光纤传感器的应用

1、光纤传感器的应用光纤传感器的应用各种装饰性光导各种装饰性光导纤维纤维 光缆的外光缆的外形形及光纤及光纤的拉制的拉制 光纤传感器光纤传感器外形外形 光纤传感器的分类光纤传感器的分类光纤传感器一般分为两大类：光纤传感器一般分为两大类： 一类是传光型，也称非功能型光纤传感器；一类是传光型，也称非功能型光纤传感器；多数使用多模光纤，以传输更多的光量。多数使用多模光纤，以传输更多的光量。 一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。传感型光纤传感器，是利用被测对象调制传感型光纤传感器，是利用被测对象调制或改变光纤的特性，所以只能用单模光纤。或改变光纤的特性，所以只能用单模

2、光纤。1、功能型传感器、功能型传感器利用光纤本身具有的某种敏感功能。利用光纤本身具有的某种敏感功能。光纤一方面起传输光的作用，另一方面作为敏感元件，光纤一方面起传输光的作用，另一方面作为敏感元件，被测物理量的变化将影响光纤的传输特性，从而将被被测物理量的变化将影响光纤的传输特性，从而将被测物理量的变化转变为调制的光信号。也称传感型光纤传感器。测物理量的变化转变为调制的光信号。也称传感型光纤传感器。2、非功能型光纤传感器、非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光

3、信号光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号所以也称为传光型传感器或混合型传感器。所以也称为传光型传感器或混合型传感器。光纤的结构光纤的结构 中央称为芯子中央称为芯子, 高折射率的玻璃材料制成，直径只有几十微高折射率的玻璃材料制成，直径只有几十微米；米；芯子外面有包皮芯子外面有包皮, 低折射率的玻璃或塑料制成，低折射率的玻璃或塑料制成，100-200微微米；米；最外层为保护层最外层为保护层, 保证入射到光纤内的光波集中在芯子内传保证入射到光纤内的光波集中在芯子内传输。输。光纤传感器特点 传光性能良好，光损耗小传光性能良好，光损耗小,最高最高0.2dB/km; 频带宽、可进行超高速

4、测量；频带宽、可进行超高速测量； 灵敏度、线性好；灵敏度、线性好； 体积小、重量轻，适应于非接触、远距离、体积小、重量轻，适应于非接触、远距离、恶劣环境测量。恶劣环境测量。tcosU4p 原原 理理激光束通过分束器、光纤入射到振动体上的一点，反射光作为信号光束，经过同一光学系统，被引入到探测器。参考光束是从由部分透射面R上反射产生的。在实际系统中，用光纤输出端面作为R面。信号光束只受到垂直振动分量信号光束只受到垂直振动分量U Ucostcost的调制。的调制。由于振动体使反射点靠近或远离光纤，从而改由于振动体使反射点靠近或远离光纤，从而改变了信号光束的光路长度，相应改变了信号光变了信号光束的光

5、路长度，相应改变了信号光与参考光的相对相位，产生了相位调制。与参考光的相对相位，产生了相位调制。信号信号光与参考光之间的相位差为：光与参考光之间的相位差为：式中，式中，为激光波长，为激光波长，为光波圆频率。为光波圆频率。 光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门崭新的传感技术。发展而形成的一门崭新的传感技术。 光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作，还可以与光纤遥感、遥等很多

6、特殊环境下正常工作，还可以与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。 光纤传感器应用前景光纤传感器应用前景 光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的高新技术，它可广泛应用于国民经济的各个领域和国高新技术，它可广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事领域。在航天（飞机及航天器各部位压力测量、防军事领域。在航天（飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等）、航海（声纳等）、石油开采温度测量、陀螺等）、航海（声纳等）、石油开采（液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量）、（液面高度、流量测量、二相

7、流中空隙度的测量）、电力传输（高压输电网的电流测量、电压测量）、核电力传输（高压输电网的电流测量、电压测量）、核工业（放射剂量测量、原子能发电站泄漏剂量监测）工业（放射剂量测量、原子能发电站泄漏剂量监测）医疗（血液流速测量、血压及心音测量）、科学研究医疗（血液流速测量、血压及心音测量）、科学研究（地球自转，敏感蒙皮）等众多领域都得到了广泛的（地球自转，敏感蒙皮）等众多领域都得到了广泛的应用。应用。 由于光纤传感器具有高灵敏度、耐腐蚀、抗干扰、由于光纤传感器具有高灵敏度、耐腐蚀、抗干扰、体积小等优点，使用范围广泛，可以检测温度、压力、体积小等优点，使用范围广泛，可以检测温度、压力、角位移、电压、

