醫(yī)用傳感器：光纖傳感器

1、光纖傳感器光纖傳感器 2 光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)光調(diào)制與解調(diào)技術(shù) 1.2 光纖傳感器光纖傳感器 光纖傳感器基礎(chǔ)光纖傳感器基礎(chǔ) 1 2 光纖傳感器實(shí)例光纖傳感器實(shí)例 3 4.4 3 光纖傳感器光纖傳感器 光纖有很多的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)：抗電磁干擾能 力強(qiáng)、高靈敏度 、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、以及與光纖傳輸線路相容等。 光纖傳感器可應(yīng)用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、 彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場(chǎng)、電壓、 濕度、溫度、聲場(chǎng)、流量、濃度、pH值等70多個(gè) 物理量的測(cè)量，且具有十分廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā) 展前景。 第一節(jié)第一節(jié) 光纖傳感器基礎(chǔ)光纖傳感

2、器基礎(chǔ) 4 光纖傳感器光纖傳感器 一一. .光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 光纖是用光透射率高的電介質(zhì)(如石英、玻璃、 塑料等)構(gòu)成的光通路。光纖的結(jié)構(gòu)如圖1所示， 它由折射率n1較大(光密介質(zhì))的纖芯，和折射率n2 較小(光疏介質(zhì))的包層構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)。 圖1 光纖的基本結(jié)構(gòu)與波導(dǎo) 5 光纖傳感器光纖傳感器 二二. .傳光原理傳光原理 光的全反射現(xiàn)象是 研究光纖傳光原理的 基礎(chǔ)。根據(jù)幾何光學(xué) 原理，當(dāng)光線以較小 的入射角1由光密介 質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(即n1n2)時(shí)(見(jiàn)圖2)，則一部分 入射光將以折射角2折射入介質(zhì)2，其余部分仍 以1反射回介質(zhì)1。 圖2 光在兩介質(zhì)界面 上的折射和反射 6 光

3、纖傳感器光纖傳感器 依據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有 (1) 當(dāng)1角逐漸增大，直至1=c時(shí)，透射入介 質(zhì)2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面?zhèn)鞑?(2=90)。對(duì)應(yīng)于2=90時(shí)的入射角1稱為 臨界角c；由式(1)則有 (2) 由圖(1)和圖(2)可見(jiàn)，當(dāng)1c時(shí)，光線 將不再折射入介質(zhì)2，而在介質(zhì)(纖芯)內(nèi)產(chǎn)生連續(xù) 向前的全反射，直至由終端面射出。這就是光纖 傳光的工作基礎(chǔ)。 2211 sinsinnn 1 2 sin n n c 7 光纖傳感器光纖傳感器 同理，由圖1和Snell定律可導(dǎo)出光線由折射 率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反 射的臨界角(始端最大入射角

4、)為 (3) 式中NA定義為“數(shù)值孔徑”。它是衡量光 纖集光性能的主要參數(shù)。它表示：無(wú)論光源發(fā)射 功率多大，只有2c張角內(nèi)的光，才能被光纖接 收、傳播(全反射)；NA愈大，光纖的集光能力愈 強(qiáng)。產(chǎn)品光纖通常不給出折射率，而只給出NA。 石英光纖的NA=0.20.4。 NAnn n c 2 2 2 1 0 1 sin 8 光纖傳感器光纖傳感器 三三. .光纖的種類光纖的種類 光纖按纖芯和包層材料性質(zhì)分類，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3所示。階躍型光纖纖芯的折射率不 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

5、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4所示。光纖的另一種分類方法 是按光纖的傳播模式來(lái)分，可分為多模光纖和單 模光纖二類。 9 光纖傳感器光纖傳感器 圖3 光纖的折射率斷面(a) 階躍型；(b)梯度型 圖4 光在梯度型光 纖的傳輸 光纖傳輸?shù)墓獠ǎ梢苑纸鉃檠乜v軸向傳播和沿橫切向傳播 的兩種平面波成分。后者纖芯和包層的界面上會(huì)產(chǎn)生全反射。當(dāng) 它在橫切向往返一次的相位變化為2的整數(shù)倍時(shí)，將形成駐波。 形成駐波的光線組稱為模；它是離散存在的，亦即某種光纖只能 傳輸特定模數(shù)的光。通常纖芯直徑較粗時(shí)，能傳播幾百個(gè)以上的 模，二纖芯很細(xì)時(shí)，

