光纖傳感器的應(yīng)用

1、光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用各種裝飾性光導(dǎo)各種裝飾性光導(dǎo)纖維纖維 光纜的外光纜的外形形及光纖及光纖的拉制的拉制 光纖傳感器光纖傳感器外形外形 光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類光纖傳感器一般分為兩大類：光纖傳感器一般分為兩大類： 一類是傳光型，也稱非功能型光纖傳感器；一類是傳光型，也稱非功能型光纖傳感器；多數(shù)使用多模光纖，以傳輸更多的光量。多數(shù)使用多模光纖，以傳輸更多的光量。 一類是傳感型，或稱為功能型光纖傳感器。一類是傳感型，或稱為功能型光纖傳感器。傳感型光纖傳感器，是利用被測(cè)對(duì)象調(diào)制傳感型光纖傳感器，是利用被測(cè)對(duì)象調(diào)制或改變光纖的特性，所以只能用單模光纖。或改變光纖的特性，所以只能用單模

2、光纖。1、功能型傳感器、功能型傳感器利用光纖本身具有的某種敏感功能。利用光纖本身具有的某種敏感功能。光纖一方面起傳輸光的作用，另一方面作為敏感元件，光纖一方面起傳輸光的作用，另一方面作為敏感元件，被測(cè)物理量的變化將影響光纖的傳輸特性，從而將被被測(cè)物理量的變化將影響光纖的傳輸特性，從而將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制的光信號(hào)。也稱傳感型光纖傳感器。測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制的光信號(hào)。也稱傳感型光纖傳感器。2、非功能型光纖傳感器、非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光

3、信號(hào)光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)所以也稱為傳光型傳感器或混合型傳感器。所以也稱為傳光型傳感器或混合型傳感器。光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 中央稱為芯子中央稱為芯子, 高折射率的玻璃材料制成，直徑只有幾十微高折射率的玻璃材料制成，直徑只有幾十微米；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；最外層為保護(hù)層最外層為保護(hù)層, 保證入射到光纖內(nèi)的光波集中在芯子內(nèi)傳保證入射到光纖內(nèi)的光波集中在芯子內(nèi)傳輸。輸。光纖傳感器特點(diǎn) 傳光性能良好，光損耗小傳光性能良好，光損耗小,最高最高0.2dB/km; 頻帶寬、可進(jìn)行超高速

4、測(cè)量；頻帶寬、可進(jìn)行超高速測(cè)量； 靈敏度、線性好；靈敏度、線性好； 體積小、重量輕，適應(yīng)于非接觸、遠(yuǎn)距離、體積小、重量輕，適應(yīng)于非接觸、遠(yuǎn)距離、惡劣環(huán)境測(cè)量。惡劣環(huán)境測(cè)量。tcosU4p 原原 理理激光束通過分束器、光纖入射到振動(dòng)體上的一點(diǎn)，反射光作為信號(hào)光束，經(jīng)過同一光學(xué)系統(tǒng)，被引入到探測(cè)器。參考光束是從由部分透射面R上反射產(chǎn)生的。在實(shí)際系統(tǒng)中，用光纖輸出端面作為R面。信號(hào)光束只受到垂直振動(dòng)分量信號(hào)光束只受到垂直振動(dòng)分量U Ucostcost的調(diào)制。的調(diào)制。由于振動(dòng)體使反射點(diǎn)靠近或遠(yuǎn)離光纖，從而改由于振動(dòng)體使反射點(diǎn)靠近或遠(yuǎn)離光纖，從而改變了信號(hào)光束的光路長(zhǎng)度，相應(yīng)改變了信號(hào)光變了信號(hào)光束的光

5、路長(zhǎng)度，相應(yīng)改變了信號(hào)光與參考光的相對(duì)相位，產(chǎn)生了相位調(diào)制。與參考光的相對(duì)相位，產(chǎn)生了相位調(diào)制。信號(hào)信號(hào)光與參考光之間的相位差為：光與參考光之間的相位差為：式中，式中，為激光波長(zhǎng)，為激光波長(zhǎng)，為光波圓頻率。為光波圓頻率。 光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展而形成的一門嶄新的傳感技術(shù)。發(fā)展而形成的一門嶄新的傳感技術(shù)。 光纖傳感器的傳感靈敏度要比傳統(tǒng)傳感器高許多光纖傳感器的傳感靈敏度要比傳統(tǒng)傳感器高許多倍，而且它可以在高電壓、大噪聲、高溫、強(qiáng)腐蝕性倍，而且它可以在高電壓、大噪聲、高溫、強(qiáng)腐蝕性等很多特殊環(huán)境下正常工作，還可以與光纖遙感、遙等很多

6、特殊環(huán)境下正常工作，還可以與光纖遙感、遙測(cè)技術(shù)配合，形成光纖遙感系統(tǒng)和光纖遙測(cè)系統(tǒng)。測(cè)技術(shù)配合，形成光纖遙感系統(tǒng)和光纖遙測(cè)系統(tǒng)。 光纖傳感器應(yīng)用前景光纖傳感器應(yīng)用前景 光纖傳感技術(shù)是許多經(jīng)濟(jì)、軍事強(qiáng)國爭(zhēng)相研究的光纖傳感技術(shù)是許多經(jīng)濟(jì)、軍事強(qiáng)國爭(zhēng)相研究的高新技術(shù)，它可廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和國高新技術(shù)，它可廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和國防軍事領(lǐng)域。在航天（飛機(jī)及航天器各部位壓力測(cè)量、防軍事領(lǐng)域。在航天（飛機(jī)及航天器各部位壓力測(cè)量、溫度測(cè)量、陀螺等）、航海（聲納等）、石油開采溫度測(cè)量、陀螺等）、航海（聲納等）、石油開采（液面高度、流量測(cè)量、二相流中空隙度的測(cè)量）、（液面高度、流量測(cè)量、二相

7、流中空隙度的測(cè)量）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測(cè)量、電壓測(cè)量）、核電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測(cè)量、電壓測(cè)量）、核工業(yè)（放射劑量測(cè)量、原子能發(fā)電站泄漏劑量監(jiān)測(cè)）工業(yè)（放射劑量測(cè)量、原子能發(fā)電站泄漏劑量監(jiān)測(cè)）醫(yī)療（血液流速測(cè)量、血壓及心音測(cè)量）、科學(xué)研究醫(yī)療（血液流速測(cè)量、血壓及心音測(cè)量）、科學(xué)研究（地球自轉(zhuǎn)，敏感蒙皮）等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的（地球自轉(zhuǎn)，敏感蒙皮）等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用。 由于光纖傳感器具有高靈敏度、耐腐蝕、抗干擾、由于光纖傳感器具有高靈敏度、耐腐蝕、抗干擾、體積小等優(yōu)點(diǎn)，使用范圍廣泛，可以檢測(cè)溫度、壓力、體積小等優(yōu)點(diǎn)，使用范圍廣泛，可以檢測(cè)溫度、壓力、角位移、電壓、

8、電流、聲音和磁場(chǎng)等多種物理量。因角位移、電壓、電流、聲音和磁場(chǎng)等多種物理量。因而深受各方面歡迎，軍民兼用，效果很好，發(fā)展速度而深受各方面歡迎，軍民兼用，效果很好，發(fā)展速度快。快。 倒車?yán)走_(dá)方面的應(yīng)用倒車?yán)走_(dá)方面的應(yīng)用 倒車?yán)走_(dá)，又稱泊車輔助系統(tǒng)，或稱倒車電腦警示系統(tǒng)。它是汽車泊車或者倒車時(shí)的安全輔助裝置，由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器（或蜂鳴器）等部分組成。它能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車、倒車和啟動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性 現(xiàn)在市面上的倒車?yán)走_(dá)大多采用超聲波測(cè)距原理，駕駛者