8、电流、声音和磁场等多种物理量。因角位移、电压、电流、声音和磁场等多种物理量。因而深受各方面欢迎，军民兼用，效果很好，发展速度而深受各方面欢迎，军民兼用，效果很好，发展速度快。快。 倒车雷达方面的应用倒车雷达方面的应用 倒车雷达，又称泊车辅助系统，或称倒车电脑警示系统。它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成。它能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和启动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性 现在市面上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者

9、在倒车时，将汽车的挡位推到R挡，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，从而计算出车体与障碍物之间的距离，判断出障碍物的位置，再由显示器显示距离并发出警示信号，从而使驾驶者倒车时不至于撞上障碍物。整个过程，驾驶者无须回头便可知车后的情况，使停车和倒车更容易、更安全。 距离大于厘米：不发出警示音；距离大于厘米：不发出警示音；距离介于至厘米：发出第一种警示音；距离介于至厘米：发出第一种警示音；距离小于厘米：发出第二种警示音。距离小于厘米：发出第二种警示音。 具体地说，倒车雷达的工作原理为：首先连接电

10、源并打开，车辆进入倒挡时，探测器主机自动进入工作状态，同时显示器波段亮起。然后，用专用钻头在保险杠上开孔，并将探测器分别装入孔内。根据车主倒车和停车的习惯，四个探头探测器分别安装在汽车的尾部或者两侧安装两个。安装好探测器主机在适当的位置，将显示器夹在车内后视镜上，就开始正常工作。光纤式光电开关光纤式光电开关应用应用标志孔标志孔电路板标志检测电路板标志检测 当光纤发出当光纤发出的光穿过标志孔的光穿过标志孔时，若无反射，时，若无反射，说明电路板方向说明电路板方向放置正确。放置正确。 光纤光纤 耦合器耦合器传输光纤传输光纤出射光纤出射光纤图图1 采 用 遮采 用 遮断型光纤光断型光纤光电开关对电开关

11、对IC 芯片引脚进芯片引脚进行检测行检测图图2专用的光纤连接头及光纤专用的光纤连接头及光纤插座插座 光纤与光纤与电光转换元件电光转换元件耦合时，两者的轴心必须耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。完成。 发光发光二极管产生二极管产生多种颜色的多种颜色的光线，通过光线，通过光导纤维传光导纤维传导到东方明导到东方明珠球体的表珠球体的表面。在计算面。在计算机控制下，机控制下，可产生动态可产生动态图案。图案。上海东方明珠上海东方明珠光纤液位传感器光纤液位传感器 保护管内保护管内为高温为高温光纤光纤低温低温光纤光纤光纤温度

12、传感器光纤温度传感器 光纤式光电开光纤式光电开关应用关应用遮断型光纤遮断型光纤光电开关光电开关出射光纤出射光纤接收光纤接收光纤与光纤耦合的电光与光与光纤耦合的电光与光电转换器件电转换器件 实现电光转换的元件通常是发光二极管或实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。激光二极管。 激光二极管激光二极管 激光二极管芯片激光二极管芯片激光二极管的简单原理 半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为的光子，其公式如下： =

13、hc/Eg (1)式中：h普朗克常数；c光速；Eg半导体的禁带宽度。 上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光激光，这就是激光二极管的简单原理。光纤传感器

14、的其他应用光纤传感器的其他应用光纤传感器在医学上的应用光纤传感器在医学上的应用 1 11 1光纤传感器在军事方面的应用光纤传感器在军事方面的应用 2 2光纤传感器在环境保护方面的应用光纤传感器在环境保护方面的应用 3 3光纤传感器的其他应用光纤传感器的其他应用1 1 光纤传感器在医学上的应用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：目前，比较典型的光纤医用传感器有如下几种： 光纤血流计、光纤光纤血流计、光纤 pH 值传感器、光纤体压计、光纤值传感器、光纤体压计、光纤体温计、光纤氧饱和度传感器等。体温计、光纤氧饱和度传感器等。11.1 1.1 光纤血光纤血 流计流计2

