光纖傳感器的其他應用課件

1、第14章 光纖傳感器的其他應用光纖傳感器在醫(yī)學上的應用 14.1光纖傳感器在軍事方面的應用 14.2光纖傳感器在環(huán)境保護方面的應用 14.3第14章 光纖傳感器的其他應用14.1 光纖傳感器在醫(yī)學上的應用 目前，比較典型的光纖醫(yī)用傳感器有如下幾種：光纖血流計、光纖 pH 值傳感器、光纖體壓計、光纖體溫計、光纖氧飽和度傳感器等。114.1.1 光纖血 流計2 14.1.2光纖pH值傳感器 314.1.3 光纖體壓計414.1.4 光纖體溫計 514.1.5 光纖氧飽和度傳感器6 14.1.6 光纖血氣監(jiān)測傳感器 14.1 光纖傳感器在醫(yī)學上的應用14.1.1 光纖血流計光纖血流計的工作原理是應用

2、多普勒頻移原理，基本結構如圖14.1所示：圖14.1 光纖血流計及其探頭工作原理14.1.1 光纖血流計氦氖激光器的線偏振光由分束器分成兩束，一束由透鏡耦合進心徑約150 的光纖，光纖的另一端插入注射針頭內，注射器以角度插進血管內。激光經(jīng)光纖到達血液中，被直徑約為7 nm 的流動著的紅血球散射后，再次返回，光纖的光信號產(chǎn)生的多普勒頻移由下式給出： (14.1) 14.1.1 光纖血流計式中，為血流速度；n為血液的折射率，其值為1.33； 為光纖軸線與血管軸線間的夾角； 為激光波長。分束器的另一束光用做參考光，將驅動頻率f1=40 MHz的布拉格盒移頻器，置于參考光路中，用以區(qū)別血流方向。移頻后

3、的參考光信號頻率為 f0-f1（f0是光源的頻率）。將新的參考光信號與多普勒頻移信號( f0+f )進行混頻，就得到要探測的光信號。這種方法稱為光學外差法。14.1.1 光纖血流計以雪崩光電二極管探測混頻光信號，變換成光電流送進頻譜分析儀，可以得到血流速度的多普勒頻移譜，如圖14.2所示。 圖14.2 多普勒頻移譜 14.1.1 光纖血流計圖中的符號由血流方向確定，根據(jù)式(14.1)當090時，f為正，即出現(xiàn)右移頻率； 當90 180時，f為負，則出現(xiàn)左移頻率。頻率表示最大頻移fcut（或截止頻率）。 在實際的血流測量中，所觀察到的多普勒信號為寬頻信號，如圖14.2中實線所示。 14.1.1

4、光纖血流計由于光纖探頭要探入血管，因此注射器的針頭形狀就很重要，因為它將直接影響血流速度譜。這種注射器具有特制的托座，其結構如圖14.3所示. 圖14.3 光纖探頭與托座14.1.1 光纖血流計圖14.4是實驗得到的信號多普勒頻譜。圖14.4 實驗測得的多普勒頻譜圖14.1.1 光纖血流計A, B, C 分別為光纖頂端接近血流表面、在血流中和在血流中接近轉盤底表面三種情況的頻譜。在頻譜的 40 MHz 處產(chǎn)生一個尖峰，此尖峰與速度 0 相對應。在情況 A 中，因為血流沒有受到干擾，多普勒信號顯示為相當窄的頻率分布；在情況 B 中，頻譜很寬，從 40 MHz 到較高的頻率，最后降到散粒噪聲水平。

5、多普勒變化信號的展寬是由光纖插入血管中所引起的干擾造成的。 14.1.1 光纖血流計在情況 B 中，頻率變化 f 與情況 A 中頻率f 乘以 1.33 相一致，而 1.33 恰好為血液的折射率。所以，情況 A 和情況 B 的變化是分別發(fā)生在空氣中和血液中的多普勒效應的結果。情況 C 中，在 fcut 附近出現(xiàn)一個小的低尖峰，這是血液中轉盤射的多普勒信號的影響。整個實驗表明，可以用fcut 正確表示血流速度。 14.1.1 光纖血流計光纖多普勒速度計還有很多別的設計方式，主要是選取參考信號的方法不同。圖14.5簡要示出了已經(jīng)在醫(yī)學上得到很多實際應用的一種儀器。 圖14.5 非插入式光纖多普勒血流

