第14章光纤传感器的其他应用.ppt

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1、第14章 光纤传感器的其他应用 光纤传感器在医学上的应用 14.1 光纤传感器在军事方面的应用 14.2 光纤传感器在环境保护方面的应用 14.3 第14章 光纤传感器的其他应用 14.1 光纤传感器在医学上的应用 目前，比较典型的光纤医用传感器有如下几种： 光纤血流计、光纤 pH 值传感器、光纤体压计、光纤 体温计、光纤氧饱和度传感器等。 1 14.1.1 光纤血 流计 2 14.1.2 光纤pH值 传感器 3 14.1.3 光纤体 压计 4 14.1.4 光纤体 温计 5 14.1.5 光纤氧饱 和度传感 器 6 14.1.6 光纤血气 监测传感 器 14.1 光纤传感器在医学上的应用 1

2、4.1.1 光纤血流计 光纤血流计的工作原理是应用多普勒频移原理，基本结构 如图14.1所示： 图14.1 光纤血流计及其探头工作原理 14.1.1 光纤血流计 氦氖激光器的线偏振光由分束器分成两束，一束由透镜 耦合进心径约150 的光纤，光纤的另一端插入注射针头内 ，注射器以角度插进血管内。激光经光纤到达血液中，被 直径约为7 nm 的流动着的红血球散射后，再次返回，光 纤的光信号产生的多普勒频移由下式给出： (14.1) 14.1.1 光纤血流计 式中，为血流速度；n为血液的折射率，其值为1.33； 为光纤轴线与血管轴线间的夹角； 为激光波长。 分束器的另一束光用做参考光，将驱动频率f1=

3、40 MHz的 布拉格盒移频器，置于参考光路中，用以区别血流方向。 移频后的参考光信号频率为 f0-f1（f0是光源的频率）。 将新的参考光信号与多普勒频移信号( f0+f )进行混频 ，就得到要探测的光信号。这种方法称为光学外差法。 14.1.1 光纤血流计 以雪崩光电二极管探测混频光信号，变换成光电流送进频 谱分析仪，可以得到血流速度的多普勒频移谱，如图14.2 所示。 图14.2 多普勒频移谱 14.1.1 光纤血流计 图中的符号由血流方向确定，根据式(14.1) 当090时，f为正，即出现右移频率； 当90 180时，f为负，则出现左移频率。频率表 示最大频移fcut（或截止频率）。

4、在实际的血流测量中，所观察到的多普勒信号为宽频信号 ，如图14.2中实线所示。 14.1.1 光纤血流计 由于光纤探头要探入血管，因此注射器的针头形状就很重 要，因为它将直接影响血流速度谱。这种注射器具有特制 的托座，其结构如图14.3所示. 图14.3 光纤探头与托座 14.1.1 光纤血流计 图14.4是实验得到的信号多普勒频谱。 图14.4 实验测得的多普勒频谱图 14.1.1 光纤血流计 A, B, C 分别为光纤顶端接近血流表面、在血流中和在血 流中接近转盘底表面三种情况的频谱。在频谱的 40 MHz 处产生一个尖峰，此尖峰与速度 0 相对应。 在情况 A 中，因为血流没有受到干扰，

5、多普勒信号显示为 相当窄的频率分布；在情况 B 中，频谱很宽，从 40 MHz 到较高的频率，最后降到散粒噪声水平。多普勒变化信号 的展宽是由光纤插入血管中所引起的干扰造成的。 14.1.1 光纤血流计 在情况 B 中，频率变化 f 与情况 A 中频率f 乘以 1.33 相一致，而 1.33 恰好为血液的折射率。所以，情况 A 和 情况 B 的变化是分别发生在空气中和血液中的多普勒效应 的结果。 情况 C 中，在 fcut 附近出现一个小的低尖峰，这是血液中 转盘射的多普勒信号的影响。 整个实验表明，可以用fcut 正确表示血流速度。 14.1.1 光纤血流计 光纤多普勒速度计还有很多别的设计

6、方式，主要是选取参 考信号的方法不同。图14.5简要示出了已经在医学上得到 很多实际应用的一种仪器。 图14.5 非插入式光纤多普勒血流计 14.1.2 光纤 pH 值传感器 光纤 pH 值传感器是生物化学传感器，它的特点是利用光 纤末端安置的敏感元件感受信息，以测定人体或生物体内 的生物化学量。 光纤 pH 值传感器是以染料指示剂为基础进行工作的，它 的敏感部分使用一种可逆反应剂染料指示剂，例如酚 红染料试剂。 14.1.2 光纤 pH 值传感器 酚红染料试剂具有两种状态形式，即基本状态和酸化状态 。 每一种状态有不同的光吸收谱线，基本状态是对绿色光谱 吸收，酸化状态是对蓝色光谱吸收，pH