6、只能傳播一個(gè)模。前者稱為多模光纖，多用 于非功能型(NF)光纖傳感器；后者是單模光纖，多用于功能型 (FF)光纖傳感器。 10 光纖傳感器光纖傳感器 四四. .光纖的特性光纖的特性 信號(hào)通過(guò)光纖時(shí)的損耗和色散是光纖的主要特性。 五五. .光纖傳感器分類光纖傳感器分類 光纖傳感器一般可分為兩大類：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

7、他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作 為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來(lái)自遠(yuǎn)處或難以接近 場(chǎng)所的光信號(hào)，因此，也稱傳光型光纖傳感器。 11 光纖傳感器光纖傳感器 六六. .光纖傳感器的發(fā)展趨勢(shì)光纖傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 光纖傳感器具有很多的優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)以電為基 礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器的革命性變革，發(fā)展前景是極其 光明的。但是，目前光纖傳感器的成本較高,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(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。為此，有 必要說(shuō)明光纖傳感器的可能發(fā)展趨勢(shì)： 當(dāng)前應(yīng)以傳統(tǒng)傳感器無(wú)法解決的問(wèn)題作為光纖傳 感器的主要研究對(duì)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，

8、發(fā)展遠(yuǎn)距離監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)。 開(kāi)辟新領(lǐng)域。 12 光纖傳感器光纖傳感器 光的調(diào)制和解調(diào)可分為：強(qiáng)度、相位、偏振、頻 率和波長(zhǎng)等方式。 光的調(diào)制過(guò)程就是將一攜帶信息的信號(hào)疊加到載 波光波上；完成這一過(guò)程的器件叫做調(diào)制器。 在光纖傳感器中，光的解調(diào)過(guò)程通常是將載波光 攜帶的信號(hào)轉(zhuǎn)換成光的強(qiáng)度變化，然后由光電探 測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。 第二節(jié)第二節(jié) 光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)光調(diào)制與解調(diào)技術(shù) 13 光纖傳感器光纖傳感器 2.1 2.1 強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào)強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào) 光纖傳感器中光強(qiáng)度調(diào)制是被測(cè)對(duì)象引起載 波光強(qiáng)度變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)的 方式。光強(qiáng)度變化可以直接用光電探測(cè)器進(jìn)行檢 測(cè)。 解調(diào)過(guò)程主要考慮的是信噪比

9、是否能滿足測(cè) 量精度的要求。 14 光纖傳感器光纖傳感器 微彎損耗強(qiáng)度調(diào)制器的 原理如圖。當(dāng)垂直于光 纖軸線的應(yīng)力使光纖發(fā) 生彎曲時(shí)，傳輸光有一 部分會(huì)泄漏到包層中去。 幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù) 1.微彎效應(yīng) 15 光纖傳感器光纖傳感器 外調(diào)制技術(shù)的調(diào)制環(huán)節(jié)通常在光纖外部，因而光纖本身只起傳 光作用。這里光纖分為兩部分：發(fā)送光纖和接收光纖。兩種常這里光纖分為兩部分：發(fā)送光纖和接收光纖。兩種常 用的調(diào)制器是用的調(diào)制器是反射器反射器和和遮光屏遮光屏。 2.光強(qiáng)度的外調(diào)制 16 光纖傳感器光纖傳感器 利用折射不同 進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制的 原理包括：利用 被測(cè)物理量引起傳 感材料折射率的

10、變 化；利用折射率 不同的介質(zhì)之間的 折射與反射 3.折射率光強(qiáng)度調(diào)制 17 光纖傳感器光纖傳感器 光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào) 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的關(guān)鍵是信號(hào)功率與噪 聲功率之比要足夠大. 強(qiáng)度調(diào)制的解調(diào)強(qiáng)度調(diào)制的解調(diào) 18 光纖傳感器光纖傳感器 光波是橫波。光振動(dòng)的電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H和 光線傳播方向s正交。按照光的振動(dòng)矢量E、H在 垂直于光線平面內(nèi)矢端軌跡的不同，又可分為線 偏振光（又稱平面偏振光）、圓偏振光、橢圓偏 振光和部分偏振光。利用光波的這種偏振性質(zhì)可 以制成光纖的偏振調(diào)制傳感器。 光纖傳感器中的偏振調(diào)制器常利用電光、磁光、 光彈等物理效應(yīng)。在解調(diào)過(guò)程中應(yīng)用檢偏器。 2.2 2.2