6、計14.1.2 光纖 pH 值傳感器光纖 pH 值傳感器是生物化學傳感器，它的特點是利用光纖末端安置的敏感元件感受信息，以測定人體或生物體內的生物化學量。光纖 pH 值傳感器是以染料指示劑為基礎進行工作的，它的敏感部分使用一種可逆反應劑染料指示劑，例如酚紅染料試劑。 14.1.2 光纖 pH 值傳感器酚紅染料試劑具有兩種狀態(tài)形式，即基本狀態(tài)和酸化狀態(tài)。每一種狀態(tài)有不同的光吸收譜線，基本狀態(tài)是對綠色光譜吸收，酸化狀態(tài)是對藍色光譜吸收，pH 值是由酚紅試劑對綠光（或監(jiān)光）光譜的吸收量來決定的。 14.1.2 光纖 pH 值傳感器在實際運用中，為了提高靈敏度消除誤差，采用雙波長工作方式，取藍綠色光

7、( 1= 560 nm )作為調制檢測光，紅色光 ( 1= 630 nm ) 作為參考光，探測器接收到的藍綠光和紅色光強度的吸收比值為R ，pH 值與 R 的關系為 (14.2)式中，K 為與光學系統(tǒng)有關的常數(shù)；D 為染料在第一個波長的光密度； pH - PK ，其中 PK 為指示劑酸堿平衡常數(shù)。14.1.2 光纖 pH 值傳感器由式(14.2)可以描繪出 R-曲線，如圖14.6所示。從該曲線可以看出，在pH = PK 附近有一段線性非常好的區(qū)域，即在這個范圍內，pH 值與接收到的兩種顏色光強的比值基本呈線性關系。圖14.6 藍綠光與紅光強度的吸收比值 R 與的關系曲線14.1.2 光纖pH值

8、傳感器圖14.7(a)示出了以吸收值為基礎的pH 值傳感器的探頭結構。在實驗中發(fā)現(xiàn)，這種結構的探頭存在一些問題,為了解決這些問題，改進了探頭的結構，如圖14.7(b)所示。14.1.2 光纖pH值傳感器 圖14.7 pH 值傳感器的探頭結構圖 14.1.3 光纖體壓計圖14.8 是一種光纖體壓計探針結構示意圖。對壓力敏感的防水薄膜被安置在探針導管末端側壁的小孔上，通過一根懸臂與反射鏡相連。在與反射鏡相對的探針導管里裝有兩束光纖，上面一束是入射光纖，下面一束是輸出光纖。 圖14.8 光纖體壓計探頭結構示意圖 14.1.3 光纖體壓計圖14.8中，在壓力 P = 0 時，沒有光信號反射進入輸出光纖

9、。當薄膜在壓力作用下使懸臂平面向下移動時，反射鏡方向傾斜，使輸出光纖接收到與壓力大小有關的光強信號。14.1.3 光纖體壓計圖14.9則是一種 Y 形光纖束結構的體壓計。對壓力敏感的反射薄膜被安裝在 Y 形光纖束的公共端面一側。光源的光經(jīng) Y 形光纖的一支輸入，經(jīng)反射薄膜反射后的光經(jīng) Y 形光纖的另一支輸出到光探測器上。 圖14.9 Y 形光束結構的體壓計 14.1.3 光纖體壓計圖14.9中，壓力的改變，使薄膜與光纖束端面的相對位置發(fā)生變化，從而調制反射光強的大小。光探測器的輸出信號與被測壓力成正比。14.1.3 光纖體壓計圖14.10為用于血壓測量的新型薄膜光纖體壓計結構圖。兩根相同的多模

10、階躍光纖對接，一根光纖將光傳送到傳感部分，另一根光纖接收經(jīng)傳感部分后的剩余光。這種光纖的選擇特點是易彎曲，具有低的數(shù)值孔徑。 圖14.10 薄膜光纖體壓計結構圖14.1.4 光纖體溫計 Luxtron 溫度計，激光光譜和輻射光譜如圖14.11(a)所示，輻射光譜取決于溫度，圖中強度 Y 和強度 R 的比被用來決定溫度。輸出光強變化的溫度曲線如圖14.11(b)所示。 (a) 磷光混合物的激勵和發(fā)光譜 (b) 輸出光強變化的溫度曲線 圖14.11 Luxtron 溫度計 14.1.4 光纖體溫計光纖溫度傳感器的探頭結構如圖14.12所示。傳感器的探測部分應具有單端光輸入與輸出的功能。 圖14.1