7、值是由酚红试剂 对绿光（或监光）光谱的吸收量来决定的。 14.1.2 光纤 pH 值传感器 在实际运用中，为了提高灵敏度消除误差，采用双波长工 作方式，取蓝绿色光 ( 1= 560 nm )作为调制检测光，红 色光 ( 1= 630 nm ) 作为参考光，探测器接收到的蓝绿 光和红色光强度的吸收比值为R ，pH 值与 R 的关系为 (14.2) 式中，K 为与光学系统有关的常数；D 为染料在第一个波 长的光密度； pH - PK ，其中 PK 为指示剂酸碱平衡常 数。 14.1.2 光纤 pH 值传感器 由式(14.2)可以描绘出 R-曲线，如图14.6所示。从该 曲线可以看出，在pH = P

8、K 附近有一段线性非常好的区 域，即在这个范围内，pH 值与接收到的两种颜色光强的 比值基本呈线性关系。 图14.6 蓝绿光与红光强度的吸收比值 R 与的关系曲线 14.1.2 光纤pH值传感器 图14.7(a)示出了以吸收值为基础的pH 值传感器的探头结 构。 在实验中发现，这种结构的探头存在一些问题,为了解决 这些问题，改进了探头的结构，如图14.7(b)所示。 14.1.2 光纤pH值传感器 图14.7 pH 值传感器的探头结构图 14.1.3 光纤体压计 图14.8 是一种光纤体压计探针结构示意图。 对压力敏感的防水薄膜被安置在探针导管末端侧壁的小孔 上，通过一根悬臂与反射镜相连。在与

9、反射镜相对的探针 导管里装有两束光纤，上面一束是入射光纤，下面一束是 输出光纤。 图14.8 光纤体压计探头结构示意图 14.1.3 光纤体压计 图14.8中，在压力 P = 0 时，没有光信号反射进入输出 光纤。当薄膜在压力作用下使悬臂平面向下移动时，反 射镜方向倾斜，使输出光纤接收到与压力大小有关的光 强信号。 14.1.3 光纤体压计 图14.9则是一种 Y 形光纤束结构的体压计。 对压力敏感的反射薄膜被安装在 Y 形光纤束的公共端面 一侧。光源的光经 Y 形光纤的一支输入，经反射薄膜反 射后的光经 Y 形光纤的另一支输出到光探测器上。 图14.9 Y 形光束结构的体压计 14.1.3

10、光纤体压计 图14.9中，压力的改变，使薄膜与光纤束端面的相对位置 发生变化，从而调制反射光强的大小。光探测器的输出信 号与被测压力成正比。 14.1.3 光纤体压计 图14.10为用于血压测量的新型薄膜光纤体压计结构图。 两根相同的多模阶跃光纤对接，一根光纤将光传送到传感 部分，另一根光纤接收经传感部分后的剩余光。这种光纤 的选择特点是易弯曲，具有低的数值孔径。 图14.10 薄膜光纤体压计结构图 14.1.4 光纤体温计 Luxtron 温度计，激光光谱和辐射光谱如图14.11(a)所示， 辐射光谱取决于温度，图中强度 Y 和强度 R 的比被用来 决定温度。输出光强变化的温度曲线如图14.

11、11(b)所示。 (a) 磷光混合物的激励和发光谱 (b) 输出光强变化的温度曲线 图14.11 Luxtron 温度计 14.1.4 光纤体温计 光纤温度传感器的探头结构如图14.12所示。传感器的探 测部分应具有单端光输入与输出的功能。 图14.12 光纤温度传感器的探头结构图 14.1.4 光纤体温计 用于超热治疗监测的阵列式光纤体温计外部光纤探头结构 如图14.13(a), (b)所示。探头的外壳由医学上可接受的 含氟聚合物（聚四氟乙烯）挤压成形，其外部的黑色绝缘 层可以对散射光进行屏蔽。 在探头连接端通过一个全塑料的连接器如图14.13(c)所 示，与测量仪器配备的两根长 5 m的半