15、1.2 1.2光 纤光 纤 p Hp H值 传 感值 传 感器器 31.3 1.3 光光纤体纤体压计压计41.4 1.4 光纤体光纤体温计温计 51.5 1.5 光光纤氧饱纤氧饱和度传和度传感器感器6 1.6 1.6 光纤血光纤血气监测气监测传感器传感器 1 1 光纤传感器在医学上的应用光纤传感器在医学上的应用1.1 1.1 光纤血流计光纤血流计 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，基本结构如图如图1 1所示：所示：图图1 1 光纤血流计及其探头工作原理光纤血流计及其探头工作原理1.1 1.1 光纤血流计光纤血流计 氦氦氖激光器的线偏振光

16、由分束器分成两束，一束由透镜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耦合进心径约150 的光纤，光纤的另一端插入注射针头内，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，被直径约为径约为7 nm 的流动着的红血球散射后，再次返回，光纤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：的光信号产生的多普勒频移由下式给出： (1)(1) 2cos/fn 1.1 1.1 光纤血流计光纤血流计 式中，式中，为血流速度；为血流速度；n n为血液的折射率，其值为为血液的折射率，其

17、值为1.331.33； 为光纤轴线与血管轴线间的夹角；为光纤轴线与血管轴线间的夹角； 为激光波长。为激光波长。 分束器的另一束光用做参考光，将驱动频率分束器的另一束光用做参考光，将驱动频率f f1 1=40 =40 MHz的的布拉格盒移频器，置于参考光路中，用以区别血流方向。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移频后的参考光信号频率为 f f0 0-f-f1 1（f f0 0是光源的频率）。是光源的频率）。将新的参考光信号与多普勒频移信号将新的参考光信号与多普勒频移信号( f( f0 0+f )+f )进行混频，进行混频，就得到要探测的光信号。这种方法称为

18、光学外差法。就得到要探测的光信号。这种方法称为光学外差法。1.1 1.1 光纤血流计光纤血流计 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，如图谱分析仪，可以得到血流速度的多普勒频移谱，如图2 2所所示。示。 图图2 2 多普勒频移谱多普勒频移谱 1.1 1.1 光纤血流计光纤血流计 图中的符号由血流方向确定，根据式图中的符号由血流方向确定，根据式(1)(1) 当当090时，时，ff为正，即出现右移频率；为正，即出现右移频率； 当当90 180时，时，ff为负，则出现左移频率。频率为负，则出现左移

19、频率。频率表示最大频移表示最大频移f fcutcut（或截止频率）。（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，在实际的血流测量中，所观察到的多普勒信号为宽频信号，如图如图2 2中实线所示。中实线所示。 1.1 1.1 光纤血流计光纤血流计 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，其结构如图的托座，其结构如图3 3所示所示. . 图图3 3 光纤探头与托座光纤探头与托座1.1 1.1 光纤血流计光纤血流

20、计 图图14.414.4是实验得到的信号多普勒频谱。是实验得到的信号多普勒频谱。图图14.4 14.4 实验测得的多普勒频谱图实验测得的多普勒频谱图1.1 1.1 光纤血流计光纤血流计 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。在频谱的流中接近转盘底表面三种情况的频谱。在频谱的 40 MHz 处产生一个尖峰，此尖峰与速度处产生一个尖峰，此尖峰与速度 0 相对应。相对应。 在情况在情况 A 中，中，因为血流没有受到干扰，多普勒信号显示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；为相当窄的频率分

21、布；在情况在情况 B 中，中，频谱很宽，从频谱很宽，从 40 MHz 到较高的频率，最后降到散粒噪声水平。多普勒变到较高的频率，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。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 1.1 光纤血流计光纤血流计 在情况在情况 B 中，中，频率变化频率变化 ff 与情况与情况 A 中频率中频率ff 乘以乘以 1.33 相一致，而相一致，而 1.33 恰好为血液的折射率。所以，情况恰好为血液的折射率。所以，情况 A 和和情况情况 B 的变化是分别发生在空气中和血液中的多普勒效的变化是分别发生在空气中和血液中的多普

