2022醫(yī)學課件光纖血流計

1、第10章 常用傳感器簡介第一頁，共四十一頁。 光調制與解調技術1.2第10章 常用傳感器簡介光纖傳感器基礎12光纖傳感器實例34.4光柵傳感器34第二頁，共四十一頁。 第10章 光纖傳感器光纖有很多的優(yōu)點，用它制成的光纖傳感器FOS與常規(guī)傳感器相比也有很多特點：抗電磁干擾能力強、高靈敏度 、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結構簡單、以及與光纖傳輸線路相容等。光纖傳感器可應用于位移、振動、轉動、壓力、彎曲、應變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、pH值等70多個物理量的測量，且具有十分廣泛的應用潛力和開展前景。第一節(jié) 光纖傳感器根底第三頁，共四

2、十一頁。 第9章 光纖傳感器一.光纖的結構 光纖是用光透射率高的電介質(如石英、玻璃、塑料等)構成的光通路。光纖的結構如圖9.1所示，它由折射率n1較大(光密介質)的纖芯，和折射率n2較小(光疏介質)的包層構成的雙層同心圓柱結構。圖9.1 光纖的根本結構與波導 第四頁，共四十一頁。 第10章 光纖傳感器二.傳光原理 光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的根底。根據(jù)幾何光學原理，當光線以較小的入射角1由光密介質1射向光疏介質2(即n1n2)時(見圖9.2)，那么一局部入射光將以折射角2折射入介質2，其余局部仍以1反射回介質1。圖9.2 光在兩介質界面上的折射和反射第五

3、頁，共四十一頁。 第10章 光纖傳感器依據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有 當1角逐漸增大，直至1=c時，透射入介質2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面?zhèn)鞑?2=90)。對應于2=90時的入射角1稱為臨界角c；由式(9-1)那么有 由圖(9.1)和圖(9.2)可見，當1c時，光線將不再折射入介質2，而在介質(纖芯)內產生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。這就是光纖傳光的工作根底。第六頁，共四十一頁。 第10章 光纖傳感器9三.光纖的種類 光纖按纖芯和包層材料性質非類，有玻璃光纖和塑料光纖兩類；按折射率分有階躍型和梯度型二種，如圖9.3所示。階躍型光纖

4、纖芯的折射率不隨半徑而變；但在纖芯與包層界面處折射率有突變。梯度型光纖纖芯的折射率沿徑向由中心向外呈拋物線由大漸小，至界面處與包層折射率一致。因此，這類光纖有聚焦作用；光線傳播的軌跡近似于正弦波，如圖9.4所示。光纖的另一種分類方法是按光纖的傳播模式來分，可分為多模光纖和單模光纖二類。第七頁，共四十一頁。 10.1光纖傳感器圖9.3光纖的折射率斷面(a)階躍型；(b)梯度型圖9.4光在梯度型光纖的傳輸?shù)诎隧?，共四十一頁? 10.1光纖傳感器四.光纖的特性 信號通過光纖時的損耗和色散是光纖的主要特性(詳細情況參見參考資料1。五.光纖傳感器分類 光纖傳感器一般可分為

5、兩大類：一類是功能型傳感器(Function Fiber Optic Sensor)，又稱FF型光纖傳感器；另一類是非功能傳感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纖傳感器。前者是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器；后者是利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質，用以傳輸來自遠處或難以接近場所的光信號，因此，也稱傳光型光纖傳感器。第九頁，共四十一頁。 10.1光纖傳感器六.光纖傳感器的開展趨勢 光纖傳感器具有很多的優(yōu)點，是對以電為根底的傳統(tǒng)傳感器的革命性變革，開展前景是極其光明的。但是，目前

6、光纖傳感器的本錢較高,在這方面仍面臨著傳統(tǒng)傳感器的挑戰(zhàn)，存在著與傳統(tǒng)傳感器和其它新型傳感器的競爭問題。為此，有必要說明光纖傳感器的可能開展趨勢： 當前應以傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主要研究對象。 集成化光纖傳感器。 多功能全光纖控制系統(tǒng)。 充分發(fā)揮光纖的低傳輸損耗特性，開展遠距離監(jiān)測系統(tǒng)。 開辟新領域。第十頁，共四十一頁。 10.1光纖傳感器第二節(jié) 光纖傳感器實例 光纖液位傳感器 第十一頁，共四十一頁。 10.1光纖傳感器光電接收器的要求不高。由于同種溶液在不同濃度時的折射率不同，經(jīng)標定，這種液位傳感器也可作濃度計。光纖液位計可用于易燃、易爆場合，

7、但不能探測污濁液體及會粘附在測頭外表的粘稠物質。第十二頁，共四十一頁。 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。第十三頁，共四十一頁。 1光纖血 流計2光纖pH值傳感器 3光纖體壓計4光纖體溫計 5光纖氧飽和度傳感器6 光纖血氣監(jiān)測傳感器 光纖傳感器在醫(yī)學上的應用第十四頁，共四十一頁。 光纖血流計光纖血流計的工作原理是應用多普勒頻移原理，根本結構如下圖：圖14.1 光纖血流計及其探頭工作原理第十五頁，共四十一頁。 光纖血流計

8、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， 第十六頁，共四十一頁。 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 光纖探頭與托座第十七頁，共四十一頁。 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

