【教学课件】第14章光纤传感器的其他应用.ppt

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1、第第1414章章 光纤传感器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 14.114.1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 14.214.2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 14.314.3第第1414章章 光纤传感器的其他应用光纤传感器的其他应用14.1 14.1 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：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

2、光纤血流计、光纤光纤血流计、光纤 pH pH 值传感器、光纤体压计、光纤值传感器、光纤体压计、光纤值传感器、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。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。114.1.1 14.1.1 光纤血光纤血 流计流计2 14.1.2 14.1.2光光纤纤pHpH值值传感器传感器 314.1.3 14.1.3 光纤体光纤体压计压计414.1.4 14.1.4 光纤体光纤体温计温计 514.1.5 14.1.5 光纤氧饱光纤氧饱和度传感和度传感器器6 14.1.6 14.1.6 光纤血气光纤血

3、气监测传感监测传感器器 14.1 14.1 光纤传感器在医学上的应用光纤传感器在医学上的应用14.1.1 14.1.1 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，基本结构如图如图如图如图14.114.114.114.1所示：所示：所示：所示：图图图图14.1 14.1 14.1 14.1 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14.1.1 14.1.1 光纤血流

4、计光纤血流计氦氦氦氦氖激光器的线偏振光由分束器分成两束，一束由透镜氖激光器的线偏振光由分束器分成两束，一束由透镜氖激光器的线偏振光由分束器分成两束，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耦合进心径约耦合进心径约150 150 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，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

5、血液中，被直径约为径约为径约为径约为7 nm 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：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：(14.1)(14.1)(14.1)(14.1)14.1.1 14.1.1 光纤血流计光纤血流计式中，式中，式中，式中，为血流速度；为血流速度；为血流速度；为血流速度；n n n n为血液的折射率，其值为为血液的折射率，其值为为血液的折射率，其值为

6、为血液的折射率，其值为1.331.331.331.33；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。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 f f f1 1 1 1=40=40=40=40 MHzMHz的的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。布拉格盒移频器，置于参考光路中，用以区别血流方向。

7、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 f f f0 0 0 0-f-f-f-f1 1 1 1（f f f f0 0 0 0是光源的频率）。是光源的频率）。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(f(f(f0 0 0 0+f)+f)+f)+f)进行混频，进行混频，进行混频，进行混频，就得到要探测的光信号。这种方法称为光学外差法。就得到要探测的光信号。这种方法称

8、为光学外差法。就得到要探测的光信号。这种方法称为光学外差法。就得到要探测的光信号。这种方法称为光学外差法。14.1.1 14.1.1 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14.214.214.214.2所示。所示。所示。所示。图图图

9、图14.2 14.2 14.2 14.2 多普勒频移谱多普勒频移谱多普勒频移谱多普勒频移谱 14.1.1 14.1.1 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(14.1)(14.1)(14.1)(14.1)当当当当00 9090时，时，时，时，ffff为正，即出现右移频率；为正，即出现右移频率；为正，即出现右移频率；为正，即出现右移频率；当当当当9090 180180时，时，时，时，ffff为负，则出现左移频率。频率表为负，则出现左移频率。频率表为负，则出现左移频率。频率表为负，则出现

10、左移频率。频率表示最大频移示最大频移示最大频移示最大频移f f f fcutcutcutcut（或截止频率）。（或截止频率）。（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，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，如图如图如图如图14.214.214.214.2中实线所示。中实线所示。中实线所示。中实线所示。14.1.1 14.1.1 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

11、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，其结构如图的托座，其结构如图的托座，其结构如图14.314.314.314.3所示所示所示所示.图图图图14.3 14.3 14.3 14.3 光纤探头与托座光纤探头与托座光纤探头与托座光纤探头与托座14.1.1 14.1.1 光纤血流计光纤血流计图图图图14.4

12、14.414.414.4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。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。图图图图14.4 14.4 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实验测得的多普勒频谱图实验测得的多普勒频谱图14.1.1 14.1.1 光纤血流计光纤血流计A,B,C 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。在频谱的流中

