。5-2光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)第一百零七頁，共223頁。把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置光受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，?jīng)信號處理系統(tǒng)得到被測量。光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理5-3光纖傳感器原理第一百零八頁，共223頁。光纖傳感器工作原理：光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。5-3光纖傳感器原理第一百零九頁，共223頁。(1)根據(jù)光纖在傳感器中的作用功能型（傳感型）非功能型（傳光型）拾光型5-4光纖傳感器分類第一百一十頁，共223頁。(a)功能型（全光纖型）光纖傳感器利用外界因素改變光纖的特征參量，從而對外界因素進行計量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)模Q為傳感型光纖傳感器，它具有傳、感合一的特點，信息的獲取和傳輸都在光纖之中。光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。 缺點：須用特殊光纖，成本高， 典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。

5-4光纖傳感器分類第一百一十一頁，共223頁。(b)非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。 優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。 缺點：靈敏度較低。 實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。傳光型光纖傳感器是指利用其他敏感元件測得的特征量，由光纖進行數(shù)據(jù)傳輸，它的特點是充分利用現(xiàn)有的傳感器，便于推廣應(yīng)用。5-4光纖傳感器分類第一百一十二頁，共223頁。(c)拾光型光纖傳感器

用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。典型例子： 光纖激光多普勒速度計 輻射式光纖溫度傳感器5-4光纖傳感器分類第一百一十三頁，共223頁。(2)根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式(a)強度調(diào)制型光纖傳感器(b)偏振調(diào)制光纖傳感器(c)頻率調(diào)制光纖傳感器(d)相位調(diào)制傳感器5-4光纖傳感器分類第一百一十四頁，共223頁。(a)強度調(diào)制型光纖傳感器

利用被測對象的變化引起敏感元件參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。應(yīng)用：壓力、振動、位移、氣體優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低。缺點:易受光源波動和連接器損耗變化等的影響其調(diào)制方式有1、微彎調(diào)制屬于功能型光纖調(diào)制2、透射調(diào)制屬于非功能型光纖調(diào)制3、反射調(diào)制屬于非功能型光纖調(diào)制5-4光纖傳感器分類第一百一十五頁，共223頁。3種強度調(diào)制原理示意圖5-4光纖傳感器分類第一百一十六頁，共223頁。（b）偏振調(diào)制光纖傳感器利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息原理：在外界因素作用下，使光的某一方向振動比其它方向占優(yōu)勢應(yīng)用： 電流、磁場傳感器：法拉第效應(yīng)； 電場、電壓傳感器：泡爾效應(yīng)； 壓力、振動或聲傳感器：光彈效應(yīng)； 溫度、壓力、振動傳感器：雙折射性優(yōu)點：可避免光源強度變化的影響，靈敏度高。5-4光纖傳感器分類第一百一十七頁，共223頁。（c）頻率調(diào)制光纖傳感器被測對象引起的光頻率的變化來進行監(jiān)測原理：單色光照射到運動物體上后，反射回來時，其頻移后的頻率為

f移后＝f0/(1-v/c)≒f0(1+v/c)式中：f為單色光頻率；c為光束；v為運動物體的速度。將此頻率的光與參考光共同作用于光探測器上，并產(chǎn)生差拍，經(jīng)頻譜分析器處理求出頻率變化，可推知速度。5-4光纖傳感器分類第一百一十八頁，共223頁。（d）相位調(diào)制傳感器被測對象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。相位調(diào)制原理示意圖5-4光纖傳感器分類第一百一十九頁，共223頁。

利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器； 利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器； 利用電致伸縮的電場、電壓傳感器利用Sagnac效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）優(yōu)點：靈敏度很高，缺點：特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，成本高。5-4光纖傳感器分類第一百二十頁，共223頁。光纖傳感器的特點（1）電絕緣。（2）抗電磁干擾。（3）非侵入性。（4）高靈敏度。（5）容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。

