生物医学传感-光纤课件.ppt

1、19:271光纤传感器光纤传感器19:272光纤传感器光纤传感器 19:273各种装饰性光纤各种装饰性光纤 19:274上海东方明珠上海东方明珠发光二极管产生发光二极管产生多种颜色的光线，多种颜色的光线，通过光导纤维传通过光导纤维传导到东方明珠球导到东方明珠球体的表面。在计体的表面。在计算机控制下，可算机控制下，可产生动态图案产生动态图案。动态图案动态图案 19:275 光纤传感器光纤传感器用光作为敏感信息的载体用光作为敏感信息的载体，用光纤作为用光纤作为传递敏感信息的媒质传递敏感信息的媒质。因此，它。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。同时具有光纤及光学测量的特点。就是将温度、压力、电场、

2、就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光波量的变化的技术。磁场的变化转化为光波量的变化的技术。通过光导纤维把输入变量转换成调制的通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。光信号。19:276光纤传感器的特点光纤传感器的特点:电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。非侵入性。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。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。光纤传感器的应用光纤传感器的应用:2022-10-307光纤传感器光纤传感器外形外形 19:278 光纤是光纤是用光透射率高的

3、电介质用光透射率高的电介质(如石英、玻璃如石英、玻璃、塑料等、塑料等)构成的光通路构成的光通路。光纤的结构如图所示。光纤的结构如图所示:中心圆柱体称为中心圆柱体称为纤芯纤芯，由某，由某种玻璃或塑料制成。纤芯外围种玻璃或塑料制成。纤芯外围的圆筒形外壳称为的圆筒形外壳称为包层包层，通常，通常也是由玻璃或塑料制成。包层也是由玻璃或塑料制成。包层外面有外面有涂敷层涂敷层，之外是一层塑，之外是一层塑料保护外套。光纤的导光能力料保护外套。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，机取决于纤芯和包层的性质，机械强度取决于塑料保护外套。械强度取决于塑料保护外套。19:27919:2710 2.2.传光原理传光原理

4、 光的光的全反射现象全反射现象是研究光纤传光原理的基础。是研究光纤传光原理的基础。光在两介质界面上的折射和反射光在两介质界面上的折射和反射12nn12sinnnc2211sinsinnn19:2711可以证明，该入射角为可以证明，该入射角为2201201sinnnNAn定义：光从空气入射到光纤输入端面时，处在某定义：光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一一角锥角锥内的光线一旦进入光纤，就将被内的光线一旦进入光纤，就将被截留截留在纤在纤芯中，此芯中，此光锥半角光锥半角的正弦称为的正弦称为数值孔径数值孔径。NANA“数值孔径数值孔径”。数值孔径数值孔径NANA是光纤的一个基本参数，反映了光是光纤的

5、一个基本参数，反映了光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率，只有纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率，只有入射光处于入射光处于2 20 0的光锥内的光锥内,光纤才能导光。一般希光纤才能导光。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变数值孔径过大，会造成光信号畸变。NA NA它是它是衡量光纤集光性能的主要参数衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：。它表示：无论光源发射功率多大，只有无论光源发射功率多大，只有220 0张角内的光，才张角内的光，才能被光纤接收、传播能被光纤接收、传播(全反射全反射)；NANA愈大，光

6、纤的集愈大，光纤的集光能力愈强。光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给产品光纤通常不给出折射率，而只给出出NANA。石英光纤的。石英光纤的NA=0.2-0.4NA=0.2-0.4。19:2713光的全反射实验光的全反射实验 19:2714 a a、按材料分类、按材料分类 1)1)高纯度石英高纯度石英(SiO(SiO2 2)玻璃纤维：玻璃纤维：这种材料的光这种材料的光损耗比较小，最低损耗约为损耗比较小，最低损耗约为0.470.47 dB/kmdB/km。锗硅光纤，。锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损耗约为包层用硼硅材料，其损耗约为0.50.5 dB/kmdB/km。2)2)多组分玻璃光纤：多组