11、2 光纖溫度傳感器的探頭結構圖14.1.4 光纖體溫計用于超熱治療監(jiān)測的陣列式光纖體溫計外部光纖探頭結構如圖14.13(a), (b)所示。探頭的外殼由醫(yī)學上可接受的含氟聚合物（聚四氟乙烯）擠壓成形，其外部的黑色絕緣層可以對散射光進行屏蔽。在探頭連接端通過一個全塑料的連接器如圖14.13(c)所示，與測量儀器配備的兩根長 5 m的半固定光纜相連。這個長度允許在高射頻或微波場中，測量儀器可放在離測量點較遠的地方。 14.1.4 光纖體溫計 圖14.13 陣列式光纖體溫計外部光纖探頭結構圖14.1.4 光纖體溫計單個傳感頭的具體結構如圖14.14所示。 圖14.14 單個傳感頭的結構圖纖心外是塑料

12、包層，包裹在包層外的是一個不透光的套管。14.1.4 光纖體溫計 少量的磷光體用適當?shù)酿ず蟿┕潭ㄔ诶w心的頂端。包在磷光體外的是反射層，反射層外是不透光層，它可以防止散射光進入光纖纖心，從而影響溫度測量結果的精確度。最外面的是具有物理剛性的保護層，它包裹在光纖頂端和溫度傳感器之外。 14.1.5 光纖氧飽和度傳感器采用光纖傳感器測定氧飽和度的工作原理是：紅血球中的血紅蛋白處于過氧狀態(tài)（氧合血紅蛋白）與無氧狀態(tài)（還氧血紅蛋白）時，對不同波長的入射光有不同的吸收率，如圖14.15所示。 圖14.15 血液的光譜特性曲線 14.1.5 光纖氧飽和度傳感器在圖14.15中，從曲線可以看出，在波長為600

13、 700 nm的紅光區(qū)，還氧血紅蛋白(Hb)的吸收系數(shù)遠比氧合血紅蛋白(HbO2)的大，但在波長為805 1000 nm的紅外光區(qū)，Hb的吸收系數(shù)要比HbO2的小。當波長為805 nm時，Hb和HbO2具有相同的吸收系數(shù)，稱為等吸收點。當血氧飽和度變化時，血氧飽和度與660 nm和940 nm兩個波長的相對光強之間存在較好的線性關系。14.1.5 光纖氧飽和度傳感器根據(jù) Beer-Lambert 定律，當選定的入射光波長為660 nm和940 nm時，其定律可表示為 (14.3)式中， 660 和 940 為全血在波長為 660 nm 和 940 nm處的吸收率；A , B 為常數(shù)。 14.1

14、.5 光纖氧飽和度傳感器如圖14.16所示，傳感器通過接插頭與儀器相連接。通過程序設計控制微處理器時產(chǎn)生波長為 660 nm 的紅光和波長為 940 nm 的紅外光的驅動信號，經(jīng) D/A 轉換后送至光源驅動電路。 圖14.16 光纖測氧計14.1.5 光纖氧飽和度傳感器光源驅動電路將此信號進行功率放大，再依次發(fā)送到傳感器上臂并列放置的紅光和紅外光發(fā)射二極管上，使它們發(fā)射光脈沖。光敏接收器件把血液吸收入射光的變化信號轉換成電信號，并通過電纜接口送入儀器內部功能板中進行進一步的加工處理，從而計算出血氧飽和度值。14.1.6 光纖血氣監(jiān)測傳感器圖14.17為利用光學熒光法制成的內血管血氣探頭結構圖。

15、 圖14.17 內血管血氣探頭結構圖內血管血氣壓力的光纖傳感器包括三個單光纖傳感器和一個完整的熱電偶。三個光纖傳感器分別對 pO2 , pCO2 和 pH 值進行測量，熱電偶直接讀取探頭和探頭尖端的血液溫度。14.2 光纖傳感器在軍事方面的應用隨著光纖傳感技術的發(fā)展，其軍事方面的應用也越來越突出。下面介紹光纖傳感器在軍事領域中的若干重要應用。 14.2 光纖傳感器在軍事方面的應用1 14.2.1 光纖傳感器的 航空航天軍事 應用 2 14.2.2 光纖傳感器的 海上軍事應用3 14.2.3 光纖傳感技術 在兵工測試中 的應用 14.2.1 光纖傳感器的航空航天軍事應用1光纖傳感器在軍用飛機和航