9、pH 值傳感器是以染料指示劑為根底進行工作的，它的敏感局部使用一種可逆反響劑染料指示劑，例如酚紅染料試劑。 第十八頁，共四十一頁。 光纖 pH 值傳感器酚紅染料試劑具有兩種狀態(tài)形式，即根本狀態(tài)和酸化狀態(tài)。每一種狀態(tài)有不同的光吸收譜線，根本狀態(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。 第十九頁，共四十一頁。 光纖傳感器在軍事方面的應用1光纖傳感器的 航空航天軍事 應用 2光纖傳感器的 海上軍事應用3光纖傳感技術 在兵工測試中 的應用 第二十頁，共四十一頁。 光纖傳感器的航空航天軍事應用1光纖

10、傳感器在軍用飛機和航天器上的應用 飛機和航天器的光纖傳感器系統(tǒng)大致包含4個局部： 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。 第二十一頁，共四十一頁。 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。第二十二頁，共四十一頁。 光纖傳感器在環(huán)境保護方面的應用光纖NO2傳感器1光纖NH3傳感器2光纖CO2傳感器3光纖CH4傳感器4第二十三頁，共四十一頁

11、。 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 基于分子差動吸收法光纖遠距離測量系統(tǒng)的組成框圖第二十四頁，共四十一頁。 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 第二十五頁，共四十一頁。 光纖NH3傳感器光纖NH3氣體傳感器的探頭結構

12、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。第二十六頁，共四十一頁。 光纖NH3傳感器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。 第二十七頁，共四十一頁。 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

13、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根底研制的。第二十八頁，共四十一頁。 10.2 光柵傳感器10.2.1光柵測量的根本原理1 光柵放大示意圖 2 莫爾條紋的形成第二十九頁，共四十一頁。 莫爾條紋具有以下重要特點：1莫爾條紋的移動與光柵的移動成對應關系。 在兩光柵夾角一定的情況下，當一塊光柵不動，另一塊光柵沿x軸方向移動時莫爾條紋沿著近似垂直于光柵運動方向近似沿y軸方向運動。如果光柵移動一個柵距d，莫爾條紋對應地移動一個莫爾條紋間距w。并且，當主光柵沿x軸正方向向右移動時，莫爾條紋將向上y軸正方向移動，當主光柵沿x軸負方向向左移動時，

14、莫爾條紋將向下y軸負方向移動。這種嚴格的對應關系，不僅可以根據(jù)莫爾條紋的移動量來判斷光柵尺的位移量，同時還可以根據(jù)莫爾條紋的移動方向來判斷光柵尺的位移方向。第三十頁，共四十一頁。 2莫爾條紋具有位移的放大作用 K= 3莫爾條紋具有平均誤差的效應。 莫爾條紋是由大量的柵線構成的，這對柵線寬度和柵距的刻線誤差、柵線的斷裂及其他疵病有平均作用，從而起到了減小光柵柵距局部誤差的作用。第三十一頁，共四十一頁。 10.2 . 光柵傳感器的結構 光柵傳感器有透射式和反射式兩種，他們由光源、主光柵、指示光柵和光電元件等幾局部構成。透射式光柵傳感器結構如圖9-9所示，反射式光柵傳

15、感器的結構如圖9-10所示。第三十二頁，共四十一頁。 3 透射式光柵傳感器結構圖 4 反射式傳感器結構圖第三十三頁，共四十一頁。 10.2.3光柵傳感器的辨向原理與細分技術1辨向原理 如果將兩個光電接收元件在莫爾條紋上按相隔1/4條紋間距放置，如圖9-12所示。那么兩光柵相對移動時，光電元件1和2輸出信號u1和u2的波形如圖9-13a所示。u1和u2可以看成一個直流分量上疊加一個交流分量，消除直流分量后，兩個信號的相位差為90的交流分量即可作為兩個辨向信號，如圖9-13b、c中的u1和u2所示。由圖9-12看出，當主光柵向左移動時，莫爾條紋向下移動，那么兩個光電

16、元件輸出的辨向信號u1超前u2的相位90，如圖9-13b所示。當主光柵向右移動時，辨向信號u2超前u1相位90，如圖9-13c所示。將上述兩個辨向信號送入辨向電路，即可區(qū)分哪個信號超前，哪個信號滯后，這樣，即可區(qū)分主光柵標尺光柵的運動方向。第三十四頁，共四十一頁。 5 光柵位移與光強關系 6 光電接收元件位置 第三十五頁，共四十一頁。 7 辨向信號波形圖 第三十六頁，共四十一頁。 2細分技術 常采用的倍頻細分方法有四倍頻細分也稱直接細分或位置細分、電阻鏈細分、鑒相法細分、鎖相法細分等幾種。 四倍頻細分就是用四個光電元件依次相距1/4莫爾條紋間距放

17、置，獲得依次相位差為90的四個正弦波信號。用電子線路中的鑒零器，分別鑒取四個信號的零電平，即每個信號由負到過零時發(fā)出一個計數(shù)脈沖，使得在莫爾條紋的一個周期內產生四個等間隔的計數(shù)脈沖，實現(xiàn)了四倍頻細分。四倍頻細分也可以用兩個相距1/4莫爾條紋間距的光電元件獲得相位差依次為90的四個正弦信號。實際上用辨向原理中的兩個相位差為90的區(qū)分信號，加上將它們倒相后的兩個信號就可獲得這四個信號。第三十七頁，共四十一頁。 10.2.4 光柵傳感器的應用 光柵傳感器具有測量精度高可達1m、測量范圍大不接長可達1m、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，因而得到了快速開展和推廣應用。近年來，我國設計和制造了很多新型光柵傳感器。光柵傳感器已在精密數(shù)控機床和儀器中作為定位、測長、測轉角、測速、測振幅的檢測元件，而且應用日趨廣泛。第三十八頁，共四十一頁。 aJI型 光柵傳感器 (b