7、分玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗也用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，最低损耗为很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，最低损耗为3.43.4 dB/kmdB/km。3)3)塑料光纤：塑料光纤：用人工合成导光塑料制成，其损用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，达到耗较大，达到100-200100-200 dB/kmdB/km。但其重量轻，成本低，。但其重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。柔软性好，适用于短距离导光。3.3.光纤的种类光纤的种类19:2715 b b、按折射率分类、按折射率分类 阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤：在纤芯和包层的界面上，纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界面处

8、折射率有突变。渐变（梯度）折射率光纤渐变（梯度）折射率光纤：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。19:2716c c、按光纤的传播模式分类、按光纤的传播模式分类 根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程，考虑到光纤圆根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程，考虑到光纤圆柱形波导和纤芯柱形波导和纤芯包层界面处的几何边界条件时，则只存包层界面处的几何边界条件时，则只存在波动方程的在波动方程的特定特定(离散离散)解解。允许存在的不同的解代表许。允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导轴多离散的沿波导轴传播的波传播的波。每一个允许传播的波称为一。每一个允许传播的波称为一个个模模。

9、光纤传输的光波，可分解为光纤传输的光波，可分解为沿轴向沿轴向和和沿横截面沿横截面传输的传输的两种平面波。因为沿横截面传输的平面波是在纤芯和包层两种平面波。因为沿横截面传输的平面波是在纤芯和包层的界面处全反射的，所以，当每一次往返相位变化是的界面处全反射的，所以，当每一次往返相位变化是2p2p的的整数倍时，将在截面内形成整数倍时，将在截面内形成驻波驻波。能形成驻波的光线称为。能形成驻波的光线称为“模模”，“模模”是离散存在的，是离散存在的，某种光纤只能传输特定模某种光纤只能传输特定模数的光。数的光。19:2717当当比较大时，光纤传输的比较大时，光纤传输的模的总数模的总数N N近似为：近似为：)

10、(4/)(2/22梯度型阶跃型N 值小于值小于2.412.41的光纤，纤芯很细的光纤，纤芯很细(5(5 m-10m-10 m)m)，仅能传，仅能传输输基模基模(截止波长最长的模式截止波长最长的模式)，故称为，故称为单模光纤单模光纤。值大值大的光纤传输的模数多，称为的光纤传输的模数多，称为多模光纤多模光纤，通常纤芯直径较粗，通常纤芯直径较粗(几十几十 m m以上以上)，能传输几百个以上的模。，能传输几百个以上的模。实际中常用由麦克斯韦方程导出的归一化频率作为确定光纤传输模数的参数。的值可以由纤芯半径r、传输光波波长及光纤的数值孔径NA确定，即:2NAr19:2718 单模光纤单模光纤:阶跃型阶跃

11、型,常用于常用于光纤传感器光纤传感器。这类光。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性度；但纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性度；但因芯小，难以制造和耦合因芯小，难以制造和耦合。19:2719多模光纤多模光纤:允许多个模数的光在光纤中同时传播，允许多个模数的光在光纤中同时传播，模模分散最严重分散最严重。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。19:2720 渐变折射率多模光纤渐变折射率多模光纤:光纤在纤芯中传播会光纤在纤芯中传播会自动自动地从折射率小的界面向中心会聚地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹，光纤传播的轨迹类似正弦波形类似正弦波形，又称为，

12、又称为自聚焦光纤自聚焦光纤。因此渐变折射。因此渐变折射率多模光纤的模分散比阶跃型小得多。率多模光纤的模分散比阶跃型小得多。常用光纤类型及参数如表所示常用光纤类型及参数如表所示类类 型型折射率分布折射率分布纤芯直径纤芯直径/m mm包层直径包层直径/mm数值孔径数值孔径单单 模模28801250.100.15多模多模阶跃光纤阶跃光纤(玻璃玻璃)802001002500.10.3多模多模阶跃光纤阶跃光纤(玻璃玻璃/塑料塑料)200100023012500.180.50多模多模梯度光纤梯度光纤501001251500.10.219:27224.4.光纤传感器的基本组成光纤传感器的基本组成 构成光纤传