22、勒效应的结果。应的结果。 情况情况 C 中，中，在在 f fcut cut 附近出现一个小的低尖峰，这是血液中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。转盘射的多普勒信号的影响。 整个实验表明，可以用整个实验表明，可以用f fcut cut 正确表示血流速度。正确表示血流速度。 1.1 1.1 光纤血流计光纤血流计 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。图考信号的方法不同。图14.514.5简要示出了已经在医学上得到简要示出了已经在医学上得到很多实际应用的一种仪器。很多实际应用的一种仪器。 图图1

23、4.5 14.5 非插入式光纤多普勒血流计非插入式光纤多普勒血流计1.2 1.2 光纤光纤 pH 值传感器值传感器 光纤光纤 pH 值传感器是生物化学传感器，它的特点是利用光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。的生物化学量。 光纤光纤 pH 值传感器是以染料指示剂为基础进行工作的，它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的敏感部分使用一种可逆反应剂染料指示剂，例如酚染料指示剂，例如酚红染料试剂。红染料试剂。 1.2 1.2 光纤光纤 pH 值传

24、感器值传感器 酚红染料试剂具有两种状态形式，即基本状态和酸化状态。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，吸收，酸化状态是对蓝色光谱吸收，pH 值是由酚红试剂值是由酚红试剂对绿光（或监光）光谱的吸收量来决定的。对绿光（或监光）光谱的吸收量来决定的。 1.2 1.2 光纤光纤 pH 值传感器值传感器 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，取蓝绿色光作方式，取蓝绿色光 ( 1= 560

25、 nm )作为调制检测光，红作为调制检测光，红色光色光 ( 1= 630 nm ) 作为参考光，探测器接收到的蓝绿作为参考光，探测器接收到的蓝绿光和红色光强度的吸收比值为光和红色光强度的吸收比值为R ，pH 值与值与 R 的关系为的关系为 (2)(2) 式中，式中，K 为与光学系统有关的常数；为与光学系统有关的常数；D 为染料在第一个波为染料在第一个波长的光密度；长的光密度； pH - PK ，其中，其中 PK 为指示剂酸碱平衡常为指示剂酸碱平衡常数。数。/10110DRK1.2 1.2 光纤光纤 pH 值传感器值传感器 由式由式(2)(2)可以描绘出可以描绘出 R-曲线，如图曲线，如图14.

26、614.6所示。从该曲所示。从该曲线可以看出，在线可以看出，在pH = PK 附近有一段线性非常好的区域，附近有一段线性非常好的区域，即在这个范围内，即在这个范围内，pH 值与接收到的两种颜色光强的比值值与接收到的两种颜色光强的比值基本呈线性关系。基本呈线性关系。图图14.6 14.6 蓝绿光与红光强度的吸收比值蓝绿光与红光强度的吸收比值 R 与的关系曲线与的关系曲线1.2 1.2 光纤光纤pHpH值传感器值传感器 图图14.7(a)14.7(a)示出了以吸收值为基础的示出了以吸收值为基础的pH 值传感器的探头结值传感器的探头结构。构。 在实验中发现，这种结构的探头存在一些问题在实验中发现，这

27、种结构的探头存在一些问题, ,为了解决为了解决这些问题，改进了探头的结构，如图这些问题，改进了探头的结构，如图14.7(b)14.7(b)所示。所示。1.2 1.2 光纤光纤pHpH值传感器值传感器 图图14.7 14.7 pH 值传感器的探头结构图值传感器的探头结构图 1.3 1.3 光纤体压计光纤体压计 图图14.814.8 是一种光纤体压计探针结构示意图。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

28、装有两束光纤，上面一束是入射光纤，下面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。一束是输出光纤。 图图14.8 14.8 光纤体压计探头结构示意图光纤体压计探头结构示意图 1.3 1.3 光纤体压计光纤体压计 图图14.814.8中，在压力中，在压力 P = 0 时，没有光信号反射进入输出时，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。强信号。1.3 1.3 光纤体压计光纤体压计 图图14.914