5-5光纖傳感器的特點與應(yīng)用第一百二十一頁，共223頁。光纖傳感器的應(yīng)用強度調(diào)制型： 基于彈性元件受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位移信號來檢測，常用于位移的光纖檢測技術(shù)；相位調(diào)制型： 利用光纖本身作為敏感元件；偏振調(diào)制型： 主要是利用晶體的光彈性效應(yīng)。光纖壓力傳感器5-5光纖傳感器的特點與應(yīng)用第一百二十二頁，共223頁。

（1）采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖膜片的中心撓度若利用Y形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關(guān)系。1Y形光纖2殼體3膜片與所加的壓力呈線性關(guān)系5-5光纖傳感器的特點與應(yīng)用第一百二十三頁，共223頁。傳感器的固有頻率可表示為式中,ρ――膜片材料的密度；

g――重力加速度。結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便，光源不夠穩(wěn)定或長期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影響。5-5光纖傳感器的特點與應(yīng)用第一百二十四頁，共223頁。(a)差動式膜片反射型光纖壓力傳感器1．輸出光纖2．輸入光纖3．輸出光纖4．膠5．膜片兩束輸出光的光強之比A―常數(shù)；p―待測量壓力輸出光強比I2/I1與膜片的反射率、光源強度等因素均無關(guān)5-5光纖傳感器的特點與應(yīng)用第一百二十五頁，共223頁。將上式兩邊取對數(shù)，在滿足(Ap)2≤1時，得到表明待測壓力與輸出光強比的對數(shù)呈線性關(guān)系。若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可獲得不同的測量范圍。5-5光纖傳感器的特點與應(yīng)用第一百二十六頁，共223頁。（b）光彈性式光纖壓力傳感器光彈性效應(yīng)：晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。1光源2、8起偏器3、91/4波長板4、10光彈性元件5、11檢偏器6光纖7自聚焦透鏡5-5光纖傳感器的特點與應(yīng)用第一百二十七頁，共223頁。在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測量振動、加速度5-5光纖傳感器的特點與應(yīng)用第一百二十八頁，共223頁。