9、在倒車時(shí)，將汽車的擋位推到R擋，啟動(dòng)倒車?yán)走_(dá)，在控制器的控制下，由裝置于車尾保險(xiǎn)杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號(hào)，傳感器接收到回波信號(hào)后經(jīng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而計(jì)算出車體與障礙物之間的距離，判斷出障礙物的位置，再由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號(hào)，從而使駕駛者倒車時(shí)不至于撞上障礙物。整個(gè)過程，駕駛者無須回頭便可知車后的情況，使停車和倒車更容易、更安全。 距離大于厘米：不發(fā)出警示音；距離大于厘米：不發(fā)出警示音；距離介于至厘米：發(fā)出第一種警示音；距離介于至厘米：發(fā)出第一種警示音；距離小于厘米：發(fā)出第二種警示音。距離小于厘米：發(fā)出第二種警示音。 具體地說，倒車?yán)走_(dá)的工作原理為：首先連接電

10、源并打開，車輛進(jìn)入倒擋時(shí)，探測(cè)器主機(jī)自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，同時(shí)顯示器波段亮起。然后，用專用鉆頭在保險(xiǎn)杠上開孔，并將探測(cè)器分別裝入孔內(nèi)。根據(jù)車主倒車和停車的習(xí)慣，四個(gè)探頭探測(cè)器分別安裝在汽車的尾部或者兩側(cè)安裝兩個(gè)。安裝好探測(cè)器主機(jī)在適當(dāng)?shù)奈恢?，將顯示器夾在車內(nèi)后視鏡上，就開始正常工作。光纖式光電開關(guān)光纖式光電開關(guān)應(yīng)用應(yīng)用標(biāo)志孔標(biāo)志孔電路板標(biāo)志檢測(cè)電路板標(biāo)志檢測(cè) 當(dāng)光纖發(fā)出當(dāng)光纖發(fā)出的光穿過標(biāo)志孔的光穿過標(biāo)志孔時(shí)，若無反射，時(shí)，若無反射，說明電路板方向說明電路板方向放置正確。放置正確。 光纖光纖 耦合器耦合器傳輸光纖傳輸光纖出射光纖出射光纖圖圖1 采 用 遮采 用 遮斷型光纖光斷型光纖光電開關(guān)對(duì)電開關(guān)

11、對(duì)IC 芯片引腳進(jìn)芯片引腳進(jìn)行檢測(cè)行檢測(cè)圖圖2專用的光纖連接頭及光纖專用的光纖連接頭及光纖插座插座 光纖與光纖與電光轉(zhuǎn)換元件電光轉(zhuǎn)換元件耦合時(shí)，兩者的軸心必須耦合時(shí)，兩者的軸心必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)并固定，可使用專用的連接頭及光纖插座來嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)并固定，可使用專用的連接頭及光纖插座來完成。完成。 發(fā)光發(fā)光二極管產(chǎn)生二極管產(chǎn)生多種顏色的多種顏色的光線，通過光線，通過光導(dǎo)纖維傳光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明導(dǎo)到東方明珠球體的表珠球體的表面。在計(jì)算面。在計(jì)算機(jī)控制下，機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。圖案。上海東方明珠上海東方明珠光纖液位傳感器光纖液位傳感器 保護(hù)管內(nèi)保護(hù)管內(nèi)為高溫為高溫光纖光纖低溫低溫光纖光纖光纖溫度

12、傳感器光纖溫度傳感器 光纖式光電開光纖式光電開關(guān)應(yīng)用關(guān)應(yīng)用遮斷型光纖遮斷型光纖光電開關(guān)光電開關(guān)出射光纖出射光纖接收光纖接收光纖與光纖耦合的電光與光與光纖耦合的電光與光電轉(zhuǎn)換器件電轉(zhuǎn)換器件 實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的元件通常是發(fā)光二極管或?qū)崿F(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的元件通常是發(fā)光二極管或激光二極管。激光二極管。 激光二極管激光二極管 激光二極管芯片激光二極管芯片激光二極管的簡(jiǎn)單原理 半導(dǎo)體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復(fù)合。當(dāng)半導(dǎo)體的PN結(jié)加有正向電壓時(shí)，會(huì)削弱PN結(jié)勢(shì)壘，迫使電子從N區(qū)經(jīng)PN結(jié)注入P區(qū)，空穴從P區(qū)經(jīng)過PN結(jié)注入N區(qū)，這些注入PN結(jié)附近的非平衡電子和空穴將會(huì)發(fā)生復(fù)合，從而發(fā)射出波長(zhǎng)為的光子，其公式如下： =

13、hc/Eg (1)式中：h普朗克常數(shù)；c光速；Eg半導(dǎo)體的禁帶寬度。 上述由于電子與空穴的自發(fā)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過半導(dǎo)體時(shí)，一旦經(jīng)過已發(fā)射的電子空穴對(duì)附近，就能激勵(lì)二者復(fù)合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會(huì)形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí)，就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光激光，這就是激光二極管的簡(jiǎn)單原理。光纖傳感器

14、的其他應(yīng)用光纖傳感器的其他應(yīng)用光纖傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用光纖傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 1 11 1光纖傳感器在軍事方面的應(yīng)用光纖傳感器在軍事方面的應(yīng)用 2 2光纖傳感器在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用光纖傳感器在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用 3 3光纖傳感器的其他應(yīng)用光纖傳感器的其他應(yīng)用1 1 光纖傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用光纖傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 目前，比較典型的光纖醫(yī)用傳感器有如下幾種：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(jì)、光纖光纖血流計(jì)、光纖 pH 值傳感器、光纖體壓計(jì)、光纖值傳感器、光纖體壓計(jì)、光纖體溫計(jì)、光纖氧飽和度傳感器等。體溫計(jì)、光纖氧飽和度傳感器等。11.1 1.1 光纖血光纖血 流計(jì)流計(jì)2

15、1.2 1.2光 纖光 纖 p Hp H值 傳 感值 傳 感器器 31.3 1.3 光光纖體纖體壓計(jì)壓計(jì)41.4 1.4 光纖體光纖體溫計(jì)溫計(jì) 51.5 1.5 光光纖氧飽纖氧飽和度傳和度傳感器感器6 1.6 1.6 光纖血光纖血?dú)獗O(jiān)測(cè)氣監(jiān)測(cè)傳感器傳感器 1 1 光纖傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用光纖傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用1.1 1.1 光纖血流計(jì)光纖血流計(jì) 光纖血流計(jì)的工作原理是應(yīng)用多普勒頻移原理，基本結(jié)構(gòu)光纖血流計(jì)的工作原理是應(yīng)用多普勒頻移原理，基本結(jié)構(gòu)如圖如圖1 1所示：所示：圖圖1 1 光纖血流計(jì)及其探頭工作原理光纖血流計(jì)及其探頭工作原理1.1 1.1 光纖血流計(jì)光纖血流計(jì) 氦氦氖激光器的線偏振光