29、.9则是一种则是一种 Y 形光纤束结构的体压计。形光纤束结构的体压计。 对压力敏感的反射薄膜被安装在对压力敏感的反射薄膜被安装在 Y 形光纤束的公共端面形光纤束的公共端面一侧。光源的光经一侧。光源的光经 Y 形光纤的一支输入，经反射薄膜反形光纤的一支输入，经反射薄膜反射后的光经射后的光经 Y 形光纤的另一支输出到光探测器上。形光纤的另一支输出到光探测器上。 图图14.9 14.9 Y 形光束结构的体压计形光束结构的体压计 1.3 1.3 光纤体压计光纤体压计 图图14.914.9中，中，压力的改变，使薄膜与光纤束端面的相对位置压力的改变，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

30、大小。光探测器的输出信发生变化，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。号与被测压力成正比。1.3 1.3 光纤体压计光纤体压计 图图1010为用于血压测量的新型薄膜光纤体压计结构图。为用于血压测量的新型薄膜光纤体压计结构图。两根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，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。特点是易弯曲，具有低的数值孔径。 图图10 10 薄膜光纤体压计结构图薄膜光纤体压计结构图1.4 1.4 光纤

31、体温计光纤体温计 Luxtron 温度计，激光光谱和辐射光谱如图温度计，激光光谱和辐射光谱如图11(a)11(a)所示，所示，辐辐射光谱取决于温度，图中强度射光谱取决于温度，图中强度 Y 和强度和强度 R 的比被用来决的比被用来决定温度。输出光强变化的温度曲线如图定温度。输出光强变化的温度曲线如图11(b)11(b)所示。所示。 (a) (a) 磷光混合物的激励和发光谱磷光混合物的激励和发光谱 (b) (b) 输出光强变化的温度曲线输出光强变化的温度曲线 图图11 Luxtron 11 Luxtron 温度计温度计 1.4 1.4 光纤体温计光纤体温计 光纤温度传感器的探头结构如图光纤温度传感

32、器的探头结构如图1212所示。所示。传感器的探测部传感器的探测部分应具有单端光输入与输出的功能。分应具有单端光输入与输出的功能。 图图12 12 光纤温度传感器的探头结构图光纤温度传感器的探头结构图1.4 1.4 光纤体温计光纤体温计 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如图13(a), (b)13(a), (b)所示。所示。探头的外壳由医学上可接受的含氟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。以对散射光进行屏蔽。 在

33、探头连接端通过一个在探头连接端通过一个全塑料的连接器全塑料的连接器 如图如图13(c)13(c)所示所示 ，与测量仪器配备的两根长与测量仪器配备的两根长 5 m的半固定光缆相连。这个长的半固定光缆相连。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。远的地方。 1.4 1.4 光纤体温计光纤体温计 图图13 13 阵列式光纤体温计外部光纤探头结构图阵列式光纤体温计外部光纤探头结构图1.4 1.4 光纤体温计光纤体温计 单个传感头的具体结构如图单个传感头的具体结构如图1414所示。所示。 图图14 14 单个传感头的结构图单个传

34、感头的结构图 纤心纤心外是外是塑料包层塑料包层，包裹在包层外的是一个不透光的，包裹在包层外的是一个不透光的套管。套管。1.4 1.4 光纤体温计光纤体温计 少量的少量的磷光体磷光体用适当的黏合剂固定在纤心的顶端。用适当的黏合剂固定在纤心的顶端。 包在磷光体外的是包在磷光体外的是反射层反射层，反射层外是不透光层，它可以，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。度。 最外面的是具有物理刚性的最外面的是具有物理刚性的保护层保护层，它包裹在光纤顶端和，它包裹在光纤顶端和温度传感器之外。温度传感器之外。 1.5 1

35、.5 光纤氧饱和度传感器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：采用光纤传感器测定氧饱和度的工作原理是：红血球中的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，氧血红蛋白）时，对不同波长的入射光有不同的吸收率，如图如图1515所示。所示。 图图15 15 血液的光谱特性曲线血液的光谱特性曲线 1.5 1.5 光纤氧饱和度传感器光纤氧饱和度传感器 在图在图15中，从曲线可以看出，中，从曲线可以看出，在波长为在波长为600 700 nm的红的红光区，还氧血红蛋白光区