（c）微彎式光纖壓力傳感基于光纖的微彎效應(yīng)，即由壓力引起變形器產(chǎn)生位移，使光纖彎曲而調(diào)制光強度。

1聚碳酸酯薄膜2可動變形板3固定變形板4、5光纖微彎式光纖水聽器探頭5-5光纖傳感器的特點與應(yīng)用第一百二十九頁，共223頁。例

透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器半導(dǎo)體的吸收光譜與材料的Eg有關(guān)，而Eg卻隨溫度的不同而不同。Eg與溫度t的關(guān)系可表示為：半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的上升而減小，亦即其本征吸收波長λg隨溫度的上升而增大。5-5光纖傳感器的特點與應(yīng)用第一百三十頁，共223頁。這個性質(zhì)反映在半導(dǎo)體的透光性上則表現(xiàn)為：當(dāng)溫度升高時，其透射率曲線將向長波方向移動。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的λg（t）相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強度將隨著溫度的升高而減小，即通過檢測透射光的強度或透射率，即可檢測溫度變化。相對發(fā)光強度透射率LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體透射率T1<T2<T3T3T1T2波長半導(dǎo)體透射測量原理5-5光纖傳感器的特點與應(yīng)用第一百三十一頁，共223頁。6-1光纖溫度檢測溫度檢測在工業(yè)生產(chǎn)中占所需檢測量的50％左右。光纖傳感技術(shù)在溫度測量中的應(yīng)用，已取得不少成就。利用不同原理研制的光纖溫度傳感器的種類很多，有晶體光纖溫度傳感器、半導(dǎo)體吸收光纖溫度傳感器、雙折射光纖溫度傳感器、光路遮斷式光纖溫度傳感器、熒光光纖溫度傳感器、Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)器光纖溫度傳感器、輻射式光纖溫度傳感器、分布參數(shù)式光纖溫度傳感器等，其中有些產(chǎn)品已經(jīng)商品化了。第一百三十二頁，共223頁。一、輻射式光纖溫度計工作原理輻射光纖溫度計是基于全輻射體輻射的原理來工作的：所有的物質(zhì)，當(dāng)它的溫度高于絕對零度時，均發(fā)出一定量的熱輻射，這種熱輻射的量取決于該物質(zhì)的溫度及其材料的輻射系數(shù)。理想全輻射體：6-1光纖溫度檢測第一百三十三頁，共223頁。真實物體光譜輻射度與溫度的關(guān)系真實物體的輻射出射度與溫度的關(guān)系三種輻射溫度計（1）單色輻射溫度計（2）全輻射溫度計（3）比色高溫計6-1光纖溫度檢測第一百三十四頁，共223頁。結(jié)構(gòu)：測溫探頭、傳送光纖、顯示儀表6-1光纖溫度檢測第一百三十五頁，共223頁。（1）測溫探頭：耦合效率是重要參數(shù)6-1光纖溫度檢測第一百三十六頁，共223頁。數(shù)值孔徑與距離系數(shù)的關(guān)系6-1光纖溫度檢測第一百三十七頁，共223頁。測溫探頭分為兩類（1）光導(dǎo)棒探頭（2）透鏡測溫探頭6-1光纖溫度檢測第一百三十八頁，共223頁。光纖傳感元件舉例6-1光纖溫度檢測第一百三十九頁，共223頁。傳送光纖一般由多根大芯徑、大數(shù)值孔徑的石英光纖束組成。信號處理裝置根據(jù)不同的測溫范圍選用不同的光電元件。6-1光纖溫度檢測第一百四十頁，共223頁。光纖高溫傳感器由高溫探頭、高低溫光纖耦合器、信號檢測和處理系統(tǒng)等幾部分組成。6-1光纖溫度檢測第一百四十一頁，共223頁。輻射式光纖溫度計的應(yīng)用（1）燃氣渦輪發(fā)動機中的應(yīng)用6-1光纖溫度檢測第一百四十二頁，共223頁。（2）電廠鍋爐滅火保護裝置中的應(yīng)用6-1光纖溫度檢測第一百四十三頁，共223頁。二、半導(dǎo)體光纖溫度計半導(dǎo)體光纖溫度計是由半導(dǎo)體吸收器、光纖、光源和包括光探測器的信號處理系統(tǒng)等組成。其體積小、靈敏度高、工作可靠、容易制作，且沒有雜散光損耗，可以應(yīng)用于高壓電力裝置中的溫度測量。1.工作原理利用某些半導(dǎo)體材料的光吸收隨著溫度的變化而變化的特性進行測溫。6-1光纖溫度檢測第一百四十四頁，共223頁。吸收波長隨溫度的變化曲線6-1光纖溫度檢測第一百四十五頁，共223頁。2.測量裝置結(jié)構(gòu)6-1光纖溫度檢測第一百四十六頁，共223頁。應(yīng)用舉例6-1光纖溫度檢測第一百四十七頁，共223頁。6-3光纖位移及壓力測量壓力和位移是兩個相關(guān)的測量參數(shù)壓力位移彈性元件通過位移測壓力第一百四十八頁，共223頁。一、光纖微彎曲位移和壓力傳感器根據(jù)模態(tài)理論，當(dāng)光纖軸向受力而發(fā)生微小彎曲時，光纖中的部分光會折射到纖芯的包層中去，不產(chǎn)生全折射，這樣將引起纖芯中的光強發(fā)生變化。因此，可以通過對纖芯或包層中光的能量變化來測量外界作用，如應(yīng)力、重量、加速度等物理量。6-3光纖位移及壓力測量第一百四十九頁，共223頁。