16、由分束器分成兩束，一束由透鏡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(jìn)心徑約耦合進(jìn)心徑約150 的光纖，光纖的另一端插入注射針頭內(nèi)，的光纖，光纖的另一端插入注射針頭內(nèi)，注射器以角度插進(jìn)血管內(nèi)。激光經(jīng)光纖到達(dá)血液中，被直注射器以角度插進(jìn)血管內(nèi)。激光經(jīng)光纖到達(dá)血液中，被直徑約為徑約為7 nm 的流動(dòng)著的紅血球散射后，再次返回，光纖的流動(dòng)著的紅血球散射后，再次返回，光纖的光信號(hào)產(chǎn)生的多普勒頻移由下式給出：的光信號(hào)產(chǎn)生的多普勒頻移由下式給出： (1)(1) 2cos/fn 1.1 1.1 光纖血流計(jì)光纖血流計(jì) 式中，式中，為血流速度；為血流速度；n n為血液的折射率，其值為為血液的折射率，其

17、值為1.331.33； 為光纖軸線與血管軸線間的夾角；為光纖軸線與血管軸線間的夾角； 為激光波長(zhǎng)。為激光波長(zhǎng)。 分束器的另一束光用做參考光，將驅(qū)動(dòng)頻率分束器的另一束光用做參考光，將驅(qū)動(dòng)頻率f f1 1=40 =40 MHz的的布拉格盒移頻器，置于參考光路中，用以區(qū)別血流方向。布拉格盒移頻器，置于參考光路中，用以區(qū)別血流方向。移頻后的參考光信號(hào)頻率為移頻后的參考光信號(hào)頻率為 f f0 0-f-f1 1（f f0 0是光源的頻率）。是光源的頻率）。將新的參考光信號(hào)與多普勒頻移信號(hào)將新的參考光信號(hào)與多普勒頻移信號(hào)( f( f0 0+f )+f )進(jìn)行混頻，進(jìn)行混頻，就得到要探測(cè)的光信號(hào)。這種方法稱為

18、光學(xué)外差法。就得到要探測(cè)的光信號(hào)。這種方法稱為光學(xué)外差法。1.1 1.1 光纖血流計(jì)光纖血流計(jì) 以雪崩光電二極管探測(cè)混頻光信號(hào)，變換成光電流送進(jìn)頻以雪崩光電二極管探測(cè)混頻光信號(hào)，變換成光電流送進(jìn)頻譜分析儀，可以得到血流速度的多普勒頻移譜，如圖譜分析儀，可以得到血流速度的多普勒頻移譜，如圖2 2所所示。示。 圖圖2 2 多普勒頻移譜多普勒頻移譜 1.1 1.1 光纖血流計(jì)光纖血流計(jì) 圖中的符號(hào)由血流方向確定，根據(jù)式圖中的符號(hào)由血流方向確定，根據(jù)式(1)(1) 當(dāng)當(dāng)090時(shí)，時(shí)，ff為正，即出現(xiàn)右移頻率；為正，即出現(xiàn)右移頻率； 當(dāng)當(dāng)90 180時(shí)，時(shí)，ff為負(fù)，則出現(xiàn)左移頻率。頻率為負(fù)，則出現(xiàn)左移

19、頻率。頻率表示最大頻移表示最大頻移f fcutcut（或截止頻率）。（或截止頻率）。 在實(shí)際的血流測(cè)量中，所觀察到的多普勒信號(hào)為寬頻信號(hào)，在實(shí)際的血流測(cè)量中，所觀察到的多普勒信號(hào)為寬頻信號(hào)，如圖如圖2 2中實(shí)線所示。中實(shí)線所示。 1.1 1.1 光纖血流計(jì)光纖血流計(jì) 由于光纖探頭要探入血管，因此注射器的針頭形狀就很重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?yàn)樗鼘⒅苯佑绊懷魉俣茸V。這種注射器具有特制要，因?yàn)樗鼘⒅苯佑绊懷魉俣茸V。這種注射器具有特制的托座，其結(jié)構(gòu)如圖的托座，其結(jié)構(gòu)如圖3 3所示所示. . 圖圖3 3 光纖探頭與托座光纖探頭與托座1.1 1.1 光纖血流計(jì)光纖血流

20、計(jì) 圖圖14.414.4是實(shí)驗(yàn)得到的信號(hào)多普勒頻譜。是實(shí)驗(yàn)得到的信號(hào)多普勒頻譜。圖圖14.4 14.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的多普勒頻譜圖實(shí)驗(yàn)測(cè)得的多普勒頻譜圖1.1 1.1 光纖血流計(jì)光纖血流計(jì) A, B, C 分別為光纖頂端接近血流表面、在血流中和在血分別為光纖頂端接近血流表面、在血流中和在血流中接近轉(zhuǎn)盤底表面三種情況的頻譜。在頻譜的流中接近轉(zhuǎn)盤底表面三種情況的頻譜。在頻譜的 40 MHz 處產(chǎn)生一個(gè)尖峰，此尖峰與速度處產(chǎn)生一個(gè)尖峰，此尖峰與速度 0 相對(duì)應(yīng)。相對(duì)應(yīng)。 在情況在情況 A 中，中，因?yàn)檠鳑]有受到干擾，多普勒信號(hào)顯示為因?yàn)檠鳑]有受到干擾，多普勒信號(hào)顯示為相當(dāng)窄的頻率分布；相當(dāng)窄的頻率分

21、布；在情況在情況 B 中，中，頻譜很寬，從頻譜很寬，從 40 MHz 到較高的頻率，最后降到散粒噪聲水平。多普勒變化信號(hào)到較高的頻率，最后降到散粒噪聲水平。多普勒變化信號(hào)的展寬是由光纖插入血管中所引起的干擾造成的。的展寬是由光纖插入血管中所引起的干擾造成的。 1.1 1.1 光纖血流計(jì)光纖血流計(jì) 在情況在情況 B 中，中，頻率變化頻率變化 ff 與情況與情況 A 中頻率中頻率ff 乘以乘以 1.33 相一致，而相一致，而 1.33 恰好為血液的折射率。所以，情況恰好為血液的折射率。所以，情況 A 和和情況情況 B 的變化是分別發(fā)生在空氣中和血液中的多普勒效的變化是分別發(fā)生在空氣中和血液中的多普

22、勒效應(yīng)的結(jié)果。應(yīng)的結(jié)果。 情況情況 C 中，中，在在 f fcut cut 附近出現(xiàn)一個(gè)小的低尖峰，這是血液中附近出現(xiàn)一個(gè)小的低尖峰，這是血液中轉(zhuǎn)盤射的多普勒信號(hào)的影響。轉(zhuǎn)盤射的多普勒信號(hào)的影響。 整個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，可以用整個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，可以用f fcut cut 正確表示血流速度。正確表示血流速度。 1.1 1.1 光纖血流計(jì)光纖血流計(jì) 光纖多普勒速度計(jì)還有很多別的設(shè)計(jì)方式，主要是選取參光纖多普勒速度計(jì)還有很多別的設(shè)計(jì)方式，主要是選取參考信號(hào)的方法不同。圖考信號(hào)的方法不同。圖14.514.5簡(jiǎn)要示出了已經(jīng)在醫(yī)學(xué)上得到簡(jiǎn)要示出了已經(jīng)在醫(yī)學(xué)上得到很多實(shí)際應(yīng)用的一種儀器。很多實(shí)際應(yīng)用的一種儀器。 圖圖1

