光纤传感器的其他应

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1、第14章光纤传感器的其他应用www.ysu.edu.cn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www.ysu.edu.cn14.1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。www.ysu.edu.cn114.1.1光纤血流计214.1.2光纤pH值传感器314.1.3光纤体压计414.1.4光纤体温计514.1.5光纤氧饱和度传感器614.1.6光纤血气监测传感

2、器14.1光纤传感器在医学上的应用www.ysu.edu.cn14.1.1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www.ysu.edu.cn14.1.1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：(14.1)www.ysu.edu.cn14.1.1光纤血流计式中，υ为血流速度

3、；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。www.ysu.edu.cn14.1.1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www.ysu.edu.cn1

4、4.1.1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14.2中实线所示。www.ysu.edu.cn14.1.1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www.ysu.edu.cn14.1.1光纤血流计图14.4是实验得到的

5、信号多普勒频谱。图14.4实验测得的多普勒频谱图www.ysu.edu.cn14.1.1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。www.ysu.edu.cn14.1.1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

6、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。www.ysu.edu.cn14.1.1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www.ysu.edu.cn14.1.2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

7、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。www.ysu.edu.cn14.1.2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。www.ysu.edu.cn14.1.2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

8、，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