36、，还氧血红蛋白(Hb)的吸收系数远比氧合血红蛋白的吸收系数远比氧合血红蛋白(HbO2)的大，但在波长为的大，但在波长为805 1000 nm的红外光区，的红外光区，Hb的吸收系数要比的吸收系数要比HbO2的小。当波长为的小。当波长为805 nm时，时，Hb和和HbO2具有相同的吸收系数，称为等吸收点。具有相同的吸收系数，称为等吸收点。 当血氧饱和度变化时，血氧饱和度与当血氧饱和度变化时，血氧饱和度与660 nm和和940 nm两两个波长的相对光强之间存在较好的线性关系。个波长的相对光强之间存在较好的线性关系。1.5 1.5 光纤氧饱和度传感器光纤氧饱和度传感器 根据根据 Beer-Lamber

37、t 定律，当选定的入射光波长为定律，当选定的入射光波长为660 nm和和940 nm时，其定律可表示为时，其定律可表示为 (3) 式中，式中， 660 和和 940 为全血在波长为为全血在波长为 660 nm 和和 940 nm处处的吸收率；的吸收率；A , B 为常数。为常数。 6602940SpOAB1.5 1.5 光纤氧饱和度传感器光纤氧饱和度传感器 如图如图1616所示，传感器通过接插头与仪器相连接。通过程序所示，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设计控制微处理器时产生波长为 660 nm 的红光和波长为的红光和波长为 940 nm 的红外光的驱动信号，

38、经的红外光的驱动信号，经 D/A 转换后送至光源转换后送至光源驱动电路。驱动电路。 图图16 16 光纤测氧计光纤测氧计1.5 1.5 光纤氧饱和度传感器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。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，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

39、处理，从而计算出血氧饱和度值。处理，从而计算出血氧饱和度值。1.6 1.6 光纤血气监测传感器光纤血气监测传感器 图图1717为利用光学荧光法制成的内血管血气探头结构图。为利用光学荧光法制成的内血管血气探头结构图。 图图17 17 内血管血气探头结构图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个完整的热电偶。三个光纤传感器分别对 pO2 , , pCO2 和和 pH 值进行测量，热电偶直接读取探头和探头尖端的血液温值进行测量，热电偶直接读取探头和探头尖端的血液温度度。2 2 光纤

40、传感器在军事方面的应用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。出。 下面介绍光纤传感器在军事领域中的若干重要应用。下面介绍光纤传感器在军事领域中的若干重要应用。 2 2 光纤传感器在军事方面的应用光纤传感器在军事方面的应用1 2.1 2.1 光纤传感器的光纤传感器的 航空航天军事航空航天军事 应用应用 2 2.2 2.2 光纤传感器的光纤传感器的 海上军事应用海上军事应用3 2.3 2.3 光纤传感技术光纤传感技术 在兵工测试中在兵工测试中 的应用的应用 2.1 2.1 光纤传感器的航空航天军事应用光纤

41、传感器的航空航天军事应用1 1光纤传感器在军用飞机和航天器上的应用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飞机和航天器的光纤传感器系统大致包含4 4个部分：个部分： 飞行控制系统和导航用光纤传感器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。光纤智能机壳监控系统用光纤传感器。 2.1 2.1 光纤传感器的航空航天军事应用光纤传感器的航空航天军事应用 2 2光纤传感器在火箭发动机测试中的应用光纤传感器在火箭发动机测试中的应用 (1) (1)

42、 用光纤传感器监测固体火箭药柱内应力和应变分布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类光纤传感系统的构成如图2121所示。所示。 图图21 21 固体火箭发动机药柱内应力应变光纤传感系统固体火箭发动机药柱内应力应变光纤传感系统2.1 2.1 光纤传感器的航空航天军事应用光纤传感器的航空航天军事应用 (2) (2) 固体推进剂燃烧速度光纤传感器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固体推进剂燃烧速度是指单位时间内燃烧面沿其法

43、线方向移动的距离。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。各个标定窗口的时间来推算出燃烧速度。 2.1 2.1 光纤传感器的航空航天军事应用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

44、分别接收，也可由聚光透镜聚合成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。被送到信号处理系统中处理。 图图22 22 固体推进剂燃烧速度光纤传感器示意图固体推进剂燃烧速度光纤传感器示意图2.2 2.2 光纤传感器的海上军事应用光纤传感器的海上军事应用1 1光纤水听器光纤水听器 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。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设水中声波的振幅方程为 (14.4)(14.4) 式中，式中，A