13、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 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 0 相对应。相对应。相对应。相对应。在情况在情况在情况在情况 A A 中，中，中，中，因为血流没有受到干扰，多普勒信号显示为因为血流没有受到干扰，多普勒信号显示为因为血流没有受到干扰，多普勒信号显示为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；相当窄的频率分布；相当窄的频率分布；相当窄的频率分布；在情况在情况在情况在情况 B B 中，中，中，中，频谱很宽，从

14、频谱很宽，从频谱很宽，从频谱很宽，从 40 MHz 40 MHz 到较高的频率，最后降到散粒噪声水平。多普勒变化信号到较高的频率，最后降到散粒噪声水平。多普勒变化信号到较高的频率，最后降到散粒噪声水平。多普勒变化信号到较高的频率，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。的展宽是由光纤插入血管中所引起的干扰造成的。的展宽是由光纤插入血管中所引起的干扰造成的。的展宽是由光纤插入血管中所引起的干扰造成的。14.1.1 14.1.1 光纤血流计光纤血流计在情况在情况在情况在情况 B B 中，中，中，中，频率变化频率变化频率变化频率变化 ffff 与情况与情况与情

15、况与情况 A A 中频率中频率中频率中频率ffff 乘以乘以乘以乘以 1.33 1.33 相一致，而相一致，而相一致，而相一致，而 1.33 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 A 和和和和情况情况情况情况 B B 的变化是分别发生在空气中和血液中的多普勒效应的变化是分别发生在空气中和血液中的多普勒效应的变化是分别发生在空气中和血液中的多普勒效应的变化是分别发生在空气中和血液中的多普勒效应的结果。的结果。的结果。的结果。情况情况情况情况 C C 中，中，中，中，在在在在 f f f fcut c

16、ut cut 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。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，可以用整个实验表明，可以用整个实验表明，可以用f f f fcut cut cut cut 正确表示血流速度。正确表示血流速度。正确表示血流速度。正确表示血流速度。14.1.1 14.1.1 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

17、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。图考信号的方法不同。图考信号的方法不同。图14.514.514.514.5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。很多实际应用的一种仪器。很多实际应用的一种仪器。图图图图14.5 14.5 14.5 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非插入式光纤多普勒血流计非插入式光纤多普勒血流计14.1.2 14.1.2 光纤光纤

18、 pH 值传感器值传感器光纤光纤光纤光纤 pH 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。的生物化学量。的生物化学量。光纤光纤光纤光纤 pH 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，它值传感器

19、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。红染料试剂。红染料试剂。14.1.2 14.1.2 光纤光纤 pH 值传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。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

20、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，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 pH 值是由酚红试剂值是由酚红试剂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。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。14.1.2 14.1.2 光纤光纤 pH 值传感器值传感器在实际运用中，为

21、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，取蓝绿色光作方式，取蓝绿色光作方式，取蓝绿色光 (1 1=560 nm )=560 nm )作为调制检测光，红作为调制检测光，红作为调制检测光，红作为调制检测光，红色光色光色光色光 (1 1=630 nm )=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

22、收比值为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 R，pH pH 值与值与值与值与 R R 的关系为的关系为的关系为的关系为 (14.2)(14.2)(14.2)(14.2)式中，式中，式中，式中，K K 为与光学系统有关的常数；为与光学系统有关的常数；为与光学系统有关的常数；为与光学系统有关的常数；D D 为染料在第一个波为染料在第一个波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；长的光密度；长的光密度；pH-PK pH-PK，其中，其中，其中，其中 PK PK 为指示剂酸碱平衡常为指示剂酸碱平衡常为指示剂酸碱平衡常为指示剂酸碱平衡常数。数。数。数。14.1.2 1