12、固定光缆相连。 这个长度允许在高射频或微波场中，测量仪器可放在离测 量点较远的地方。 14.1.4 光纤体温计 图14.13 阵列式光纤体温计外部光纤探头结构图 14.1.4 光纤体温计 单个传感头的具体结构如图14.14所示。 图14.14 单个传感头的结构图 纤心外是塑料包层，包裹在包层外的是一个不透光的套管 。 14.1.4 光纤体温计 少量的磷光体用适当的黏合剂固定在纤心的顶端。 包在磷光体外的是反射层，反射层外是不透光层，它可以 防止散射光进入光纤纤心，从而影响温度测量结果的精确 度。 最外面的是具有物理刚性的保护层，它包裹在光纤顶端和 温度传感器之外。 14.1.5 光纤氧饱和度传

13、感器 采用光纤传感器测定氧饱和度的工作原理是：红血球中的 血红蛋白处于过氧状态（氧合血红蛋白）与无氧状态（还 氧血红蛋白）时，对不同波长的入射光有不同的吸收率， 如图14.15所示。 图14.15 血液的光谱特性曲线 14.1.5 光纤氧饱和度传感器 在图14.15中，从曲线可以看出，在波长为600 700 nm的 红光区，还氧血红蛋白(Hb)的吸收系数远比氧合血红蛋白 (HbO2)的大，但在波长为805 1000 nm的红外光区，Hb 的吸收系数要比HbO2的小。当波长为805 nm时，Hb和 HbO2具有相同的吸收系数，称为等吸收点。 当血氧饱和度变化时，血氧饱和度与660 nm和940

14、nm两 个波长的相对光强之间存在较好的线性关系。 14.1.5 光纤氧饱和度传感器 根据 Beer-Lambert 定律，当选定的入射光波长为660 nm 和940 nm时，其定律可表示为 (14.3) 式中， 660 和 940 为全血在波长为 660 nm 和 940 nm处 的吸收率；A , B 为常数。 14.1.5 光纤氧饱和度传感器 如图14.16所示，传感器通过接插头与仪器相连接。通过 程序设计控制微处理器时产生波长为 660 nm 的红光和波 长为 940 nm 的红外光的驱动信号，经 D/A 转换后送至 光源驱动电路。 图14.16 光纤测氧计 14.1.5 光纤氧饱和度传感

15、器 光源驱动电路将此信号进行功率放大，再依次发送到传感 器上臂并列放置的红光和红外光发射二极管上，使它们发 射光脉冲。 光敏接收器件把血液吸收入射光的变化信号转换成电信号 ，并通过电缆接口送入仪器内部功能板中进行进一步的加 工处理，从而计算出血氧饱和度值。 14.1.6 光纤血气监测传感器 图14.17为利用光学荧光法制成的内血管血气探头结构图。 图14.17 内血管血气探头结构图 内血管血气压力的光纤传感器包括三个单光纤传感器和一 个完整的热电偶。三个光纤传感器分别对 pO2 , pCO2 和 pH 值进行测量，热电偶直接读取探头和探头尖端的血液温 度。 14.2 光纤传感器在军事方面的应用

16、 随着光纤传感技术的发展，其军事方面的应用也越来越突 出。 下面介绍光纤传感器在军事领域中的若干重要应用。 14.2 光纤传感器在军事方面的应用 1 14.2.1 光纤传感器的 航空航天军事 应用 2 14.2.2 光纤传感器的 海上军事应用 3 14.2.3 光纤传感技术 在兵工测试中 的应用 14.2.1 光纤传感器的航空航天军事应用 1光纤传感器在军用飞机和航天器上的应用 飞机和航天器的光纤传感器系统大致包含4个部分： 飞行控制系统和导航用光纤传感器 发动机测控系统用光纤传感器 机内环境测控用光纤传感器 光纤智能机壳监控系统用光纤传感器。 14.2.1 光纤传感器的航空航天军事应用 2光

17、纤传感器在火箭发动机测试中的应用 (1) 用光纤传感器监测固体火箭药柱内应力和应变分布 为了测出应变分布，可以采用时分的分布式测量技术。这 类光纤传感系统的构成如图14.21所示。 图14.21 固体火箭发动机药柱内应力应变光纤传感系统 14.2.1 光纤传感器的航空航天军事应用 (2) 固体推进剂燃烧速度光纤传感器 固体推进剂燃烧速度是指单位时间内燃烧面沿其法线方向 移动的距离。 一种光纤固体推进剂燃烧速度传感器设计方案的基本原理 是，利用固体推进剂燃烧时发光的特点，由多束光纤构成 测量燃烧面位置的光纤尺，通过测量燃烧面经过光纤尺上 各个标定窗口的时间来推算出燃烧速度。 14.2.1 光纤传