23、4.5 14.5 非插入式光纖多普勒血流計(jì)非插入式光纖多普勒血流計(jì)1.2 1.2 光纖光纖 pH 值傳感器值傳感器 光纖光纖 pH 值傳感器是生物化學(xué)傳感器，它的特點(diǎn)是利用光值傳感器是生物化學(xué)傳感器，它的特點(diǎn)是利用光纖末端安置的敏感元件感受信息，以測(cè)定人體或生物體內(nèi)纖末端安置的敏感元件感受信息，以測(cè)定人體或生物體內(nèi)的生物化學(xué)量。的生物化學(xué)量。 光纖光纖 pH 值傳感器是以染料指示劑為基礎(chǔ)進(jìn)行工作的，它值傳感器是以染料指示劑為基礎(chǔ)進(jìn)行工作的，它的敏感部分使用一種可逆反應(yīng)劑的敏感部分使用一種可逆反應(yīng)劑染料指示劑，例如酚染料指示劑，例如酚紅染料試劑。紅染料試劑。 1.2 1.2 光纖光纖 pH 值傳

24、感器值傳感器 酚紅染料試劑具有兩種狀態(tài)形式，即基本狀態(tài)和酸化狀態(tài)。酚紅染料試劑具有兩種狀態(tài)形式，即基本狀態(tài)和酸化狀態(tài)。 每一種狀態(tài)有不同的光吸收譜線，基本狀態(tài)是對(duì)綠色光譜每一種狀態(tài)有不同的光吸收譜線，基本狀態(tài)是對(duì)綠色光譜吸收，酸化狀態(tài)是對(duì)藍(lán)色光譜吸收，吸收，酸化狀態(tài)是對(duì)藍(lán)色光譜吸收，pH 值是由酚紅試劑值是由酚紅試劑對(duì)綠光（或監(jiān)光）光譜的吸收量來決定的。對(duì)綠光（或監(jiān)光）光譜的吸收量來決定的。 1.2 1.2 光纖光纖 pH 值傳感器值傳感器 在實(shí)際運(yùn)用中，為了提高靈敏度消除誤差，采用雙波長(zhǎng)工在實(shí)際運(yùn)用中，為了提高靈敏度消除誤差，采用雙波長(zhǎng)工作方式，取藍(lán)綠色光作方式，取藍(lán)綠色光 ( 1= 560

25、 nm )作為調(diào)制檢測(cè)光，紅作為調(diào)制檢測(cè)光，紅色光色光 ( 1= 630 nm ) 作為參考光，探測(cè)器接收到的藍(lán)綠作為參考光，探測(cè)器接收到的藍(lán)綠光和紅色光強(qiáng)度的吸收比值為光和紅色光強(qiáng)度的吸收比值為R ，pH 值與值與 R 的關(guān)系為的關(guān)系為 (2)(2) 式中，式中，K 為與光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)的常數(shù)；為與光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)的常數(shù)；D 為染料在第一個(gè)波為染料在第一個(gè)波長(zhǎng)的光密度；長(zhǎng)的光密度； pH - PK ，其中，其中 PK 為指示劑酸堿平衡常為指示劑酸堿平衡常數(shù)。數(shù)。/10110DRK1.2 1.2 光纖光纖 pH 值傳感器值傳感器 由式由式(2)(2)可以描繪出可以描繪出 R-曲線，如圖曲線，如圖14.

26、614.6所示。從該曲所示。從該曲線可以看出，在線可以看出，在pH = PK 附近有一段線性非常好的區(qū)域，附近有一段線性非常好的區(qū)域，即在這個(gè)范圍內(nèi)，即在這個(gè)范圍內(nèi)，pH 值與接收到的兩種顏色光強(qiáng)的比值值與接收到的兩種顏色光強(qiáng)的比值基本呈線性關(guān)系。基本呈線性關(guān)系。圖圖14.6 14.6 藍(lán)綠光與紅光強(qiáng)度的吸收比值藍(lán)綠光與紅光強(qiáng)度的吸收比值 R 與的關(guān)系曲線與的關(guān)系曲線1.2 1.2 光纖光纖pHpH值傳感器值傳感器 圖圖14.7(a)14.7(a)示出了以吸收值為基礎(chǔ)的示出了以吸收值為基礎(chǔ)的pH 值傳感器的探頭結(jié)值傳感器的探頭結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的探頭存在一些問題在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這

27、種結(jié)構(gòu)的探頭存在一些問題, ,為了解決為了解決這些問題，改進(jìn)了探頭的結(jié)構(gòu)，如圖這些問題，改進(jìn)了探頭的結(jié)構(gòu)，如圖14.7(b)14.7(b)所示。所示。1.2 1.2 光纖光纖pHpH值傳感器值傳感器 圖圖14.7 14.7 pH 值傳感器的探頭結(jié)構(gòu)圖值傳感器的探頭結(jié)構(gòu)圖 1.3 1.3 光纖體壓計(jì)光纖體壓計(jì) 圖圖14.814.8 是一種光纖體壓計(jì)探針結(jié)構(gòu)示意圖。是一種光纖體壓計(jì)探針結(jié)構(gòu)示意圖。 對(duì)壓力敏感的防水薄膜被安置在探針導(dǎo)管末端側(cè)壁的小對(duì)壓力敏感的防水薄膜被安置在探針導(dǎo)管末端側(cè)壁的小孔上，通過一根懸臂與反射鏡相連。在與反射鏡相對(duì)的孔上，通過一根懸臂與反射鏡相連。在與反射鏡相對(duì)的探針導(dǎo)管里

28、裝有兩束光纖，上面一束是入射光纖，下面探針導(dǎo)管里裝有兩束光纖，上面一束是入射光纖，下面一束是輸出光纖。一束是輸出光纖。 圖圖14.8 14.8 光纖體壓計(jì)探頭結(jié)構(gòu)示意圖光纖體壓計(jì)探頭結(jié)構(gòu)示意圖 1.3 1.3 光纖體壓計(jì)光纖體壓計(jì) 圖圖14.814.8中，在壓力中，在壓力 P = 0 時(shí)，沒有光信號(hào)反射進(jìn)入輸出時(shí)，沒有光信號(hào)反射進(jìn)入輸出光纖。當(dāng)薄膜在壓力作用下使懸臂平面向下移動(dòng)時(shí)，反光纖。當(dāng)薄膜在壓力作用下使懸臂平面向下移動(dòng)時(shí)，反射鏡方向傾斜，使輸出光纖接收到與壓力大小有關(guān)的光射鏡方向傾斜，使輸出光纖接收到與壓力大小有關(guān)的光強(qiáng)信號(hào)。強(qiáng)信號(hào)。1.3 1.3 光纖體壓計(jì)光纖體壓計(jì) 圖圖14.914

29、.9則是一種則是一種 Y 形光纖束結(jié)構(gòu)的體壓計(jì)。形光纖束結(jié)構(gòu)的體壓計(jì)。 對(duì)壓力敏感的反射薄膜被安裝在對(duì)壓力敏感的反射薄膜被安裝在 Y 形光纖束的公共端面形光纖束的公共端面一側(cè)。光源的光經(jīng)一側(cè)。光源的光經(jīng) Y 形光纖的一支輸入，經(jīng)反射薄膜反形光纖的一支輸入，經(jīng)反射薄膜反射后的光經(jīng)射后的光經(jīng) Y 形光纖的另一支輸出到光探測(cè)器上。形光纖的另一支輸出到光探測(cè)器上。 圖圖14.9 14.9 Y 形光束結(jié)構(gòu)的體壓計(jì)形光束結(jié)構(gòu)的體壓計(jì) 1.3 1.3 光纖體壓計(jì)光纖體壓計(jì) 圖圖14.914.9中，中，壓力的改變，使薄膜與光纖束端面的相對(duì)位置壓力的改變，使薄膜與光纖束端面的相對(duì)位置發(fā)生變化，從而調(diào)制反射光強(qiáng)的