23、4.1.2 光纤光纤 pH 值传感器值传感器由式由式由式由式(14.2)(14.2)(14.2)(14.2)可以描绘出可以描绘出可以描绘出可以描绘出 R R-曲线，如图曲线，如图曲线，如图曲线，如图14.614.614.614.6所示。从该所示。从该所示。从该所示。从该曲线可以看出，在曲线可以看出，在曲线可以看出，在曲线可以看出，在pH =PK pH =PK 附近有一段线性非常好的区附近有一段线性非常好的区附近有一段线性非常好的区附近有一段线性非常好的区域，即在这个范围内，域，即在这个范围内，域，即在这个范围内，域，即在这个范围内，pH pH 值与接收到的两种颜色光强的值与接收到的两种颜色光强

24、的值与接收到的两种颜色光强的值与接收到的两种颜色光强的比值基本呈线性关系。比值基本呈线性关系。比值基本呈线性关系。比值基本呈线性关系。图图图图14.6 14.6 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 R 与的关系曲线与的关系曲线与的关系曲线与的关系曲线14.1.2 14.1.2 光纤光纤pHpH值传感器值传感器图图图图14.7(a)14.7(a)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示出了以吸收值为基础的示出了以吸收值为基础的pH pH 值传感器的探头结值传感器的探头结

25、值传感器的探头结值传感器的探头结构。构。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，这种结构的探头存在一些问题在实验中发现，这种结构的探头存在一些问题在实验中发现，这种结构的探头存在一些问题,为了解决为了解决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)14.7(b)14.7(b)所示。所示。所示。所示。14.1.2 14.1.2 光纤光纤pHpH值传感器值传感器 图图图图14.7 14.7 14.7 14.7 pH pH 值传感器的探头结构图值传感器

26、的探头结构图值传感器的探头结构图值传感器的探头结构图 14.1.3 14.1.3 光纤体压计光纤体压计图图图图14.814.814.814.8 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。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孔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。在与反射镜相对的探针上，通过一根悬臂与反射镜相连。在与反射镜相对的探针上，通过一根悬臂与反射镜相连

27、。在与反射镜相对的探针上，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装有两束光纤，上面一束是入射光纤，下面一束是导管里装有两束光纤，上面一束是入射光纤，下面一束是导管里装有两束光纤，上面一束是入射光纤，下面一束是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。输出光纤。输出光纤。输出光纤。图图图图14.8 14.8 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光纤体压计探头结构示意图光纤体压计探头结构示意图 14.1.3 14.1.3 光纤体压计光纤体压计图图图图14.814.814.814.8中，在压力中，在压力中，在压力中，在压力 P=0 P=

28、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。强信号。强信号。14.1.3 14.1.3 光纤体压计光纤体压计图图图图14.914.914

29、.914.9则是一种则是一种则是一种则是一种 Y Y 形光纤束结构的体压计。形光纤束结构的体压计。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 Y 形光纤束的公共端面形光纤束的公共端面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。光源的光经一侧。光源的光经一侧。光源的光经 Y 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射后的光经射后的光经 Y Y 形光纤的另一支输出到

30、光探测器上。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。形光纤的另一支输出到光探测器上。图图图图14.9 14.9 14.9 14.9 Y Y 形光束结构的体压计形光束结构的体压计形光束结构的体压计形光束结构的体压计 14.1.3 14.1.3 光纤体压计光纤体压计图图图图14.914.914.914.9中，中，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

31、信发生变化，从而调制反射光强的大小。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。号与被测压力成正比。号与被测压力成正比。14.1.3 14.1.3 光纤体压计光纤体压计图图图图14.1014.1014.1014.10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。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。两根相同的多模阶跃光纤对接，一根光纤将光传送到传感两根相同的多模阶跃光纤对接，一根光纤将光传送到传感两根相同的多模阶跃光纤对接，一根光纤将光传送到传感两根