11、 偏振調(diào)制與解調(diào)偏振調(diào)制與解調(diào) 19 光纖傳感器光纖傳感器 如圖所示，當(dāng)壓如圖所示，當(dāng)壓 電晶體受光照射并電晶體受光照射并 在其正交方向上加在其正交方向上加 以高電壓，晶體將以高電壓，晶體將 呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象 普克耳效應(yīng)。在普克耳效應(yīng)。在 晶體中，兩正交的晶體中，兩正交的 偏振光的相位變化：偏振光的相位變化： 調(diào)制原理 1. 普克耳（Pockels）效應(yīng) 20 光纖傳感器光纖傳感器 平面偏振光通平面偏振光通 過(guò)帶磁性的物過(guò)帶磁性的物 體時(shí)，其偏振體時(shí)，其偏振 光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為 法拉第磁光效法拉第磁光效 應(yīng)，光矢量旋應(yīng)，光矢量旋 轉(zhuǎn)角：轉(zhuǎn)角： 2

12、.法拉第磁光效應(yīng)光纖 21 光纖傳感器光纖傳感器 在垂直于光波傳播在垂直于光波傳播 方向施加應(yīng)力，材方向施加應(yīng)力，材 料將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)料將產(chǎn)生雙折射現(xiàn) 象，其強(qiáng)弱正比于象，其強(qiáng)弱正比于 應(yīng)力。這種現(xiàn)象稱應(yīng)力。這種現(xiàn)象稱 為光彈效應(yīng)。偏振為光彈效應(yīng)。偏振 光的相位變化光的相位變化： 3.光彈效應(yīng) 22 光纖傳感器光纖傳感器 相位調(diào)制的基本原理是：通過(guò)被測(cè)能量場(chǎng)的 作用，使能量場(chǎng)中的一段敏感單模光纖內(nèi)傳播的 光波發(fā)生相位變化，利用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變 化變換為振幅變化，再通過(guò)光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。 2.3 2.3 相位調(diào)制與解調(diào)相位調(diào)制與解調(diào) 23 光纖傳感器光纖傳感器 光纖受到縱向（軸向）的機(jī)械應(yīng)

13、力作用時(shí)，將 產(chǎn)生三個(gè)主要的物理效應(yīng)，導(dǎo)致光纖中光相位的變 化： 光纖的長(zhǎng)度變化光纖的長(zhǎng)度變化應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng) 光纖芯的直徑變化光纖芯的直徑變化泊松效應(yīng)泊松效應(yīng) 光纖芯的折射率變化光纖芯的折射率變化光彈效應(yīng)光彈效應(yīng) 實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的物理效應(yīng) 1.應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng) 24 在所有干涉型光纖傳感器中，光纖中傳播光的 相位響應(yīng)都是與待測(cè)場(chǎng)中光纖的長(zhǎng)度L成正比。這 個(gè)待測(cè)場(chǎng)可以是變化的溫度T。 由于干涉型光纖傳感器中的信號(hào)臂光纖可以足 夠長(zhǎng)，因此信號(hào)光纖對(duì)溫度變化有很高的靈敏度。 光纖傳感器光纖傳感器 2.熱脹冷縮效應(yīng) 25 光纖傳感器光纖傳感器 相位解調(diào)原理相位解調(diào)原理 兩束相干光（信號(hào)光束和參考光束）同時(shí)

14、照射 在一光電探測(cè)器上，光電流的幅值將與兩光束的相 位差成函數(shù)關(guān)系。兩光束的光場(chǎng)相疊加，合成光場(chǎng) 的電場(chǎng)分量為 ： 光電探測(cè)器對(duì)合成光束的強(qiáng)度發(fā)生響應(yīng)。設(shè)自由 空間阻抗為Zo，則入射到光電探測(cè)器光敏面Ad的功率 為 26 光纖傳感器光纖傳感器 右圖為普通光學(xué)邁克 爾遜干涉儀原理圖。由激 光器輸出的單色光由分束 器（把光束分成兩個(gè)獨(dú)立 光束的光學(xué)元件）分成為 光強(qiáng)相等的兩束光。光束1 射向固定反射鏡然后反射 回分束器，再被分束器分 解：透射部分那束光由光 探測(cè)器接收，反射的那部 分光又返回到激光器。 干涉測(cè)量?jī)x與光纖干涉?zhèn)鞲衅髟砀缮鏈y(cè)量?jī)x與光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?1.邁克爾遜干涉儀 27 光纖傳感