18、感器的航空航天军事应用 光纤束的输出端置于金属套管之外，其输出光可由若干个 光电探测器一一对应地分别接收，也可由聚光透镜聚合成 一束后由单个光电探测器接收。光电探测器输出的电信号 被送到信号处理系统中处理。 图14.22 固体推进剂燃烧速度光纤传感器示意图 14.2.2 光纤传感器的海上军事应用 1光纤水听器 光纤水听器所探测的信号源为水下目标发出或反射的声波 。设水中声波的振幅方程为 (14.4) 式中，A0 为水声波的最大振幅；为水声波的圆频率， = 2 f （ f 为水声波频率）；为水声波的 传播常数， =2/（为水声波长）；x 为水声 波的初始声程。 14.2.2 光纤传感器的海上军事

19、应用 水声波牵动水粒子位移引起的水密度变化为 (14.5) 式中，c为水中声波的传播速度；0 为静止水密度。 由于水密度变化产生的水声波压变化为 (14.6) 14.2.2 光纤传感器的海上军事应用 微弯光纤水听器是根据光纤微弯损耗导致光功率变化的原 理制成的水声传感器。图14.23为一种微弯光纤水听器探 头的结构示意图。 光纤敏化结构为具有10周期、类似于齿板副的隆起结构平 板副如图14.23(a)所示，其中一块带隆起结构的平板与 聚醋薄膜相连，另一块与之峰谷相应的隆起结构平板通过 十字结构与水听器外壳相连如图14.23(b), (c)所示。 14.2.2 光纤传感器的海上军事应用 图14.

20、23 微弯光纤水听器探头结构示意图 14.2.2 光纤传感器的海上军事应用 微弯光纤水听器系统结构示意图如图14.24所示，光源为 He-Ne 激光器，光束进入传感光纤后经过模分离器( Mode Stripper )去掉包层模。去掉包层模的光束通过水听器的探 头后，再一次经过模分离器，然后由光探测器 PD 接收并 送入频谱分析仪。 图14.24 微弯光纤水听器系统结构示意图 14.2.2 光纤传感器的海上军事应用 2桅杆式光电观测装置 从20世纪80年代开始，美、英、德等国家的潜望镜制造厂 商都开始研制一种不穿透潜艇耐压船体的多功能传感器成 像系统，即潜艇光电桅杆。 14.2.3 光纤传感技术

21、在兵工测试中的应用 1武器膛温光纤传感器 目前国内外膛壁温度测试是根据膛内测试结果用外推计算 的方法求得被测膛温的。 由于膛壁表面温度分布具有二重性，径向和轴向都有温度 梯度，且径向梯度远大于轴向梯度，采用热电偶测膛壁温 度就有了一定局限，而采用光纤辐射温度传感器则具有一 系列的优点。 14.2.3 光纤传感技术在兵工测试中的应用 2光纤传感技术在引信测试中的应用 一种用于测量由发条或扭簧驱动的钟表机构骑马轮运动时 间的光纤传感器如图14.25所示。 图14.25 钟表机构骑马轮运动时间光纤传感器 14.2.3 光纤传感技术在兵工测试中的应用 传感器的工作原理是：光源 LED 发出的非相干光通

22、过发 射光纤投射到骑马轮上，当骑马轮转过一个齿时，所反射 的光强发生一次变化。此信号由接收光纤传至光电探测器 (PD)，再经信号处理系统处理后输出反映骑马轮运动周期 的方波，配以相应的计时电路或记录装置，便可得到骑马 轮转动一个齿所需的时间及整个工作过程中的时间变化。 14.2.3 光纤传感技术在兵工测试中的应用 如图14.26所示离心式引信钟表机构运动时间光纤传感器。 由于传感器和被测件处于高速旋转状态，传感器的输出需 转换成光信号，再由固定接收光纤接收，送至离心机外处 理记录。 图14.26 离心式引信钟表机构运动时间光纤传感器 14.3 光纤传感器在环境保护方面的应用 大气层是人类赖以生