45、 A0 0 为水声波的最大振幅；为水声波的最大振幅；为水声波的圆频率，为水声波的圆频率， = 2 f f （ f f 为水声波频率）；为水声波频率）；为水声波的为水声波的传播常数，传播常数， =2/（为水声波长）；为水声波长）；x x 为水声为水声波的初始声程。波的初始声程。oaacos()AAtx2.2 2.2 光纤传感器的海上军事应用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水声波牵动水粒子位移引起的水密度变化为 (14.5)(14.5) 式中，式中，c c为水中声波的传播速度；为水中声波的传播速度；0 0 为静止水密度。为静止水密度。 由于水密度变化产生的水声波压变

46、化为由于水密度变化产生的水声波压变化为 (14.6)(14.6)oaoa2/AfA Cx 2aaoa2FCfC A 2.2 2.2 光纤传感器的海上军事应用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。图理制成的水声传感器。图2323为一种微弯光纤水听器探头的为一种微弯光纤水听器探头的结构示意图。结构示意图。 光纤敏化结构为具有光纤敏化结构为具有1010周期、类似于齿板副的隆起结构平周期、类似于齿板副的隆起结构平板副板副 如图如图23(a)23(a)所示所示 ，其中一块带隆起结构的平板与聚，其中

47、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字结构与水听器外壳相连 如图如图23(b), (c)23(b), (c)所示所示 。 2.2 2.2 光纤传感器的海上军事应用光纤传感器的海上军事应用 图图23 23 微弯光纤水听器探头结构示意图微弯光纤水听器探头结构示意图2.2 2.2 光纤传感器的海上军事应用光纤传感器的海上军事应用 微弯光纤水听器系统结构示意图如图微弯光纤水听器系统结构示意图如图24所示，光源为所示，光源为He-Ne 激光器，光束进入传感光纤后经过模分离器激光器，光束进入传感光

48、纤后经过模分离器( Mode Stripper )去掉包层模。去掉包层模的光束通过水听器的去掉包层模。去掉包层模的光束通过水听器的探头后，再一次经过模分离器，然后由光探测器探头后，再一次经过模分离器，然后由光探测器 PD 接收接收并送入频谱分析仪。并送入频谱分析仪。 图图24 24 微弯光纤水听器系统结构示意图微弯光纤水听器系统结构示意图2.2 2.2 光纤传感器的海上军事应用光纤传感器的海上军事应用 2 2桅杆式光电观测装置桅杆式光电观测装置 从从2020世纪世纪8080年代开始，美、英、德等国家的潜望镜制造厂年代开始，美、英、德等国家的潜望镜制造厂商都开始研制一种不穿透潜艇耐压船体的多功能

49、传感器成商都开始研制一种不穿透潜艇耐压船体的多功能传感器成像系统，即潜艇光电桅杆。像系统，即潜艇光电桅杆。2.3 2.3 光纤传感技术在兵工测试中的应用光纤传感技术在兵工测试中的应用 1 1武器膛温光纤传感器武器膛温光纤传感器 目前国内外膛壁温度测试是根据膛内测试结果用外推计算目前国内外膛壁温度测试是根据膛内测试结果用外推计算的方法求得被测膛温的。的方法求得被测膛温的。 由于膛壁表面温度分布具有二重性，径向和轴向都有温度由于膛壁表面温度分布具有二重性，径向和轴向都有温度梯度，且径向梯度远大于轴向梯度，采用热电偶测膛壁温梯度，且径向梯度远大于轴向梯度，采用热电偶测膛壁温度就有了一定局限，而采用光

50、纤辐射温度传感器则具有一度就有了一定局限，而采用光纤辐射温度传感器则具有一系列的优点。系列的优点。2.3 2.3 光纤传感技术在兵工测试中的应用光纤传感技术在兵工测试中的应用2 2光纤传感技术在引信测试中的应用光纤传感技术在引信测试中的应用 一种用于测量由发条或扭簧驱动的钟表机构骑马轮运动时一种用于测量由发条或扭簧驱动的钟表机构骑马轮运动时间的光纤传感器如图间的光纤传感器如图2525所示。所示。 图图25 25 钟表机构骑马轮运动时间光纤传感器钟表机构骑马轮运动时间光纤传感器2.3 2.3 光纤传感技术在兵工测试中的应用光纤传感技术在兵工测试中的应用 传感器的工作原理是：光源传感器的工作原理是