30、大小。光探測(cè)器的輸出信發(fā)生變化，從而調(diào)制反射光強(qiáng)的大小。光探測(cè)器的輸出信號(hào)與被測(cè)壓力成正比。號(hào)與被測(cè)壓力成正比。1.3 1.3 光纖體壓計(jì)光纖體壓計(jì) 圖圖1010為用于血壓測(cè)量的新型薄膜光纖體壓計(jì)結(jié)構(gòu)圖。為用于血壓測(cè)量的新型薄膜光纖體壓計(jì)結(jié)構(gòu)圖。兩根兩根相同的多模階躍光纖對(duì)接，一根光纖將光傳送到傳感部分，相同的多模階躍光纖對(duì)接，一根光纖將光傳送到傳感部分，另一根光纖接收經(jīng)傳感部分后的剩余光。這種光纖的選擇另一根光纖接收經(jīng)傳感部分后的剩余光。這種光纖的選擇特點(diǎn)是易彎曲，具有低的數(shù)值孔徑。特點(diǎn)是易彎曲，具有低的數(shù)值孔徑。 圖圖10 10 薄膜光纖體壓計(jì)結(jié)構(gòu)圖薄膜光纖體壓計(jì)結(jié)構(gòu)圖1.4 1.4 光纖

31、體溫計(jì)光纖體溫計(jì) Luxtron 溫度計(jì)，激光光譜和輻射光譜如圖溫度計(jì)，激光光譜和輻射光譜如圖11(a)11(a)所示，所示，輻輻射光譜取決于溫度，圖中強(qiáng)度射光譜取決于溫度，圖中強(qiáng)度 Y 和強(qiáng)度和強(qiáng)度 R 的比被用來決的比被用來決定溫度。輸出光強(qiáng)變化的溫度曲線如圖定溫度。輸出光強(qiáng)變化的溫度曲線如圖11(b)11(b)所示。所示。 (a) (a) 磷光混合物的激勵(lì)和發(fā)光譜磷光混合物的激勵(lì)和發(fā)光譜 (b) (b) 輸出光強(qiáng)變化的溫度曲線輸出光強(qiáng)變化的溫度曲線 圖圖11 Luxtron 11 Luxtron 溫度計(jì)溫度計(jì) 1.4 1.4 光纖體溫計(jì)光纖體溫計(jì) 光纖溫度傳感器的探頭結(jié)構(gòu)如圖光纖溫度傳感

32、器的探頭結(jié)構(gòu)如圖1212所示。所示。傳感器的探測(cè)部傳感器的探測(cè)部分應(yīng)具有單端光輸入與輸出的功能。分應(yīng)具有單端光輸入與輸出的功能。 圖圖12 12 光纖溫度傳感器的探頭結(jié)構(gòu)圖光纖溫度傳感器的探頭結(jié)構(gòu)圖1.4 1.4 光纖體溫計(jì)光纖體溫計(jì) 用于超熱治療監(jiān)測(cè)的陣列式光纖體溫計(jì)外部光纖探頭結(jié)構(gòu)用于超熱治療監(jiān)測(cè)的陣列式光纖體溫計(jì)外部光纖探頭結(jié)構(gòu)如圖如圖13(a), (b)13(a), (b)所示。所示。探頭的外殼由醫(yī)學(xué)上可接受的含氟探頭的外殼由醫(yī)學(xué)上可接受的含氟聚合物（聚四氟乙烯）擠壓成形，其外部的黑色絕緣層可聚合物（聚四氟乙烯）擠壓成形，其外部的黑色絕緣層可以對(duì)散射光進(jìn)行屏蔽。以對(duì)散射光進(jìn)行屏蔽。 在

33、探頭連接端通過一個(gè)在探頭連接端通過一個(gè)全塑料的連接器全塑料的連接器 如圖如圖13(c)13(c)所示所示 ，與測(cè)量?jī)x器配備的兩根長(zhǎng)與測(cè)量?jī)x器配備的兩根長(zhǎng) 5 m的半固定光纜相連。這個(gè)長(zhǎng)的半固定光纜相連。這個(gè)長(zhǎng)度允許在高射頻或微波場(chǎng)中，測(cè)量?jī)x器可放在離測(cè)量點(diǎn)較度允許在高射頻或微波場(chǎng)中，測(cè)量?jī)x器可放在離測(cè)量點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方。遠(yuǎn)的地方。 1.4 1.4 光纖體溫計(jì)光纖體溫計(jì) 圖圖13 13 陣列式光纖體溫計(jì)外部光纖探頭結(jié)構(gòu)圖陣列式光纖體溫計(jì)外部光纖探頭結(jié)構(gòu)圖1.4 1.4 光纖體溫計(jì)光纖體溫計(jì) 單個(gè)傳感頭的具體結(jié)構(gòu)如圖單個(gè)傳感頭的具體結(jié)構(gòu)如圖1414所示。所示。 圖圖14 14 單個(gè)傳感頭的結(jié)構(gòu)圖單個(gè)傳

34、感頭的結(jié)構(gòu)圖 纖心纖心外是外是塑料包層塑料包層，包裹在包層外的是一個(gè)不透光的，包裹在包層外的是一個(gè)不透光的套管。套管。1.4 1.4 光纖體溫計(jì)光纖體溫計(jì) 少量的少量的磷光體磷光體用適當(dāng)?shù)酿ず蟿┕潭ㄔ诶w心的頂端。用適當(dāng)?shù)酿ず蟿┕潭ㄔ诶w心的頂端。 包在磷光體外的是包在磷光體外的是反射層反射層，反射層外是不透光層，它可以，反射層外是不透光層，它可以防止散射光進(jìn)入光纖纖心，從而影響溫度測(cè)量結(jié)果的精確防止散射光進(jìn)入光纖纖心，從而影響溫度測(cè)量結(jié)果的精確度。度。 最外面的是具有物理剛性的最外面的是具有物理剛性的保護(hù)層保護(hù)層，它包裹在光纖頂端和，它包裹在光纖頂端和溫度傳感器之外。溫度傳感器之外。 1.5 1

35、.5 光纖氧飽和度傳感器光纖氧飽和度傳感器 采用光纖傳感器測(cè)定氧飽和度的工作原理是：采用光纖傳感器測(cè)定氧飽和度的工作原理是：紅血球中的紅血球中的血紅蛋白處于過氧狀態(tài)（氧合血紅蛋白）與無氧狀態(tài)（還血紅蛋白處于過氧狀態(tài)（氧合血紅蛋白）與無氧狀態(tài)（還氧血紅蛋白）時(shí)，對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同的吸收率，氧血紅蛋白）時(shí)，對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同的吸收率，如圖如圖1515所示。所示。 圖圖15 15 血液的光譜特性曲線血液的光譜特性曲線 1.5 1.5 光纖氧飽和度傳感器光纖氧飽和度傳感器 在圖在圖15中，從曲線可以看出，中，從曲線可以看出，在波長(zhǎng)為在波長(zhǎng)為600 700 nm的紅的紅光區(qū)，還氧血紅蛋白光區(qū)