13、感器除光导纤维之外，还必须有光光源源和和光探测器光探测器，另外还有一些光无源器件光无源器件。例：遮光式光纤温度计例：遮光式光纤温度计 19:2723发光二极管发光二极管激光二极管激光二极管 光光 源源19:2724专用的光纤连接头及光纤插座专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头连接头及光纤插座光纤插座来完成。19:2725光电转换器件光电转换器件19:2726二、二、光纤传感器的工作原理光纤传感器的工作原理光纤传感器与电类传感器的对比光纤传感器与电类传感器的对比 19:2727分类内容分类内容 光纤传感器光纤传感器电类传感器电类传

14、感器调制参量调制参量光的振幅、相位、频光的振幅、相位、频率、偏振态率、偏振态电阻、电容、电电阻、电容、电感等感等敏感材料敏感材料温温-光敏、力光敏、力-光敏、光敏、磁磁-光敏光敏 温温-电敏、力电敏、力-电电敏、磁敏、磁-电敏电敏传输信号传输信号光光电电传输介质传输介质光纤、光缆光纤、光缆电线、电缆电线、电缆19:27281 1、光纤传感器分类光纤传感器分类 将将“传传”和和“感感”合为一体的传感器合为一体的传感器。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。这由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。这类传感器主要使用类传感器主要使用单模光纤单模光纤。19:2729 光纤光纤仅起导光作用仅起导光作

15、用，只，只“传传”不不“感感”，对，对外界信息的外界信息的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功功能依靠其他物理性质的功能元件完成，能元件完成，光纤在系统中是不连续的光纤在系统中是不连续的。无需特殊光纤及其他特殊技术，无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实比较容易实现，成本低现，成本低；但；但灵敏度也较低灵敏度也较低，用于对灵敏度要，用于对灵敏度要求不太高的场合。求不太高的场合。19:2730传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干干涉涉型型相位相位调制调制光纤光纤传感传感器器干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干

16、涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非非干干涉涉型型强度调制强度调制光纤温度光纤温度传感器传感器遮光板遮断光路遮光板遮断光路半导体透射率的变化半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄膜光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度、振动、压力、加速度、位移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓

17、度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调偏振调制光纤制光纤温度传温度传感器感器法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、磁场电流、磁场电场、电压、电场、电压、温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制频率调制光纤温度光纤温度传感器传感器多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMcbb注：注：MM多模；多模；SM单模；单模；PM偏振保持；偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾

18、光型功能型、非功能型、拾光型光纤传感器的分类光纤传感器的分类 19:27312 2 光调制和解调光调制和解调光的调制和解调可分为：光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频强度、相位、偏振、频率和波长率和波长等方式。等方式。光的光的调制过程调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器调制器。在光纤传感器中，光的在光纤传感器中，光的解调过程解调过程通常是将载波光通常是将载波光携带的信号转换成携带的信号转换成光的强度变化光的强度变化，然后由光电探，然后由光电探测器进行检测。测器进行检测。19:2732 种

19、类：种类：优点：优点：缺点：缺点：一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。19:2733当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。19:2734可测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。19:2735 基本原理：基本原理：是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播系数发生变化，而导致光的相位变化，然后用干涉仪把相位变化变换为振幅变化，从而还原所检测的物理量。因此，相位调制与干涉测量技术并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。常用的干涉仪主要有4种：迈克尔逊干涉仪、赛

20、格纳克干涉仪、马赫-泽德干涉仪和法布里-珀罗干涉仪，如图所示。2 2）相位调制与干涉测量）相位调制与干涉测量19:2736(a)(a)迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪(b)(b)赛格纳克干涉仪赛格纳克干涉仪(c)(c)马赫泽马赫泽-德干涉仪德干涉仪(d)(d)法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪19:2737 常见相位调制方法：常见相位调制方法：1 1）机械应变及光弹性效应）机械应变及光弹性效应 机械应变引起光纤的机械尺寸变化；某些物体内部存在应力时，会产生折射率在不同方向有不同变化的现象；2 2）温度效应）温度效应 温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化：2 Ln dLdnTL dTdT 3 3）磁致

