光纤血流计.pptx

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,Click to edit Master title style,第,10,章 常用传感器简介,光调制与解调技术,1.2,第,10,章 常用传感器简介,光纤传感器基础,1,2,光纤传感器实例,3,4.4,光栅传感器,3,4,第,10,章 光纤传感器,光纤有很多的,优点,，用它制成的光纤传感器（,FOS,）与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。,光纤传感器可,应用,于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、,pH,值等,70,多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。,第一节 光纤传感器基础,第,9,章 光纤传感器,一,.,光纤的结构,光纤是,用光透射率高的电介质,(,如石英、玻璃、塑料等,),构成的光通路,。光纤的结构如图,9.1,所示，它由折射率,n1,较大,(,光密介质,),的纤芯，和折射率,n2,较小,(,光疏介质,),的包层构成的双层同心圆柱结构。,图,9.1,光纤的基本结构与波导,第,10,章 光纤传感器,二,.,传光原理,光的全反射现象是,研究光纤传光原理的,基础。,根据几何光学,原理，当光线以较小,的入射角,1,由光密介,质,1,射向光疏介质,2(,即,n1,n2),时,(,见图,9.2),，则一部分入射光将以折射角,2,折射入介质,2,，其余部分仍以,1,反射回介质,1,。,图,9.2,光在两介质界面上的折射和反射,第,10,章 光纤传感器,依据光折射和反射的,斯涅尔,(Snell),定律,，有,当,1,角逐渐增大，直至,1,=,c,时，透射入介质,2,的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播,(,2,=90),。对应于,2,=90,时的入射角,1,称为临界角,c,；由式,(9-1),则有,由图,(9.1),和图,(9.2),可见，当,1,c,时，光线将不再折射入介质,2,，而在介质,(,纤芯,),内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。,第,10,章 光纤传感器,9,三,.,光纤的种类,光纤按纤芯和包层材料性质非类，有玻璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种,，如图,9.3,所示。阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变；但在纤芯与包层界面处折射率有突变。梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。因此，这类光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近似于正弦波，如图,9.4,所示。,光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤二类,。,10.1,光纤传感器,图,9.3,光纤的折射率断面,(a),阶跃型；,(b),梯度型,图,9.4,光在梯度型光纤的传输,10.1,光纤传感器,四,.,光纤的特性,信号通过,光纤时的损耗和色散,是光纤的主要特性,(,详细情况参见参考资料,1,）。,五,.,光纤传感器分类,光纤传感器一般可分为两大类：,一类是功能型传感器,(Function Fiber Optic Sensor),，又称,FF,型光纤传感器；另一类是非功能传感器,(Non-Function Fiber Optic Sensor),，又,NF,型光纤传感器。,前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器,；,后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器,。,10.1,光纤传感器,六,.,光纤传感器的发展趋势,光纤传感器具有很多的,优点,，是对以电为基础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有必要说明光纤传感器的可能发展趋势：,当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象,。,集成化光纤传感器,。,多功能全光纤控制系统,。,充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。,开辟新领域,。,10.1,光纤传感器,第二节 光纤传感器实例,光纤液位传感器,10.1,光纤传感器,光电接收器的要求不高。由于同种溶液在不同浓度时的折射率不同，经标定，这种液位传感器也可作浓度计。光纤液位计可用于易燃、易爆场合，但不能探测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠物质。,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,光纤血 流计,2,光纤,pH,值传感器,3,光纤体压计,4,光纤体温计,5,光纤氧饱和度传感器,6,光纤血气监测传感器,光纤传感器在医学上的应用,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，基本结构如图所示：,图,14.1,光纤血流计及其探头工作原理,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,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。