23、存的重要外界环境因素之一。 大气，就是大气层内的空气，一般来说，是指占空气质量 95 左右的地面上 12 km 的空气层，即人们常说的对流层。 14.3 光纤传感器在环境保护方面的应用 14.3.1 光纤NO2传感器 1 14.3.2 光纤NH3传感器 2 14.3.3 光纤CO2传感器 3 14.3.4 光纤CH4传感器 4 14.3.1 光纤NO2传感器 NO2 是污染大气的主要气体之一，是一种红褐色有特殊刺 激性臭味的气体。 图14.27示出了基于分子差动吸收法光纤远距离测量系统的 组成框图。 图14.27 基于分子差动吸收法光纤远距离测量系统的组成框图 14.3.1 光纤NO2传感器

24、把摩托车排出的废气引进测量气室，发动机速度由低速（ 约500 r/m）到高速（约3000 r/m）变化进行测试，所得实 时测量结果曲线如图14.28所示，图中A区为低速区，B区 为高速区。 图14.28 NO2 浓度实时测量结果曲线 14.3.2 光纤NH3传感器 光纤NH3气体传感器的探头结构如图14.29所示。 图14.29 光纤 NH3气体传感器的探头结构 透气膜采用疏水性好的聚四氟乙烯(PTFE)微孔过滤膜，既 能把内充液与样品溶液分开，又能使NH3的极性气体透过 。 14.3.2 光纤NH3传感器 疏水性透气膜将内充液密封在 PVC 外套管与光纤末端形 成的空腔内，用固定螺钉调节光纤

25、末端与透气膜之间充液 层的厚度，指示剂直接溶于内充液中，并且被吸附于阴离 子交换膜上。 pH 敏感膜固定于光纤末端置于内充液中，采用聚四氟乙 烯作为防水密封膜。 气体穿过透气膜进入探头，使探头内部电解质溶液的 pH 值发生变化，从而改变了内充液中指示剂的共扼酸碱异构 体的浓度比。 14.3.2 光纤NH3传感器 采用双光束补偿光学系统可以实现很好的补偿，如图 14.30 所示。两个LED 发出的光经过半透半反镜和透镜 系统以同样的平行光束馈送入入射光纤，来自探头的信号 经出射光纤直接由光电二极管接收。 图14.30 双光束补偿光学系统示意图 14.3.3 光纤CO2传感器 CO2是大气组成成分

26、之一，但其含量过高会引起温室效应 等多种不良影响，这一现象已得到了普遍重视。 光纤CO2传感器是以具有CO2可渗透膜和与碳酸氢小室相 连接的 pH 敏感薄膜的荧光变化为基础研制的。 14.3.3 光纤CO2传感器 如图14.31 所示为 CO2 传感器探头的结构图。 CO2 渗透膜与 pH 敏感薄膜相连，当传感器进入样品中时 ，CO2 将透过渗透膜进入 pH 敏感膜和容器。在平衡状态 下，样品中的 CO2 压强与传感器中的 CO2 压强相同。 图14.31 CO2 传感器探头结构图 14.3.3 光纤CO2传感器 如图14.32所示为 CO2 测量小室的结构图。 pH 敏感膜和 CO2 可渗透

27、硅橡胶膜密封在一个玻璃试管 的一端，试管中装满已知浓度的碳酸氢溶液，两分支光纤 插入一个橡皮塞中，被密封在试管里。试管是气密的，只 允许反应物注入。小室在测荧光时，由铝进行光密封，以 防止背景光的影响。 图14.32 CO2 测量小室结构图 14.3.4 光纤CH4传感器 只要适当地选择光源波长和光纤，就可以利用如图14.27 所示的原理来设计测量各种不同气体（或浓度）的光纤传 感器。 吸收测量 CH4 浓度的光纤系统中，光源采用波带为 1.3um、带宽为100 nm、功率为0.1 mW的LED；发送和接 收硅光纤心径为50um，包层为125um，在1.3um处传输损 失为1 dB/km；用G

28、e光电二极管作为光探测器。 14.3.4 光纤CH4传感器 图14.33 示出了CH4 为 6.5 浓度的 CH4-N2 混合气体的 测量结果，在1.33 处的吸收是由 CH4 产生的。 图14.33 CH4 为 6.5 浓度的 CH4-N2 混合气体的测量结果 14.3.4 光纤CH4传感器 实验证明，空气中CH4 分子浓度检测极限低于 10-3 ，仅为 防爆限额浓度的 1/50 ，完全可以满足测量精度的要求。 另外，在 1.66um 谱线 CH4 分子吸收系数比在 1.33um 更 大，吸收波谱也较宽，所以选择在 1.66um 的 LD 作为光 源，更有利于提高探测灵敏度。 习 题 14.1 简述光纤血流计的工作原理。 14.2 光纤温度计有哪些优点？