光纤传感器的其他应用..

光纤传感器在医学上的应用1光纤传感器在军事方面的应用2光纤传感器在环境保护方面的应用3光纤传感器的应用(I)11.1光纤血流计21.2光纤pH值传感器31.3光纤体压计41.4光纤体温计51.5光纤氧饱和度传感器61.6光纤血气监测传感器1光纤传感器在医学上的应用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1所示：图1光纤血流计及其探头工作原理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7nm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：•(1)2cos/fn1.1光纤血流计•式中，υ为血流速度；n为血液的折射率，其值为1.33；φ为光纤轴线与血管轴线间的夹角；λ为激光波长。•分束器的另一束光用做参考光，将驱动频率f1=40MHz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+Δf)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。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2所示。•图2多普勒频移谱1.1光纤血流计•图中的符号由血流方向确定，根据式(1)•当0°＜φ＜90°时，Δf为正，即出现右移频率；当90°＜φ＜180°时，Δf为负，则出现左移频率。频率表示最大频移fcut（或截止频率）。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2中实线所示。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3所示.图3光纤探头与托座1.1光纤血流计•图4是实验得到的信号多普勒频谱。•图4实验测得的多普勒频谱图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40MHz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，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40MHz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。1.1光纤血流计•在情况B中，频率变化Δf与情况A中频率Δf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。1.1光纤血流计•光纤多普勒速度计还有很多别的设计方式，主要是选取参考信号的方法不同。图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5非插入式光纤多普勒血流计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。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值是由酚红试剂对绿光（或监光）光谱的吸收量来决定的。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(λ1=560nm)作为调制检测光，红色光(λ1=630nm)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•(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；ΔpH-PK，其中PK为指示剂酸碱平衡常数。[/101]10DRK1.2光纤pH值传感器•由式(2)可以描绘出R-Δ曲线，如图6所示。从该曲线可以看出，在pH=PK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6蓝绿光与红光强度的吸收比值R与的关系曲线1.2光纤pH值传感器•图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7(b)所示。图7pH值传感器的探头结构图1.3光纤体压计•图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8光纤体压计探头结构示意图1.3光纤体压计•图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。1.3光纤体压计•图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9Y形光束结构的体压计1.3光纤体压计•图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。1.3光纤体压计•图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10薄膜光纤体压计结构图1.4光纤体温计•Luxtron温度计，激光光谱和辐射光谱如图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11Luxtron温度计1.4光纤体温计•光纤温度传感器的探头结构如图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12光纤温度传感器的探头结构图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13(c)所示]，与测量仪器配备的两根长5m的半固定光缆相连。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。1.4光纤体温计图13阵列式光纤体温计外部光纤探头结构图1.4光纤体温计•单个传感头的具体结构如图14所示。图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。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。1.5光纤氧饱和度传感器•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15所示。图15血液的光谱特性曲线1.5光纤氧饱和度传感器•在图15中，从曲线可以看出，在波长为600~700nm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805~1000nm的红外光区，Hb的吸收系数要比HbO2的小。当波长为805nm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660nm和940nm两个波长的相对光强之间存在较好的线性关系。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660nm和940nm时，其定律可表示为(3)•式中，α660和α940为全血在波长为660nm和940nm处的吸收率；A,B为常数。6602940SpOAB1.5光纤氧饱和度传感器•如图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660nm的红光和波长为940nm的红外光的驱动信号，经D/A转换后送至光源驱动电路。图16光纤测氧计1.5光纤氧饱和度传感器•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。1.6光纤血气监测传感器•图17为利用光学荧光法制成的内血管血气探头结构图。图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。2光纤传感器在军事方面的应用•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。2光纤传感器在军事方面的应用12.1光纤传感器的航空航天军事应用22.2光纤传感器的海上军事应用32.3光纤传感技术在兵工测试中的应用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：•①飞行控制系统和导航用光纤传感器•②发动机测控系统用光纤传感器•③机内环境测控用光纤传感器•④光纤智能机壳监控系统用光纤传感器。2.1光纤传感器的航空航天军事应用•2．光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21所示。图21固体火箭发动机药柱内应力应变光纤传感系统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。2.1光纤传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22固体推进剂燃烧速度光纤传感器示意图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(4)•式中，A0为水声波的最大振幅；ωα为水声波的圆频率，ωα=2πfα（fα为水声波频率）；βα为水声波的传播常数，βα=2π/λα（λα为水声波长）；x为水声波的初始声程。oaacos()AAtx2.2光纤传感器的海上军事应用•水声波牵动水粒子位移引起的水密度变化为(5)•式中，cα为水中声波的传播速度；ρ0为静止水密度。•由于水密度变化产生的水声波压变化为•(6)oaoa2/AfACx2aaoa2FCfCA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23(b),(c)所示]。2.2光纤传感器的海上军事应用图23微弯光纤水听器探头结构示意图2.2光纤传感器的海上军事应用•微弯光