,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。,光纤传感器在军事方面的应用,1,光纤传感器的 航空航天军事,应用,2,光纤传感器的,海上军事应用,3,光纤传感技术,在兵工测试中,的应用,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。,光纤传感器在环境保护方面的应用,大气层是人类赖以生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。,光纤传感器在环境保护方面的应用,光纤,NO2,传感器,1,光纤,NH3,传感器,2,光纤,CO2,传感器,3,光纤,CH4,传感器,4,光纤,NO,2,传感器,NO,2,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,光纤,NO,2,传感器,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,NO,2,浓度实时测量结果曲线,光纤,NH,3,传感器,光纤,NH,3,气体传感器的探头结构如图,14.29,所示。,图,14.29,光纤,NH,3,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。,光纤,NH,3,传感器,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。,光纤,CO,2,传感器,CO,2,是大气组成成分之一，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,CO,2,传感器是以具有,CO,2,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。,10.2,光栅传感器,10.2.1,光栅测量的基本原理,1,光栅放大示意图,2,莫尔条纹的形成,莫尔条纹具有下列重要特点：,（,1,）莫尔条纹的移动与光栅的移动成对应关系。,在两光栅夹角,一定的情况下，当一块光栅不动，另一块光栅沿,x,轴方向移动时莫尔条纹沿着近似垂直于光栅运动方向（近似沿,y,轴方向）运动。如果光栅移动一个栅距,d,，莫尔条纹对应地移动一个莫尔条纹间距,w,。并且，当主光栅沿,x,轴正方向（向右）移动时，莫尔条纹将向上（,y,轴正方向）移动，当主光栅沿,x,轴负方向（向左）移动时，莫尔条纹将向下（,y,轴负方向）移动。这种严格的对应关系，不仅可以根据莫尔条纹的移动量来判断光栅尺的位移量，同时还可以根据莫尔条纹的移动方向来判断光栅尺的位移方向。,（,2,）莫尔条纹具有位移的放大作用,K,=,（,3,）莫尔条纹具有平均误差的效应。,莫尔条纹是由大量的栅线构成的，这对栅线宽度和栅距的刻线误差、栅线的断裂及其他疵病有平均作用，从而起到了减小光栅栅距局部误差的作用。,10.2.,光栅传感器的结构,光栅传感器有透射式和反射式两种，他们由光源、主光栅、指示光栅和光电元件等几部分构成。透射式光栅传感器结构如图,9-9,所示，反射式光栅传感器的结构如图,9-10,所示。,3,透射式光栅传感器结构图,4,反射式传感器结构图,10.2.3,光栅传感器的辨向原理与细分技术,1,辨向原理,如果将两个光电接收元件在莫尔条纹上按相隔,1/4,条纹间距放置，如图,9-12,所示。那么两光栅相对移动时，光电元件,1,和,2,输出信号,u,1,和,u,2,的波形如图,9-13,（,a,）所示。,u,1,和,u,2,可以看成一个直流分量上叠加一个交流分量，消除直流分量后，两个信号的相位差为,90,的交流分量即可作为两个辨向信号，如图,9-13,（,b,）、（,c,）中的,u,1,和,u,2,所示。由图,9-12,看出，当主光栅向左移动时，莫尔条纹向下移动，则两个光电元件输出的辨向信号,u,1,超前,u,2,的相位,90,，如图,9-13,（,b,）所示。当主光栅向右移动时，辨向信号,u,2,超前,u,1,相位,90,，如图,9-13,（,c,）所示。将上述两个辨向信号送入辨向电路，即可辨别哪个信号超前，哪个信号滞后，这样，即可区分主光栅（标尺光栅）的运动方向。,5,光栅位移与光强关系,6,光电接收元件位置,7,辨向信号波形图,2,细分技术,常采用的倍频细分方法有四倍频细分（也称直接细分或位置细分）、电阻链细分、鉴相法细分、锁相法细分等几种。,四倍频细分就是用四个光电元件依次相距,1/4,莫尔条纹间距放置，获得依次相位差为,90,的四个正弦波信号。用电子线路中的鉴零器，分别鉴取四个信号的零电平，即每个信号由负到过零时发出一个计数脉冲，使得在莫尔条纹的一个周期内产生四个等间隔的计数脉冲，实现了四倍频细分。四倍频细分也可以用两个相距,1/4,莫尔条纹间距的光电元件获得相位差依次为,90,的四个正弦信号。实际上用辨向原理中的两个相位差为,90,的辨别信号，加上将它们倒相后的两个信号就可获得这四个信号。,10.2.4,光栅传感器的应用,光栅传感器具有测量精度高（可达,1m,）、测量范围大（不接长可达,1m,）、抗电磁干扰能力强等优点，因而得到了快速发展和推广应用。近年来，我国设计和制造了很多新型光栅传感器。光栅传感器已在精密数控机床和仪器中作为定位、测长、测转角、测速、测振幅的检测元件，而且应用日趋广泛。,（,a,）,JI,型 光栅传感器,(b)SX041,型数显表外形,8 JI,型光栅传感器及,SX041,型数字显示表,图,9,光栅检测系统原理框图,