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摘 要： 根据材料的光弹效应提出一种新的传感技术理论，通过分析穿过材料的偏振光相位的变化得出材料中所受应力的大小，对于光相位的检测通常转化为对光强测量，然后运用Jones矢量运算得出相位的变化量，进而得到材料中应力的大小，该方法简便易操作，且光信息传感技术具有很好的线性和抗干扰性质。
关键词： 光弹效应；传感技术；偏振光相位；光强测量；Jones矢量
中图分类号：TP212.14 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1220106－01
0 引言
信息的提取，即传感技术是信息化时代的重要内容之一。传统的传感器发展到今天已经形成了完整的理论和实验体系。但随着科技的发展进步，人们对传感器的检测精度、范围以及抗干扰能力都提出了更高的要求。由于光波具有很好的线性和抗干扰能力，因此光电信息传感则是21世纪传感技术的一个重要领域，其发展直接影响到许多行业的进步。本文所述的传感理论是基于一些材料的光弹效应来应用于信息传感中，通过观测应力体中光相位或折射率的变化，将光信号转化成电信号的一种光学传感技术，具有很好的抗干扰性和线性性质。
1 理论基础
1.1 光弹效应
当外力或振动作用于弹性体产生应变时，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质，这种有内应力的透明介质中o光和e光折射率不相等，它与应力分布有关。这种现象即为光弹效应，也叫应力双折射效应。某些各向同性的透明介质，在加上机械应力后具有双折射的性质，其有效光轴在应力方向上，且引起的双折射与应力成正比。由于光弹性效应而产生的双折射效满足以下公式：
（1）
即o光和e光的折射率之差与外加应力的大小成正比，k为比例系数，为介质的材料系数，与材料的性质有关。
除晶体外，当原来为各项同性的一些非结晶材料受到应力场作用时，也可以观察到双折射现象。在应力作用下，这些材料具有和晶体一样的性质。但是材料的这种各向异性只在材料荷载作用期间内持续，一旦去掉荷载，材料又恢复为各向同性，这就是光弹效应引起的人工双折射或瞬时双折射。
1.2 理论分析
当各向同性介质在某一方向受压力或拉力作用时，在这方向上就形成介质的光轴，若此时出现的o光和e光的折射率分别为 和 ，则它们通过厚度为 的物体后产生的光程差为
（2）
又实验表明，在一定的应力范围内两光的折射率之差与应力 成正比，即
这样，两束光经厚度为 的形变介质层后，所得的光程差为
（3）
其位相差即为
从上面的公式中可以看出，只要通过相位比较法得到两束相干光的位相差即可确定出材料中应力和应变的大小。在现代的光学实验中，偏振光相位的检测的基本方法是通过一定的偏振器件把相位的测量转换为对光强的测量。
2 模型分析
在上图中，氦氖激光源产生的光线通过光纤进入到受应力作用的透明的光弹材料层中时，偏振光就被分成了两个分量，即o光和e光。这两个分量在材料的主应力两个相互垂直的面上振动。每一个分量的光传播速度在数值上是不同于在没有受到应力作用的材料中光的速度，这取决于材料所受的主应力的大小。因此，从材料中出来的这两个分量的光线出现了不同的相位。相位的不同主要取决于两个主应力之间的差异，光波长，在光传播方向上材料的厚度，以及材料的应力光学系数（如公式（4）所示）。从材料中出来的两条光线被检偏器所接收，检偏器仅仅将这两个分量的光线在起偏振面上进行传输，使到达相位分析仪的光在强度上发生变化。
在图2中，起偏器 透光轴沿OX方向，检偏器 透光轴沿OY方向，光弹材料的快轴与OX轴夹角为 。设由 出射的线偏光的Jones（琼斯）矢量为
从上式中可以看到，如果材料的快轴与OX轴的夹角已知，那么通过测量光强的大小，通过计算便可得知材料中受应力影响而导致的相位差，进
而由公式（4）便可得知材料中所受应力的大小。
3 结论
从以上的分析可以得出，通过分析和比较通过光弹材料前后的光强的量值，运用Jones运算得出通过材料后光的相位差，根据公式（4）即可得出材料所受应力的大小。通过简单的力学传感技术便可以设计出一种光弹材料传感器。值得注意的是，在图2的模型中，起偏器和检偏器的角度应保持正交，光弹材料的快轴与OX轴的夹角必须保持恒定，才能在最终结果中尽可能的减少误差。
参考文献：
[1]Venketesh N. Dubey,Richard M. Crowder,A dynamic tactile sensor on photoelastic effect,Sensors and Actuators A 128,2006:217-224.
[2]廖延彪、黎敏、阎春生，《现代光信息传感原理》，清华大学出版社，2009：47-49.