32、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。这种光纤部分，另一根光纤接收经传感部分后的剩余光。这种光纤部分，另一根光纤接收经传感部分后的剩余光。这种光纤部分，另一根光纤接收经传感部分后的剩余光。这种光纤的选择特点是易弯曲，具有低的数值孔径。的选择特点是易弯曲，具有低的数值孔径。的选择特点是易弯曲，具有低的数值孔径。的选择特点是易弯曲，具有低的数值孔径。图图图图14.10 14.10 14.10 14.10 薄膜光纤体压计结构图薄膜光纤体压计结构图薄膜光纤体压计结构图薄膜光纤体压计结构图14.1.4 14.1.4 光纤体温计光纤体温计 Luxtron

33、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14.11(a)14.11(a)14.11(a)14.11(a)所示，所示，所示，所示，辐射光谱取决于温度，图中强度辐射光谱取决于温度，图中强度辐射光谱取决于温度，图中强度辐射光谱取决于温度，图中强度 Y Y 和强度和强度和强度和强度 R R 的比被用来的比被用来的比被用来的比被用来决定温度。输出光强变化的温度曲线如图决定温度。输出光强变化的温度曲线如图决定温度。输出光强变化的温度曲线如图决定温度。输出光强变化的温度曲线如图14.11(b)14.11(b)14

34、.11(b)14.11(b)所示。所示。所示。所示。(a)(a)(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)(b)(b)输出光强变化的温度曲线输出光强变化的温度曲线输出光强变化的温度曲线输出光强变化的温度曲线 图图图图14.11 Luxtron 14.11 Luxtron 14.11 Luxtron 14.11 Luxtron 温度计温度计温度计温度计 14.1.4 14.1.4 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器的探头结构如图光纤温度传感器的探头结构如图光纤温度传感器的探头结构如图14.

35、1214.1214.1214.12所示。所示。所示。所示。传感器的探传感器的探传感器的探传感器的探测部分应具有单端光输入与输出的功能。测部分应具有单端光输入与输出的功能。测部分应具有单端光输入与输出的功能。测部分应具有单端光输入与输出的功能。图图图图14.12 14.12 14.12 14.12 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14.1.4 14.1.4 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

36、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如图如图14.13(a),(b)14.13(a),(b)14.13(a),(b)14.13(a),(b)所示。所示。所示。所示。探头的外壳由医学上可接受的探头的外壳由医学上可接受的探头的外壳由医学上可接受的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，其外部的黑色绝缘含氟聚合物（聚四氟乙烯）挤压成形，其外部的黑色绝缘含氟聚合物（聚四氟乙烯）挤压成形，其外部的黑色绝缘含氟聚合物（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。层可以对散射光进行屏蔽。层可以对散射光进行屏蔽。层可以对散射光进行屏蔽。在探头连接端通

37、过一个在探头连接端通过一个在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全塑料的连接器全塑料的连接器 如图如图如图如图14.13(c)14.13(c)14.13(c)14.13(c)所所所所示示示示 ，与测量仪器配备的两根长与测量仪器配备的两根长与测量仪器配备的两根长与测量仪器配备的两根长 5 m5 m的半固定光缆相连。的半固定光缆相连。的半固定光缆相连。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这个长度允许在高射频或微波场中，测量仪器可放在离测这个长度允许在高射频或微波场中，测量仪器可放在离测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

38、点较远的地方。量点较远的地方。量点较远的地方。量点较远的地方。14.1.4 14.1.4 光纤体温计光纤体温计 图图图图14.13 14.13 14.13 14.13 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14.1.4 14.1.4 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单个传感头的具体结构如图单个传感头的具体结构如图14.1414.1414.1414.14所示。所示。所示。所示。图图图图14.14 14.14 14.14 14.14 单个传感头的结构图单个传感头的结

39、构图单个传感头的结构图单个传感头的结构图纤心纤心纤心纤心外是外是外是外是塑料包层塑料包层塑料包层塑料包层，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，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。套管。套管。14.1.4 14.1.4 光纤体温计光纤体温计 少量的少量的少量的少量的磷光体磷光体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。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反射层，反射层外是不透光层，它可以，反射层外