36、，還氧血紅蛋白(Hb)的吸收系數(shù)遠(yuǎn)比氧合血紅蛋白的吸收系數(shù)遠(yuǎn)比氧合血紅蛋白(HbO2)的大，但在波長(zhǎng)為的大，但在波長(zhǎng)為805 1000 nm的紅外光區(qū)，的紅外光區(qū)，Hb的吸收系數(shù)要比的吸收系數(shù)要比HbO2的小。當(dāng)波長(zhǎng)為的小。當(dāng)波長(zhǎng)為805 nm時(shí)，時(shí)，Hb和和HbO2具有相同的吸收系數(shù)，稱為等吸收點(diǎn)。具有相同的吸收系數(shù)，稱為等吸收點(diǎn)。 當(dāng)血氧飽和度變化時(shí)，血氧飽和度與當(dāng)血氧飽和度變化時(shí)，血氧飽和度與660 nm和和940 nm兩兩個(gè)波長(zhǎng)的相對(duì)光強(qiáng)之間存在較好的線性關(guān)系。個(gè)波長(zhǎng)的相對(duì)光強(qiáng)之間存在較好的線性關(guān)系。1.5 1.5 光纖氧飽和度傳感器光纖氧飽和度傳感器 根據(jù)根據(jù) Beer-Lamber

37、t 定律，當(dāng)選定的入射光波長(zhǎng)為定律，當(dāng)選定的入射光波長(zhǎng)為660 nm和和940 nm時(shí)，其定律可表示為時(shí)，其定律可表示為 (3) 式中，式中， 660 和和 940 為全血在波長(zhǎng)為為全血在波長(zhǎng)為 660 nm 和和 940 nm處處的吸收率；的吸收率；A , B 為常數(shù)。為常數(shù)。 6602940SpOAB1.5 1.5 光纖氧飽和度傳感器光纖氧飽和度傳感器 如圖如圖1616所示，傳感器通過接插頭與儀器相連接。通過程序所示，傳感器通過接插頭與儀器相連接。通過程序設(shè)計(jì)控制微處理器時(shí)產(chǎn)生波長(zhǎng)為設(shè)計(jì)控制微處理器時(shí)產(chǎn)生波長(zhǎng)為 660 nm 的紅光和波長(zhǎng)為的紅光和波長(zhǎng)為 940 nm 的紅外光的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，

38、經(jīng)的紅外光的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后送至光源轉(zhuǎn)換后送至光源驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路。 圖圖16 16 光纖測(cè)氧計(jì)光纖測(cè)氧計(jì)1.5 1.5 光纖氧飽和度傳感器光纖氧飽和度傳感器 光源驅(qū)動(dòng)電路將此信號(hào)進(jìn)行功率放大，再依次發(fā)送到傳感光源驅(qū)動(dòng)電路將此信號(hào)進(jìn)行功率放大，再依次發(fā)送到傳感器上臂并列放置的紅光和紅外光發(fā)射二極管上，使它們發(fā)器上臂并列放置的紅光和紅外光發(fā)射二極管上，使它們發(fā)射光脈沖。射光脈沖。 光敏接收器件把血液吸收入射光的變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，光敏接收器件把血液吸收入射光的變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并通過電纜接口送入儀器內(nèi)部功能板中進(jìn)行進(jìn)一步的加工并通過電纜接口送入儀器內(nèi)部功能板中進(jìn)行進(jìn)一步的加工

39、處理，從而計(jì)算出血氧飽和度值。處理，從而計(jì)算出血氧飽和度值。1.6 1.6 光纖血?dú)獗O(jiān)測(cè)傳感器光纖血?dú)獗O(jiān)測(cè)傳感器 圖圖1717為利用光學(xué)熒光法制成的內(nèi)血管血?dú)馓筋^結(jié)構(gòu)圖。為利用光學(xué)熒光法制成的內(nèi)血管血?dú)馓筋^結(jié)構(gòu)圖。 圖圖17 17 內(nèi)血管血?dú)馓筋^結(jié)構(gòu)圖內(nèi)血管血?dú)馓筋^結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)血管血?dú)鈮毫Φ墓饫w傳感器包括三個(gè)單光纖傳感器和一內(nèi)血管血?dú)鈮毫Φ墓饫w傳感器包括三個(gè)單光纖傳感器和一個(gè)完整的熱電偶。三個(gè)光纖傳感器分別對(duì)個(gè)完整的熱電偶。三個(gè)光纖傳感器分別對(duì) pO2 , , pCO2 和和 pH 值進(jìn)行測(cè)量，熱電偶直接讀取探頭和探頭尖端的血液溫值進(jìn)行測(cè)量，熱電偶直接讀取探頭和探頭尖端的血液溫度度。2 2 光纖

40、傳感器在軍事方面的應(yīng)用光纖傳感器在軍事方面的應(yīng)用 隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，其軍事方面的應(yīng)用也越來越突隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，其軍事方面的應(yīng)用也越來越突出。出。 下面介紹光纖傳感器在軍事領(lǐng)域中的若干重要應(yīng)用。下面介紹光纖傳感器在軍事領(lǐng)域中的若干重要應(yīng)用。 2 2 光纖傳感器在軍事方面的應(yīng)用光纖傳感器在軍事方面的應(yīng)用1 2.1 2.1 光纖傳感器的光纖傳感器的 航空航天軍事航空航天軍事 應(yīng)用應(yīng)用 2 2.2 2.2 光纖傳感器的光纖傳感器的 海上軍事應(yīng)用海上軍事應(yīng)用3 2.3 2.3 光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù) 在兵工測(cè)試中在兵工測(cè)試中 的應(yīng)用的應(yīng)用 2.1 2.1 光纖傳感器的航空航天軍事應(yīng)用光纖

41、傳感器的航空航天軍事應(yīng)用1 1光纖傳感器在軍用飛機(jī)和航天器上的應(yīng)用光纖傳感器在軍用飛機(jī)和航天器上的應(yīng)用 飛機(jī)和航天器的光纖傳感器系統(tǒng)大致包含飛機(jī)和航天器的光纖傳感器系統(tǒng)大致包含4 4個(gè)部分：個(gè)部分： 飛行控制系統(tǒng)和導(dǎo)航用光纖傳感器飛行控制系統(tǒng)和導(dǎo)航用光纖傳感器 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)用光纖傳感器發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)用光纖傳感器 機(jī)內(nèi)環(huán)境測(cè)控用光纖傳感器機(jī)內(nèi)環(huán)境測(cè)控用光纖傳感器 光纖智能機(jī)殼監(jiān)控系統(tǒng)用光纖傳感器。光纖智能機(jī)殼監(jiān)控系統(tǒng)用光纖傳感器。 2.1 2.1 光纖傳感器的航空航天軍事應(yīng)用光纖傳感器的航空航天軍事應(yīng)用 2 2光纖傳感器在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中的應(yīng)用光纖傳感器在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中的應(yīng)用 (1) (1)

42、 用光纖傳感器監(jiān)測(cè)固體火箭藥柱內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變分布用光纖傳感器監(jiān)測(cè)固體火箭藥柱內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變分布 為了測(cè)出應(yīng)變分布，可以采用時(shí)分的分布式測(cè)量技術(shù)。這為了測(cè)出應(yīng)變分布，可以采用時(shí)分的分布式測(cè)量技術(shù)。這類光纖傳感系統(tǒng)的構(gòu)成如圖類光纖傳感系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2121所示。所示。 圖圖21 21 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變光纖傳感系統(tǒng)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變光纖傳感系統(tǒng)2.1 2.1 光纖傳感器的航空航天軍事應(yīng)用光纖傳感器的航空航天軍事應(yīng)用 (2) (2) 固體推進(jìn)劑燃燒速度光纖傳感器固體推進(jìn)劑燃燒速度光纖傳感器 固體推進(jìn)劑燃燒速度是指單位時(shí)間內(nèi)燃燒面沿其法線方向固體推進(jìn)劑燃燒速度是指單位時(shí)間內(nèi)燃燒面沿其法