51、：光源 LED 发出的非相干光通过发发出的非相干光通过发射光纤投射到骑马轮上，当骑马轮转过一个齿时，所反射射光纤投射到骑马轮上，当骑马轮转过一个齿时，所反射的光强发生一次变化。此信号由接收光纤传至光电探测器的光强发生一次变化。此信号由接收光纤传至光电探测器(PD)，再经信号处理系统处理后输出反映骑马轮运动周期，再经信号处理系统处理后输出反映骑马轮运动周期的方波，配以相应的计时电路或记录装置，便可得到骑马的方波，配以相应的计时电路或记录装置，便可得到骑马轮转动一个齿所需的时间及整个工作过程中的时间变化。轮转动一个齿所需的时间及整个工作过程中的时间变化。 2.3 2.3 光纤传感技术在兵工测试中的

52、应用光纤传感技术在兵工测试中的应用 如图如图2626所示离心式引信钟表机构运动时间光纤传感器。所示离心式引信钟表机构运动时间光纤传感器。 由于传感器和被测件处于高速旋转状态，传感器的输出需由于传感器和被测件处于高速旋转状态，传感器的输出需转换成光信号，再由固定接收光纤接收，送至离心机外处转换成光信号，再由固定接收光纤接收，送至离心机外处理记录。理记录。 图图26 26 离心式引信钟表机构运动时间光纤传感器离心式引信钟表机构运动时间光纤传感器3 3 光纤传感器在环境保护方面的应用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。大气层是人类赖以生存的重要外界环境因素之一

53、。 大气，就是大气层内的空气，一般来说，是指占空气质量大气，就是大气层内的空气，一般来说，是指占空气质量 95 左右的地面上左右的地面上 12 km 的空气层，即人们常说的对流层。的空气层，即人们常说的对流层。3 3 光纤传感器在环境保护方面的应用光纤传感器在环境保护方面的应用3.1 3.1 光纤光纤NO2NO2传感器传感器1 13.2 3.2 光纤光纤NH3NH3传感器传感器2 23.3 3.3 光纤光纤CO2CO2传感器传感器3 33.4 3.4 光纤光纤CH4CH4传感器传感器4 43.1 3.1 光纤光纤NONO2 2传感器传感器 NO2 是污染大气的主要气体之一，是一种红褐色有特殊刺

54、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。激性臭味的气体。 图图2727示出了基于分子差动吸收法光纤远距离测量系统的组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。成框图。 图图27 27 基于分子差动吸收法光纤远距离测量系统的组成框图基于分子差动吸收法光纤远距离测量系统的组成框图3.1 3.1 光纤光纤NONO2 2传感器传感器 把摩托车排出的废气引进测量气室，发动机速度由低速把摩托车排出的废气引进测量气室，发动机速度由低速（约（约500 r/m）到高速（约）到高速（约3000 r/m）变化进行测试，所得）变化进行测试，所得实时测量结果曲线如图实时测量结果曲线如图

55、28所示，图中所示，图中A区为低速区，区为低速区，B区区为高速区。为高速区。 图图28 28 NO2 2 浓度实时测量结果曲线浓度实时测量结果曲线 3.2 3.2 光纤光纤NHNH3 3传感器传感器 光纤光纤NHNH3 3气体传感器的探头结构如图气体传感器的探头结构如图2929所示。所示。 图图29 29 光纤光纤 NHNH3 3气体传感器的探头结构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透气膜采用疏水性好的聚四氟乙烯(PTFE)微孔过滤膜，微孔过滤膜，既能把内充液与样品溶液分开，又能使既能把内充液与样品溶液分开，又能使NH3的极性气体透的极性气体透过。过。3.2 3.2 光纤光纤NHNH3 3传感器传感器 疏水性透气膜将内充液密封在疏水性透气膜将内充液密封在 PVC 外套管与光纤末端形外套管与光纤末端形成的空腔内，用固定螺钉调节光纤末端与透气膜之间充液成的空腔内，用固定螺钉调节光纤末端与透气膜之间充液层的厚度，指示剂直接溶于内充液中，并且被吸附于阴离层的厚度，指示剂直接溶于内充液中，并且被吸附于阴离子交换膜上。子交换膜上。 pH 敏感膜固定于光纤末端置于内充液中，采用聚四氟乙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