15、器光纖傳感器 由激光器輸出，經(jīng)分束器透射的另一束光2入射 到可移動(dòng)反射鏡上，也反射回分束器上，經(jīng)分束器 反射的一部分光傳至光探測(cè)器上，而另一部分光則 經(jīng)由分束器透射，也返回到激光器。當(dāng)兩反射鏡到 分束器間的光程差小于激光的相干長(zhǎng)度時(shí)，射到光 探測(cè)器上的兩相干光束即產(chǎn)生干涉。兩相干光的相 位差為： lK 0 2 式中式中 KoKo光在空氣中的傳播常數(shù)光在空氣中的傳播常數(shù) 2l 2l 兩相干光的光程差兩相干光的光程差 28 光纖傳感器光纖傳感器 圖為馬赫澤德 爾干涉儀的工作原理。 與邁克爾遜干涉儀不 同的是，它沒(méi)有或很 少有光返回到激光器。 返回到激光器的光會(huì) 造成激光器的不穩(wěn)定 噪聲，對(duì)干涉測(cè)量

16、不 利。 2.馬赫澤德?tīng)枺∕ach-Zehnder）干涉儀 29 光纖傳感器光纖傳感器 激光經(jīng)分束器分為反射 和透射兩部分。這兩束光 均由反射鏡反射形成傳播 方向相反的閉合光路，并 在分束器上會(huì)合，送入光 探測(cè)器，同時(shí)也有一部分 返回到激光器。在這種干 涉儀中，兩光束的光程長(zhǎng) 度相等。根據(jù)雙束光干涉 原理，在光電探測(cè)器上探 測(cè)不到干涉光強(qiáng)的變化。 3.塞格納克（Sagnac）干涉儀 30 但當(dāng)把這種干涉儀裝在一個(gè)可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的 平臺(tái)上時(shí)，兩束傳播方向相反的光束到達(dá)光電探測(cè)器就有不 同的延遲。若平臺(tái)以角速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則在順時(shí)針?lè)较?傳播的光較逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓庋舆t大。這個(gè)相位延遲量

17、可 表示為： 式中 為旋轉(zhuǎn)率；A為光路圍成的面積；c為真空中光 速；o為真空中的光波長(zhǎng)。通過(guò)檢測(cè)干涉光強(qiáng)的變化， 就能知道旋轉(zhuǎn)速度。 光纖傳感器光纖傳感器 31 光纖傳感器光纖傳感器 頻率調(diào)制時(shí)光纖往往只起傳 輸光信號(hào)的作用，而不作為敏 感元件。 目前主要是利用光學(xué)多普勒 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。圖中，S為 光源，P為運(yùn)動(dòng)物體，Q是觀察 者所處的位置。若物體 P的運(yùn) 動(dòng)速度為v，方向與PS及PQ的夾 角分別為1和2，則從S發(fā)出 的頻率為f1的光經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)物體P 散射，觀察者在Q處觀察到的頻 率為f2。 4 4 頻率調(diào)制與解調(diào)頻率調(diào)制與解調(diào) 32 光纖傳感器光纖傳感器 根據(jù)多普勒原理可得： 光頻率調(diào)制的解調(diào)原理與相位調(diào)制的解調(diào)相同，需 要兩束光干涉。探測(cè)器的信號(hào)電流公式的推導(dǎo)亦與 相位調(diào)制的解調(diào)相同；只要用2ft代替式（9 26）中的（t），即可得： 33 光纖傳感器光纖傳感器 第三節(jié)第三節(jié) 光纖傳感器實(shí)例光纖傳感器實(shí)例 光纖液位傳感器 34 光纖傳感器光纖傳感器 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：光纖測(cè)頭端有一個(gè)圓錐體反射器。當(dāng)測(cè)頭置于空 氣中沒(méi)接觸液面時(shí)，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射而回到光 電二極管。當(dāng)測(cè)頭接觸液面時(shí)，由于液體折射率與空氣不同， 全內(nèi)反射被破壞，有部分光線透入液體內(nèi)，使返回到光電二 極管的光強(qiáng)變?nèi)?；返回光?qiáng)是液體折射率的線性函數(shù)。返回 光強(qiáng)發(fā)生突變時(shí)，表明測(cè)頭已接觸到