43、線方向移動(dòng)的距離。移動(dòng)的距離。 一種光纖固體推進(jìn)劑燃燒速度傳感器設(shè)計(jì)方案的基本原理一種光纖固體推進(jìn)劑燃燒速度傳感器設(shè)計(jì)方案的基本原理是，利用固體推進(jìn)劑燃燒時(shí)發(fā)光的特點(diǎn)，由多束光纖構(gòu)成是，利用固體推進(jìn)劑燃燒時(shí)發(fā)光的特點(diǎn)，由多束光纖構(gòu)成測(cè)量燃燒面位置的光纖尺，通過測(cè)量燃燒面經(jīng)過光纖尺上測(cè)量燃燒面位置的光纖尺，通過測(cè)量燃燒面經(jīng)過光纖尺上各個(gè)標(biāo)定窗口的時(shí)間來推算出燃燒速度。各個(gè)標(biāo)定窗口的時(shí)間來推算出燃燒速度。 2.1 2.1 光纖傳感器的航空航天軍事應(yīng)用光纖傳感器的航空航天軍事應(yīng)用 光纖束的輸出端置于金屬套管之外，其輸出光可由若干個(gè)光纖束的輸出端置于金屬套管之外，其輸出光可由若干個(gè)光電探測(cè)器一一對(duì)應(yīng)地

44、分別接收，也可由聚光透鏡聚合成光電探測(cè)器一一對(duì)應(yīng)地分別接收，也可由聚光透鏡聚合成一束后由單個(gè)光電探測(cè)器接收。光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)一束后由單個(gè)光電探測(cè)器接收。光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)被送到信號(hào)處理系統(tǒng)中處理。被送到信號(hào)處理系統(tǒng)中處理。 圖圖22 22 固體推進(jìn)劑燃燒速度光纖傳感器示意圖固體推進(jìn)劑燃燒速度光纖傳感器示意圖2.2 2.2 光纖傳感器的海上軍事應(yīng)用光纖傳感器的海上軍事應(yīng)用1 1光纖水聽器光纖水聽器 光纖水聽器所探測(cè)的信號(hào)源為水下目標(biāo)發(fā)出或反射的聲波。光纖水聽器所探測(cè)的信號(hào)源為水下目標(biāo)發(fā)出或反射的聲波。設(shè)水中聲波的振幅方程為設(shè)水中聲波的振幅方程為 (14.4)(14.4) 式中，式中，A

45、 A0 0 為水聲波的最大振幅；為水聲波的最大振幅；為水聲波的圓頻率，為水聲波的圓頻率， = 2 f f （ f f 為水聲波頻率）；為水聲波頻率）；為水聲波的為水聲波的傳播常數(shù)，傳播常數(shù)， =2/（為水聲波長(zhǎng)）；為水聲波長(zhǎng)）；x x 為水聲為水聲波的初始聲程。波的初始聲程。oaacos()AAtx2.2 2.2 光纖傳感器的海上軍事應(yīng)用光纖傳感器的海上軍事應(yīng)用 水聲波牽動(dòng)水粒子位移引起的水密度變化為水聲波牽動(dòng)水粒子位移引起的水密度變化為 (14.5)(14.5) 式中，式中，c c為水中聲波的傳播速度；為水中聲波的傳播速度；0 0 為靜止水密度。為靜止水密度。 由于水密度變化產(chǎn)生的水聲波壓變

46、化為由于水密度變化產(chǎn)生的水聲波壓變化為 (14.6)(14.6)oaoa2/AfA Cx 2aaoa2FCfC A 2.2 2.2 光纖傳感器的海上軍事應(yīng)用光纖傳感器的海上軍事應(yīng)用 微彎光纖水聽器是根據(jù)光纖微彎損耗導(dǎo)致光功率變化的原微彎光纖水聽器是根據(jù)光纖微彎損耗導(dǎo)致光功率變化的原理制成的水聲傳感器。圖理制成的水聲傳感器。圖2323為一種微彎光纖水聽器探頭的為一種微彎光纖水聽器探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。結(jié)構(gòu)示意圖。 光纖敏化結(jié)構(gòu)為具有光纖敏化結(jié)構(gòu)為具有1010周期、類似于齒板副的隆起結(jié)構(gòu)平周期、類似于齒板副的隆起結(jié)構(gòu)平板副板副 如圖如圖23(a)23(a)所示所示 ，其中一塊帶隆起結(jié)構(gòu)的平板與聚，其中

47、一塊帶隆起結(jié)構(gòu)的平板與聚醋薄膜相連，另一塊與之峰谷相應(yīng)的隆起結(jié)構(gòu)平板通過十醋薄膜相連，另一塊與之峰谷相應(yīng)的隆起結(jié)構(gòu)平板通過十字結(jié)構(gòu)與水聽器外殼相連字結(jié)構(gòu)與水聽器外殼相連 如圖如圖23(b), (c)23(b), (c)所示所示 。 2.2 2.2 光纖傳感器的海上軍事應(yīng)用光纖傳感器的海上軍事應(yīng)用 圖圖23 23 微彎光纖水聽器探頭結(jié)構(gòu)示意圖微彎光纖水聽器探頭結(jié)構(gòu)示意圖2.2 2.2 光纖傳感器的海上軍事應(yīng)用光纖傳感器的海上軍事應(yīng)用 微彎光纖水聽器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖微彎光纖水聽器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖24所示，光源為所示，光源為He-Ne 激光器，光束進(jìn)入傳感光纖后經(jīng)過模分離器激光器，光束進(jìn)入傳感光

48、纖后經(jīng)過模分離器( Mode Stripper )去掉包層模。去掉包層模的光束通過水聽器的探去掉包層模。去掉包層模的光束通過水聽器的探頭后，再一次經(jīng)過模分離器，然后由光探測(cè)器頭后，再一次經(jīng)過模分離器，然后由光探測(cè)器 PD 接收并接收并送入頻譜分析儀。送入頻譜分析儀。 圖圖24 24 微彎光纖水聽器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖微彎光纖水聽器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.2 2.2 光纖傳感器的海上軍事應(yīng)用光纖傳感器的海上軍事應(yīng)用 2 2桅桿式光電觀測(cè)裝置桅桿式光電觀測(cè)裝置 從從2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代開始，美、英、德等國家的潛望鏡制造廠年代開始，美、英、德等國家的潛望鏡制造廠商都開始研制一種不穿透潛艇耐壓船體的多功能

49、傳感器成商都開始研制一種不穿透潛艇耐壓船體的多功能傳感器成像系統(tǒng)，即潛艇光電桅桿。像系統(tǒng)，即潛艇光電桅桿。2.3 2.3 光纖傳感技術(shù)在兵工測(cè)試中的應(yīng)用光纖傳感技術(shù)在兵工測(cè)試中的應(yīng)用 1 1武器膛溫光纖傳感器武器膛溫光纖傳感器 目前國內(nèi)外膛壁溫度測(cè)試是根據(jù)膛內(nèi)測(cè)試結(jié)果用外推計(jì)算目前國內(nèi)外膛壁溫度測(cè)試是根據(jù)膛內(nèi)測(cè)試結(jié)果用外推計(jì)算的方法求得被測(cè)膛溫的。的方法求得被測(cè)膛溫的。 由于膛壁表面溫度分布具有二重性，徑向和軸向都有溫度由于膛壁表面溫度分布具有二重性，徑向和軸向都有溫度梯度，且徑向梯度遠(yuǎn)大于軸向梯度，采用熱電偶測(cè)膛壁溫梯度，且徑向梯度遠(yuǎn)大于軸向梯度，采用熱電偶測(cè)膛壁溫度就有了一定局限，而采用光