微彎光纖壓力傳感器由兩塊波形板或其他形狀的變形器構(gòu)成。其中一塊活動，另一塊固定。變形器一般采用有機合成材料（如尼龍、有機玻璃等）制成。一根光纖從一對變形器之間通過，當(dāng)變形器的活動部分受到外力的作用時，光纖將發(fā)生周期性微彎曲，引起傳播光的散射損耗，使光在芯模中重新分配一部分從纖芯耦合到包層，另一部分光反射回纖芯。當(dāng)外界力增大時，泄漏到包層的散射光增大，光纖纖芯的輸出光強度減小；當(dāng)外界力減小時，光纖纖芯的輸出光強度增強。它們之間呈線性關(guān)系，如上圖所示。由于光強度受到調(diào)制，通過檢測泄漏包層的散射光強或光纖纖芯中透射光強度的變化即可測出壓力或位移的變化。6-3光纖位移及壓力測量第一百五十頁，共223頁。光纖微彎傳感器分為(1)亮場微彎傳感器:測量纖芯中光強的稱為亮場微彎傳感器，因纖芯中光很強，由位移引起的光強相對變化量很小，需采用高靈敏度光電探測器，但有時光強會使信號飽和，不易檢測出相對變化餃小的信號。(2)暗場微彎傳感器測量包層中泄漏光強的稱為暗場微彎傳感器。由于暗場中背景光很弱。位移引起的光強變化相對更明顯，因而檢測靈敏度高。6-3光纖位移及壓力測量第一百五十一頁，共223頁。亮場微彎傳感器測量實驗裝置引起微彎板位移的物理量可以是溫度、壓力、位移等。6-3光纖位移及壓力測量第一百五十二頁，共223頁。暗場微彎傳感器實驗裝置6-3光纖位移及壓力測量第一百五十三頁，共223頁。光纖微彎傳感器的優(yōu)點：（1）光功率維持在光纖內(nèi)部，這樣可以免除周圍環(huán)境污染的影響，適宜在惡劣環(huán)境中使用；（2）光纖微彎傳感器的靈敏度很高；（3）能兼容多模光纖技術(shù)；（4）結(jié)構(gòu)又比較簡單，而且具有動態(tài)范圍寬、線性度較好、性能穩(wěn)定。6-3光纖位移及壓力測量第一百五十四頁，共223頁。二、透射式光纖位移傳感器工作原理兩根光纖光軸錯開的距離隨物體位移的大小而變化，光纖輸出光通量又隨光軸錯開距離的大小而變化。6-3光纖位移及壓力測量第一百五十五頁，共223頁。光閘門和柵格法光纖位移傳感器6-3光纖位移及壓力測量第一百五十六頁，共223頁。三、Y形光纖位移及壓力傳感器基于改變反射面與光纖端面之間距離的反射光強調(diào)制型傳感器。6-3光纖位移及壓力測量第一百五十七頁，共223頁。發(fā)送光纖和接收光纖在匯集處端面的分布有：隨機分布、對半分布、同軸分布等幾種。6-3光纖位移及壓力測量第一百五十八頁，共223頁。幾種分布形式的性能6-3光纖位移及壓力測量第一百五十九頁，共223頁。Y形光纖壓力傳感器6-3光纖位移及壓力測量第一百六十頁，共223頁。改進型Y形光纖壓力傳感器6-3光纖位移及壓力測量第一百六十一頁，共223頁。兩束光強之比可表示為：輸出光強比與膜片的反射率、光源強度等因素均無關(guān)，因而可有效地消除這些因素的影響。6-3光纖位移及壓力測量第一百六十二頁，共223頁。四、球透鏡位移及壓力傳感器6-3光纖位移及壓力測量第一百六十三頁，共223頁。實驗結(jié)果6-3光纖位移及壓力測量第一百六十四頁，共223頁。利用球透鏡位移傳感器制成的差動式壓力傳感器6-3光纖位移及壓力測量第一百六十五頁，共223頁。五、全內(nèi)反射光纖位移、壓力傳感器在測量壓力時，常壓下膜片沒有變形，膜片與光纖間保持著較大的初始間隙，故此膜片的照射面積較大，反射到接收光纖的光強也大，使光電探測器的輸出電信號也大。膜片受壓力作用時要向內(nèi)側(cè)撓曲．使光纖與膜片間氣隙減小，因此發(fā)送光纖在膜片內(nèi)表面的光照面積也縮小，致使反射到接收光纖的光強減小，光電探測器輸出隨之減小。6-3光纖位移及壓力測量第一百六十六頁，共223頁。6-4光纖電壓電流測量由于光纖傳感器具有絕緣性好、抗電磁場干擾、靈敏度高等特性，因此在電力系統(tǒng)測量中具有很大優(yōu)勢。第一百六十七頁，共223頁。