16、天器上的應用 飛機和航天器的光纖傳感器系統(tǒng)大致包含4個部分： 飛行控制系統(tǒng)和導航用光纖傳感器 發(fā)動機測控系統(tǒng)用光纖傳感器 機內環(huán)境測控用光纖傳感器 光纖智能機殼監(jiān)控系統(tǒng)用光纖傳感器。 14.2.1 光纖傳感器的航空航天軍事應用2光纖傳感器在火箭發(fā)動機測試中的應用(1) 用光纖傳感器監(jiān)測固體火箭藥柱內應力和應變分布為了測出應變分布，可以采用時分的分布式測量技術。這類光纖傳感系統(tǒng)的構成如圖14.21所示。 圖14.21 固體火箭發(fā)動機藥柱內應力應變光纖傳感系統(tǒng)14.2.1 光纖傳感器的航空航天軍事應用 (2) 固體推進劑燃燒速度光纖傳感器固體推進劑燃燒速度是指單位時間內燃燒面沿其法線方向移動的距離

17、。一種光纖固體推進劑燃燒速度傳感器設計方案的基本原理是，利用固體推進劑燃燒時發(fā)光的特點，由多束光纖構成測量燃燒面位置的光纖尺，通過測量燃燒面經(jīng)過光纖尺上各個標定窗口的時間來推算出燃燒速度。 14.2.1 光纖傳感器的航空航天軍事應用光纖束的輸出端置于金屬套管之外，其輸出光可由若干個光電探測器一一對應地分別接收，也可由聚光透鏡聚合成一束后由單個光電探測器接收。光電探測器輸出的電信號被送到信號處理系統(tǒng)中處理。 圖14.22 固體推進劑燃燒速度光纖傳感器示意圖14.2.2 光纖傳感器的海上軍事應用1光纖水聽器光纖水聽器所探測的信號源為水下目標發(fā)出或反射的聲波。設水中聲波的振幅方程為 (14.4)式中

18、，A0 為水聲波的最大振幅；為水聲波的圓頻率， = 2 f （ f 為水聲波頻率）；為水聲波的傳播常數(shù)， =2/（為水聲波長）；x 為水聲波的初始聲程。14.2.2 光纖傳感器的海上軍事應用水聲波牽動水粒子位移引起的水密度變化為 (14.5)式中，c為水中聲波的傳播速度；0 為靜止水密度。由于水密度變化產(chǎn)生的水聲波壓變化為 (14.6)14.2.2 光纖傳感器的海上軍事應用微彎光纖水聽器是根據(jù)光纖微彎損耗導致光功率變化的原理制成的水聲傳感器。圖14.23為一種微彎光纖水聽器探頭的結構示意圖。光纖敏化結構為具有10周期、類似于齒板副的隆起結構平板副如圖14.23(a)所示，其中一塊帶隆起結構的平

19、板與聚醋薄膜相連，另一塊與之峰谷相應的隆起結構平板通過十字結構與水聽器外殼相連如圖14.23(b), (c)所示。 14.2.2 光纖傳感器的海上軍事應用 圖14.23 微彎光纖水聽器探頭結構示意圖14.2.2 光纖傳感器的海上軍事應用微彎光纖水聽器系統(tǒng)結構示意圖如圖14.24所示，光源為He-Ne 激光器，光束進入傳感光纖后經(jīng)過模分離器( Mode Stripper )去掉包層模。去掉包層模的光束通過水聽器的探頭后，再一次經(jīng)過模分離器，然后由光探測器 PD 接收并送入頻譜分析儀。 圖14.24 微彎光纖水聽器系統(tǒng)結構示意圖14.2.2 光纖傳感器的海上軍事應用 2桅桿式光電觀測裝置從20世紀

20、80年代開始，美、英、德等國家的潛望鏡制造廠商都開始研制一種不穿透潛艇耐壓船體的多功能傳感器成像系統(tǒng)，即潛艇光電桅桿。14.2.3 光纖傳感技術在兵工測試中的應用1武器膛溫光纖傳感器目前國內外膛壁溫度測試是根據(jù)膛內測試結果用外推計算的方法求得被測膛溫的。由于膛壁表面溫度分布具有二重性，徑向和軸向都有溫度梯度，且徑向梯度遠大于軸向梯度，采用熱電偶測膛壁溫度就有了一定局限，而采用光纖輻射溫度傳感器則具有一系列的優(yōu)點。14.2.3 光纖傳感技術在兵工測試中的應用2光纖傳感技術在引信測試中的應用一種用于測量由發(fā)條或扭簧驅動的鐘表機構騎馬輪運動時間的光纖傳感器如圖14.25所示。 圖14.25 鐘表機構