21、伸缩、电致伸缩效应）磁致伸缩、电致伸缩效应 将单模光纤表面镀上磁致伸缩、电致伸缩材料，则当磁场、电场作用于光纤时，使光纤长度变化，从而相位变化；19:2738 工作原理：工作原理：利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。1)光学多普勒频移原理 光学中的多普勒现象是指由于观察者和目标的相对运动，使观察者接收到的光波频率产生变化光波频率产生变化的现象。3 3）频率调制频率调制19:2739双重多普勒频移方程表示:2121coscosffv c 式中，f2为在Q处所观察到的光频率；f为从光源S发出的光频率。2)光纤多普勒技术19:2740三、三、光纤传感器的应用光纤传感器的应用1 1）光

22、纤液位传感器）光纤液位传感器 19:2741光纤液位传感器光纤液位传感器 19:27422 2）光纤式光电开关）光纤式光电开关反射型反射型遮断型遮断型反射镜反射型反射镜反射型19:2743光纤开关与定尺寸检测装置光纤开关与定尺寸检测装置标志孔标志孔电路板标志检测电路板标志检测 当光纤发出的光当光纤发出的光穿过标志孔时，若无穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方反射，说明电路板方向放置正确。向放置正确。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19:2744定位定位条形码检测条形码检测19:2745遮断型光纤光电开关遮断型光纤光电开关出射光纤出射光纤接收光纤接收光纤19:2746水银柱

23、式光纤温度开关1 浸液；2 自聚焦透镜；3 光纤；4 水银19:2747 采用遮断型采用遮断型光纤光电开关光纤光电开关对对IC IC 芯片引芯片引脚进行检测脚进行检测19:27483 3）医用光纤传感器医用光纤传感器 a a.医用内窥镜医用内窥镜 由于光纤柔软、自由度大、传输由于光纤柔软、自由度大、传输图像失真小，引入医用内窥镜后，可图像失真小，引入医用内窥镜后，可以方便的检查人体的许多部位。左图以方便的检查人体的许多部位。左图为腹腔镜的剖视图。图像导管直径约为腹腔镜的剖视图。图像导管直径约3.4 mm3.4 mm。19:2749 b.b.光纤体压计光纤体压计 可用来检测人体各部位的体压，如膀

24、胱、直肠、颅内和心血管等，测量范围通常为0-40 kPa。图所为一种医用体压计探针的结构示意图，在探针端部的开孔上安装有对压力敏感的防水薄膜。膜片通过悬臂梁与反射镜相连。导管光纤束反射镜防水薄膜悬臂梁Pp防水薄膜19:2750保护管内为保护管内为高温光纤高温光纤低温光纤低温光纤4 4）光纤温度传感器）光纤温度传感器 19:2751 利用半导体的吸收特性制作的利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式光纤温度传感器的单端式探头探头结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进射后返回，在光路中放

25、入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。19:27525 5）光纤纳米生物传感器光纤纳米生物传感器 目前最新的生物检测技术多采用纳米传感器。其中一类是运用纳米纤维技术的光学生物传感器。纳米尺度的光纤尖端的制作是光纤纳米传感器的基础，左图为熔接熔拉腐蚀法实验结果。右图为纳米光纤用于细胞检测细胞检测。19:2753小小 结结 一、光纤传感器基础三、光纤传感器的应用二、光纤传感器的工作原理7:27 PM54 作业作业 调研一种光纤传感器的具体应用实例（最好是生物医学工程领域），介绍其用到的物理效应、结构、工作原理、特点及最新研究等。（形式：每人8-10分钟PPT演讲）如：光纤多普勒血流计等 人员：方琳静、王秀功、冷静泽、盛梦颖