40、是不透光层，它可以，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。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保护层保护层，它包裹在光纤顶端和，它包裹在光纤顶端和，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。温度传感器之外。温度传感器之外。14.1.5 14.1.5 光纤氧饱和度传感器

41、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：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，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

42、光有不同的吸收率，如图如图如图如图14.1514.1514.1514.15所示。所示。所示。所示。图图图图14.15 14.15 14.15 14.15 血液的光谱特性曲线血液的光谱特性曲线血液的光谱特性曲线血液的光谱特性曲线 14.1.5 14.1.5 光纤氧饱和度传感器光纤氧饱和度传感器在图在图在图在图14.1514.15中，从曲线可以看出，中，从曲线可以看出，中，从曲线可以看出，中，从曲线可以看出，在波长为在波长为在波长为在波长为600 700 nm600 700 nm的的的的红光区，还氧血红蛋白红光区，还氧血红蛋白红光区，还氧血红蛋白红光区，还氧血红蛋白(Hb)(Hb)的吸收系数远比氧

43、合血红蛋白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的吸收系数远比氧合血红蛋白(HbO(HbO2 2)的大，但在波长为的大，但在波长为的大，但在波长为的大，但在波长为805 1000 nm805 1000 nm的红外光区，的红外光区，的红外光区，的红外光区，HbHb的吸收系数要比的吸收系数要比的吸收系数要比的吸收系数要比HbOHbO2 2的小。当波长为的小。当波长为的小。当波长为的小。当波长为805 nm805 nm时，时，时，时，HbHb和和和和HbOHbO2 2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。具有相同的吸收系数，称为等吸收点。具有相同的吸收系数

44、，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 nm660 nm和和和和940 nm940 nm两个两个两个两个波长的相对光强之间存在较好的线性关系。波长的相对光强之间存在较好的线性关系。波长的相对光强之间存在较好的线性关系。波长的相对光强之间存在较好的线性关系。14.1.5 14.1.5 光纤氧饱和度传感器光纤氧饱和度传感器根据根据根据根据 Beer-Lambert Beer-Lambert 定律，当选定的入射光波长为定律，当选定的入射光波长为定律，当选定的入射光波长为定律，当选定的入射光

45、波长为660 nm660 nm和和和和940 nm940 nm时，其定律可表示为时，其定律可表示为时，其定律可表示为时，其定律可表示为 (14.3)(14.3)式中，式中，式中，式中，660 660 和和和和 940940 为全血在波长为为全血在波长为为全血在波长为为全血在波长为 660 nm 660 nm 和和和和 940 nm940 nm处处处处的吸收率；的吸收率；的吸收率；的吸收率；A ,B A ,B 为常数。为常数。为常数。为常数。14.1.5 14.1.5 光纤氧饱和度传感器光纤氧饱和度传感器如图如图如图如图14.1614.1614.1614.16所示，传感器通过接插头与仪器相连接。

46、通过所示，传感器通过接插头与仪器相连接。通过所示，传感器通过接插头与仪器相连接。通过所示，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程序设计控制微处理器时产生波长为程序设计控制微处理器时产生波长为程序设计控制微处理器时产生波长为 660 nm660 nm 的红光和波的红光和波的红光和波的红光和波长为长为长为长为 940 nm940 nm 的红外光的驱动信号，经的红外光的驱动信号，经的红外光的驱动信号，经的红外光的驱动信号，经 D/AD/A 转换后送至转换后送至转换后送至转换后送至光源驱动电路。光源驱动电路。光源驱动电路。光源驱动电路。图图图图14.16 14.16 14

47、.16 14.16 光纤测氧计光纤测氧计光纤测氧计光纤测氧计14.1.5 14.1.5 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。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

48、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，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。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。14.1.6 14.1.6 光纤血气监测传感器光纤血气监测传感器图图图图14.1714.1714.1714.

49、17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。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。图图图图14.17 14.17 14.17 14.17 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个完整的热电

50、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 pOpO2 2,pCOpCO2 2 和和和和 pH 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度度。14.2 14.2 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