旋光現(xiàn)象一、物質(zhì)的旋光性：1811年實驗物理學(xué)家阿喇果發(fā)現(xiàn)，線偏振光通過某些透明物質(zhì)時，其偏振面將旋轉(zhuǎn)一定的角度。d偏振片2偏振化方向

單色自然光偏振片1偏振化方向光軸方向P2P’2石英晶片(不產(chǎn)生雙折射)（原消光）（現(xiàn)消光）6-4光纖電壓電流測量第一百六十八頁，共223頁。這種能使線偏振光的振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，稱為旋光性。

a—旋光率

a

取決于入射光的波長和旋光物質(zhì)。

旋光物質(zhì)d具有旋光性的物質(zhì)：如石英、糖的水溶液、酒石酸溶液、松節(jié)油等。迎著光看，振動面順時針轉(zhuǎn)的為右旋物質(zhì)，振動面逆時針轉(zhuǎn)的為左旋物質(zhì)。6-4光纖電壓電流測量第一百六十九頁，共223頁。二、菲涅耳的解釋：線偏振光可看作是同頻率、等振幅、有確定相位差的左(L)、右(R)旋圓偏振光的合成。設(shè):入射時L，R初相為0，旋光物質(zhì)長d.即EELER·o例如，石英晶體有左旋,右旋兩類旋光體,是因為它的分子的空間排列方式有兩類。6-4光纖電壓電流測量第一百七十頁，共223頁。磁致旋光利用人工方法也可產(chǎn)生旋光性，其中最重要的是磁致旋光，也稱為法拉第旋光，是法拉第1845年發(fā)現(xiàn)的。水、二硫化碳、食鹽、乙醇等是磁致旋光物質(zhì)。6-4光纖電壓電流測量第一百七十一頁，共223頁。V：費德爾常量磁致旋光效應(yīng)用于測量:

若磁場B是由信號電流i產(chǎn)生(或調(diào)制)的,

信號電流i的變化磁場B的變化,旋轉(zhuǎn)角變化

則可進行電流測量。

d磁致旋光物質(zhì)B6-4光纖電壓電流測量第一百七十二頁，共223頁。測量磁場原理測量電流6-4光纖電壓電流測量第一百七十三頁，共223頁。優(yōu)點：測量范圍大，適用于高壓大電流測量。電流測量示意圖6-4光纖電壓電流測量第一百七十四頁，共223頁。二、金屬涂覆光纖電流傳感器多模光纖電流傳感器原理：在多模光纖表面涂覆上一層較厚的鋁金屬膜，這樣光纖可起著載流和光傳輸?shù)碾p重作用，當(dāng)光纖放置到特殊形狀的磁場中，并在鋁涂層中通以電流時，電流與磁場相互作用而導(dǎo)致光纖發(fā)生微彎。因此可通過檢測光纖末端輸出光束的干涉圖樣變化或光能量的變化來實現(xiàn)檢測。6-4光纖電壓電流測量第一百七十五頁，共223頁。結(jié)構(gòu)圖6-4光纖電壓