50、纖輻射溫度傳感器則具有一度就有了一定局限，而采用光纖輻射溫度傳感器則具有一系列的優(yōu)點(diǎn)。系列的優(yōu)點(diǎn)。2.3 2.3 光纖傳感技術(shù)在兵工測(cè)試中的應(yīng)用光纖傳感技術(shù)在兵工測(cè)試中的應(yīng)用2 2光纖傳感技術(shù)在引信測(cè)試中的應(yīng)用光纖傳感技術(shù)在引信測(cè)試中的應(yīng)用 一種用于測(cè)量由發(fā)條或扭簧驅(qū)動(dòng)的鐘表機(jī)構(gòu)騎馬輪運(yùn)動(dòng)時(shí)一種用于測(cè)量由發(fā)條或扭簧驅(qū)動(dòng)的鐘表機(jī)構(gòu)騎馬輪運(yùn)動(dòng)時(shí)間的光纖傳感器如圖間的光纖傳感器如圖2525所示。所示。 圖圖25 25 鐘表機(jī)構(gòu)騎馬輪運(yùn)動(dòng)時(shí)間光纖傳感器鐘表機(jī)構(gòu)騎馬輪運(yùn)動(dòng)時(shí)間光纖傳感器2.3 2.3 光纖傳感技術(shù)在兵工測(cè)試中的應(yīng)用光纖傳感技術(shù)在兵工測(cè)試中的應(yīng)用 傳感器的工作原理是：光源傳感器的工作原理是

51、：光源 LED 發(fā)出的非相干光通過發(fā)發(fā)出的非相干光通過發(fā)射光纖投射到騎馬輪上，當(dāng)騎馬輪轉(zhuǎn)過一個(gè)齒時(shí)，所反射射光纖投射到騎馬輪上，當(dāng)騎馬輪轉(zhuǎn)過一個(gè)齒時(shí)，所反射的光強(qiáng)發(fā)生一次變化。此信號(hào)由接收光纖傳至光電探測(cè)器的光強(qiáng)發(fā)生一次變化。此信號(hào)由接收光纖傳至光電探測(cè)器(PD)，再經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理后輸出反映騎馬輪運(yùn)動(dòng)周期，再經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理后輸出反映騎馬輪運(yùn)動(dòng)周期的方波，配以相應(yīng)的計(jì)時(shí)電路或記錄裝置，便可得到騎馬的方波，配以相應(yīng)的計(jì)時(shí)電路或記錄裝置，便可得到騎馬輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒所需的時(shí)間及整個(gè)工作過程中的時(shí)間變化。輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒所需的時(shí)間及整個(gè)工作過程中的時(shí)間變化。 2.3 2.3 光纖傳感技術(shù)在兵工測(cè)試中的

52、應(yīng)用光纖傳感技術(shù)在兵工測(cè)試中的應(yīng)用 如圖如圖2626所示離心式引信鐘表機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)間光纖傳感器。所示離心式引信鐘表機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)間光纖傳感器。 由于傳感器和被測(cè)件處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，傳感器的輸出需由于傳感器和被測(cè)件處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，傳感器的輸出需轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再由固定接收光纖接收，送至離心機(jī)外處轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再由固定接收光纖接收，送至離心機(jī)外處理記錄。理記錄。 圖圖26 26 離心式引信鐘表機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)間光纖傳感器離心式引信鐘表機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)間光纖傳感器3 3 光纖傳感器在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用光纖傳感器在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用 大氣層是人類賴以生存的重要外界環(huán)境因素之一。大氣層是人類賴以生存的重要外界環(huán)境因素之一

53、。 大氣，就是大氣層內(nèi)的空氣，一般來說，是指占空氣質(zhì)量大氣，就是大氣層內(nèi)的空氣，一般來說，是指占空氣質(zhì)量 95 左右的地面上左右的地面上 12 km 的空氣層，即人們常說的對(duì)流層。的空氣層，即人們常說的對(duì)流層。3 3 光纖傳感器在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用光纖傳感器在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用3.1 3.1 光纖光纖NO2NO2傳感器傳感器1 13.2 3.2 光纖光纖NH3NH3傳感器傳感器2 23.3 3.3 光纖光纖CO2CO2傳感器傳感器3 33.4 3.4 光纖光纖CH4CH4傳感器傳感器4 43.1 3.1 光纖光纖NONO2 2傳感器傳感器 NO2 是污染大氣的主要?dú)怏w之一，是一種紅褐色有特殊刺

54、是污染大氣的主要?dú)怏w之一，是一種紅褐色有特殊刺激性臭味的氣體。激性臭味的氣體。 圖圖2727示出了基于分子差動(dòng)吸收法光纖遠(yuǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)的組示出了基于分子差動(dòng)吸收法光纖遠(yuǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖。成框圖。 圖圖27 27 基于分子差動(dòng)吸收法光纖遠(yuǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖基于分子差動(dòng)吸收法光纖遠(yuǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖3.1 3.1 光纖光纖NONO2 2傳感器傳感器 把摩托車排出的廢氣引進(jìn)測(cè)量氣室，發(fā)動(dòng)機(jī)速度由低速把摩托車排出的廢氣引進(jìn)測(cè)量氣室，發(fā)動(dòng)機(jī)速度由低速（約（約500 r/m）到高速（約）到高速（約3000 r/m）變化進(jìn)行測(cè)試，所得）變化進(jìn)行測(cè)試，所得實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果曲線如圖實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果曲線如圖

55、28所示，圖中所示，圖中A區(qū)為低速區(qū)，區(qū)為低速區(qū)，B區(qū)區(qū)為高速區(qū)。為高速區(qū)。 圖圖28 28 NO2 2 濃度實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果曲線濃度實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果曲線 3.2 3.2 光纖光纖NHNH3 3傳感器傳感器 光纖光纖NHNH3 3氣體傳感器的探頭結(jié)構(gòu)如圖氣體傳感器的探頭結(jié)構(gòu)如圖2929所示。所示。 圖圖29 29 光纖光纖 NHNH3 3氣體傳感器的探頭結(jié)構(gòu)氣體傳感器的探頭結(jié)構(gòu) 透氣膜采用疏水性好的聚四氟乙烯透氣膜采用疏水性好的聚四氟乙烯(PTFE)微孔過濾膜，微孔過濾膜，既能把內(nèi)充液與樣品溶液分開，又能使既能把內(nèi)充液與樣品溶液分開，又能使NH3的極性氣體透的極性氣體透過。過。3.2 3.2 光纖光纖NHNH3 3傳感器傳感器 疏水性透氣膜將內(nèi)充液密封在疏水性透氣膜將內(nèi)充液密封在 PVC 外套管與光纖末端形外套管與光纖末端形成的空腔內(nèi)，用固定螺釘調(diào)節(jié)光纖末端與透氣膜之間充液成的空腔內(nèi)，用固定螺釘調(diào)節(jié)光纖末端與透氣膜之間充液層的厚度，指示劑直接溶于內(nèi)充液中，并且被吸附于陰離層的厚度，指示劑直接溶于內(nèi)充液中，并且被吸附于陰離子交換膜上。子交換膜上。 pH 敏感膜固定于光纖末端置于內(nèi)充液中，采用聚四氟乙敏感膜固定于光纖末端置于內(nèi)充液中，采用聚四氟乙烯作為防水密封膜