21、騎馬輪運動時間光纖傳感器14.2.3 光纖傳感技術在兵工測試中的應用傳感器的工作原理是：光源 LED 發(fā)出的非相干光通過發(fā)射光纖投射到騎馬輪上，當騎馬輪轉過一個齒時，所反射的光強發(fā)生一次變化。此信號由接收光纖傳至光電探測器(PD)，再經(jīng)信號處理系統(tǒng)處理后輸出反映騎馬輪運動周期的方波，配以相應的計時電路或記錄裝置，便可得到騎馬輪轉動一個齒所需的時間及整個工作過程中的時間變化。 14.2.3 光纖傳感技術在兵工測試中的應用如圖14.26所示離心式引信鐘表機構運動時間光纖傳感器。由于傳感器和被測件處于高速旋轉狀態(tài)，傳感器的輸出需轉換成光信號，再由固定接收光纖接收，送至離心機外處理記錄。 圖14.26

22、 離心式引信鐘表機構運動時間光纖傳感器14.3 光纖傳感器在環(huán)境保護方面的應用大氣層是人類賴以生存的重要外界環(huán)境因素之一。大氣，就是大氣層內的空氣，一般來說，是指占空氣質量 95 左右的地面上 12 km 的空氣層，即人們常說的對流層。14.3 光纖傳感器在環(huán)境保護方面的應用14.3.1 光纖NO2傳感器114.3.2 光纖NH3傳感器214.3.3 光纖CO2傳感器314.3.4 光纖CH4傳感器414.3.1 光纖NO2傳感器NO2 是污染大氣的主要氣體之一，是一種紅褐色有特殊刺激性臭味的氣體。圖14.27示出了基于分子差動吸收法光纖遠距離測量系統(tǒng)的組成框圖。 圖14.27 基于分子差動吸

23、收法光纖遠距離測量系統(tǒng)的組成框圖14.3.1 光纖NO2傳感器把摩托車排出的廢氣引進測量氣室，發(fā)動機速度由低速（約500 r/m）到高速（約3000 r/m）變化進行測試，所得實時測量結果曲線如圖14.28所示，圖中A區(qū)為低速區(qū)，B區(qū)為高速區(qū)。 圖14.28 NO2 濃度實時測量結果曲線 14.3.2 光纖NH3傳感器光纖NH3氣體傳感器的探頭結構如圖14.29所示。 圖14.29 光纖 NH3氣體傳感器的探頭結構透氣膜采用疏水性好的聚四氟乙烯(PTFE)微孔過濾膜，既能把內充液與樣品溶液分開，又能使NH3的極性氣體透過。14.3.2 光纖NH3傳感器疏水性透氣膜將內充液密封在 PVC 外套管

24、與光纖末端形成的空腔內，用固定螺釘調節(jié)光纖末端與透氣膜之間充液層的厚度，指示劑直接溶于內充液中，并且被吸附于陰離子交換膜上。pH 敏感膜固定于光纖末端置于內充液中，采用聚四氟乙烯作為防水密封膜。氣體穿過透氣膜進入探頭，使探頭內部電解質溶液的 pH值發(fā)生變化，從而改變了內充液中指示劑的共扼酸堿異構體的濃度比。 14.3.2 光纖NH3傳感器采用雙光束補償光學系統(tǒng)可以實現(xiàn)很好的補償，如圖14.30 所示。兩個LED 發(fā)出的光經(jīng)過半透半反鏡和透鏡系統(tǒng)以同樣的平行光束饋送入入射光纖，來自探頭的信號經(jīng)出射光纖直接由光電二極管接收。 圖14.30 雙光束補償光學系統(tǒng)示意圖14.3.3 光纖CO2傳感器 CO2是大氣組成成分之一，但其含量過高會引起溫室效應等多種不良影響，這一現(xiàn)象已得到了普遍重視。光纖CO2傳感器是以具有CO2可滲透膜和與碳酸氫小室相連接的 pH 敏感薄膜的熒光變化為基礎研制的。14