光纖傳感器的其他應(yīng)

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1、第14章光纖傳感器的其他應(yīng)用www.ysu.edu.cn光纖傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用14.1光纖傳感器在軍事方面的應(yīng)用14.2光纖傳感器在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用14.3第14章光纖傳感器的其他應(yīng)用www.ysu.edu.cn14.1光纖傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)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。www.ysu.edu.cn114.1.1光纖血流計214.1.2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614.1.6光纖血?dú)獗O(jiān)測傳感

2、器14.1光纖傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用www.ysu.edu.cn14.1.1光纖血流計光纖血流計的工作原理是應(yīng)用多普勒頻移原理，基本結(jié)構(gòu)如圖14.1所示：圖14.1光纖血流計及其探頭工作原理www.ysu.edu.cn14.1.1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(jìn)心徑約150的光纖，光纖的另一端插入注射針頭內(nèi)，注射器以角度插進(jìn)血管內(nèi)。激光經(jīng)光纖到達(dá)血液中，被直徑約為7nm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)www.ysu.edu.cn14.1.1光纖血流計式中，υ為血流速度

3、；n為血液的折射率，其值為1.33；φ為光纖軸線與血管軸線間的夾角；λ為激光波長。分束器的另一束光用做參考光，將驅(qū)動頻率f1=40MHz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+Δf)進(jìn)行混頻，就得到要探測的光信號。這種方法稱為光學(xué)外差法。www.ysu.edu.cn14.1.1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(jìn)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www.ysu.edu.cn1

4、4.1.1光纖血流計圖中的符號由血流方向確定，根據(jù)式(14.1)當(dāng)0°＜φ＜90°時，Δf為正，即出現(xiàn)右移頻率；當(dāng)90°＜φ＜180°時，Δf為負(fù)，則出現(xiàn)左移頻率。頻率表示最大頻移fcut（或截止頻率）。在實(shí)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(shí)線所示。www.ysu.edu.cn14.1.1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?yàn)樗鼘⒅苯佑绊懷魉俣茸V。這種注射器具有特制的托座，其結(jié)構(gòu)如圖14.3所示.圖14.3光纖探頭與托座www.ysu.edu.cn14.1.1光纖血流計圖14.4是實(shí)驗(yàn)得到的

5、信號多普勒頻譜。圖14.4實(shí)驗(yàn)測得的多普勒頻譜圖www.ysu.edu.cn14.1.1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(zhuǎn)盤底表面三種情況的頻譜。在頻譜的40MHz處產(chǎn)生一個尖峰，此尖峰與速度0相對應(yīng)。在情況A中，因?yàn)檠鳑]有受到干擾，多普勒信號顯示為相當(dāng)窄的頻率分布；在情況B中，頻譜很寬，從40MHz到較高的頻率，最后降到散粒噪聲水平。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。www.ysu.edu.cn14.1.1光纖血流計在情況B中，頻率變化Δf與情況A中頻率Δf乘以1.33相一致，而1.33

6、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(yīng)的結(jié)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(zhuǎn)盤射的多普勒信號的影響。整個實(shí)驗(yàn)表明，可以用fcut正確表示血流速度。www.ysu.edu.cn14.1.1光纖血流計光纖多普勒速度計還有很多別的設(shè)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(xué)上得到很多實(shí)際應(yīng)用的一種儀器。圖14.5非插入式光纖多普勒血流計www.ysu.edu.cn14.1.2光纖pH值傳感器光纖pH值傳感器是生物化學(xué)傳感器，它的特點(diǎn)是利用光纖末端安置的敏感元件感

7、受信息，以測定人體或生物體內(nèi)的生物化學(xué)量。光纖pH值傳感器是以染料指示劑為基礎(chǔ)進(jìn)行工作的，它的敏感部分使用一種可逆反應(yīng)劑——染料指示劑，例如酚紅染料試劑。www.ysu.edu.cn14.1.2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(lán)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。www.ysu.edu.cn14.1.2光纖pH值傳感器在實(shí)際運(yùn)用中，為了提高靈敏度消除誤差，采用雙波長工作方式，取藍(lán)綠色光(λ1=560nm)作為調(diào)制檢測光

8、，紅色光(λ1=630nm)作為參考光，探測器接收到的藍(lán)綠光和紅色光強(qiáng)度的吸收比值為R，pH值