[3]廖延彪，《偏振光学》，科学出版社，2003：245-246.
作者简介：
马英舜，男，硕士研究生，中北大学电子与计算机科学技术学院，研究方向：介观弹光应力传感器。
关键词： 光弹效应；传感技术；偏振光相位；光强测量；Jones矢量
中图分类号：TP212.14 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1220106－01
0 引言
信息的提取，即传感技术是信息化时代的重要内容之一。传统的传感器发展到今天已经形成了完整的理论和实验体系。但随着科技的发展进步，人们对传感器的检测精度、范围以及抗干扰能力都提出了更高的要求。由于光波具有很好的线性和抗干扰能力，因此光电信息传感则是21世纪传感技术的一个重要领域，其发展直接影响到许多行业的进步。本文所述的传感理论是基于一些材料的光弹效应来应用于信息传感中，通过观测应力体中光相位或折射率的变化，将光信号转化成电信号的一种光学传感技术，具有很好的抗干扰性和线性性质。
1 理论基础
1.1 光弹效应
当外力或振动作用于弹性体产生应变时，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质，这种有内应力的透明介质中o光和e光折射率不相等，它与应力分布有关。这种现象即为光弹效应，也叫应力双折射效应。某些各向同性的透明介质，在加上机械应力后具有双折射的性质，其有效光轴在应力方向上，且引起的双折射与应力成正比。由于光弹性效应而产生的双折射效满足以下公式：
（1）
即o光和e光的折射率之差与外加应力的大小成正比，k为比例系数，为介质的材料系数，与材料的性质有关。
除晶体外，当原来为各项同性的一些非结晶材料受到应力场作用时，也可以观察到双折射现象。在应力作用下，这些材料具有和晶体一样的性质。但是材料的这种各向异性只在材料荷载作用期间内持续，一旦去掉荷载，材料又恢复为各向同性，这就是光弹效应引起的人工双折射或瞬时双折射。
1.2 理论分析
当各向同性介质在某一方向受压力或拉力作用时，在这方向上就形成介质的光轴，若此时出现的o光和e光的折射率分别为 和 ，则它们通过厚度为 的物体后产生的光程差为
（2）
又实验表明，在一定的应力范围内两光的折射率之差与应力 成正比，即
这样，两束光经厚度为 的形变介质层后，所得的光程差为
（3）
其位相差即为
从上面的公式中可以看出，只要通过相位比较法得到两束相干光的位相差即可确定出材料中应力和应变的大小。在现代的光学实验中，偏振光相位的检测的基本方法是通过一定的偏振器件把相位的测量转换为对光强的测量。
2 模型分析
在上图中，氦氖激光源产生的光线通过光纤进入到受应力作用的透明的光弹材料层中时，偏振光就被分成了两个分量，即o光和e光。这两个分量在材料的主应力两个相互垂直的面上振动。每一个分量的光传播速度在数值上是不同于在没有受到应力作用的材料中光的速度，这取决于材料所受的主应力的大小。因此，从材料中出来的这两个分量的光线出现了不同的相位。相位的不同主要取决于两个主应力之间的差异，光波长，在光传播方向上材料的厚度，以及材料的应力光学系数（如公式（4）所示）。从材料中出来的两条光线被检偏器所接收，检偏器仅仅将这两个分量的光线在起偏振面上进行传输，使到达相位分析仪的光在强度上发生变化。
在图2中，起偏器 透光轴沿OX方向，检偏器 透光轴沿OY方向，光弹材料的快轴与OX轴夹角为 。设由 出射的线偏光的Jones（琼斯）矢量为
从上式中可以看到，如果材料的快轴与OX轴的夹角已知，那么通过测量光强的大小，通过计算便可得知材料中受应力影响而导致的相位差，进
而由公式（4）便可得知材料中所受应力的大小。
3 结论
从以上的分析可以得出，通过分析和比较通过光弹材料前后的光强的量值，运用Jones运算得出通过材料后光的相位差，根据公式（4）即可得出材料所受应力的大小。通过简单的力学传感技术便可以设计出一种光弹材料传感器。值得注意的是，在图2的模型中，起偏器和检偏器的角度应保持正交，光弹材料的快轴与OX轴的夹角必须保持恒定，才能在最终结果中尽可能的减少误差。
参考文献：
[1]Venketesh N. Dubey,Richard M. Crowder,A dynamic tactile sensor on photoelastic effect,Sensors and Actuators A 128,2006:217-224.
[2]廖延彪、黎敏、阎春生，《现代光信息传感原理》，清华大学出版社，2009：47-49.
[3]廖延彪，《偏振光学》，科学出版社，2003：245-246.
作者简介：
马英舜，男，硕士研究生，中北大学电子与计算机科学技术学院，研究方向：介观弹光应力传感器。