生物医学传感光纤

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第十章,光纤传感器,1,2024/9/21,光纤,-,信息时代的神经,光纤之父,-2009,诺贝尔奖获得者,高锟,光纤通讯系统,光,纤,2,2024/9/21,医学应用,光纤内窥镜,光纤连接的激光手术刀,3,2024/9/21,动,态,图,案,艺术应用,4,2024/9/21,光纤传感器,用光作为敏感信息的载体,，用光纤作为,传递敏感信息的媒质,。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。,光纤传感技术,就是将温度、压力、电场、磁场等环境因素的变化转化为光波量的变化的技术。,光纤传感器,通过光纤把输入变量转换成调制的光信号。,光纤传感,5,2024/9/21,一、 光纤传感器基础,1.,光纤的结构,光纤是,用光透射率高的电介质,(,如石英、玻璃、塑料等,),构成的光通路,。光纤的结构如图所示,:,6,2024/9/21,光纤的拉制,7,2024/9/21,2.,传光原理,光的,全反射现象,是研究光纤传光原理的基础。,8,2024/9/21,光在两介质界面上的折射和反射,9,2024/9/21,NA,定义为,“,数值孔径,”,。它是,衡量光纤集光性能的主要参数,。它表示：,无论光源发射功率多大，只有,2,0,张角内的光，才能被光纤接收、传播,(,全反射,),；,NA,愈大，光纤的集光能力愈强。,产品光纤通常不给出折射率，而只给出,NA,。石英光纤的。,10,2024/9/21,11,2024/9/21,a,、按材料分类,1),高纯度石英,(SiO,2,),玻璃纤维,2),多组分玻璃光纤,3),塑料光纤,4,）,复合光纤,5,）掺氟光纤,6,）,氟氯化物光纤,3.,光纤的种类,12,2024/9/21,b,、按折射率分类,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,但在纤芯及包层界面处折射率有突变。,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，至界面处及包层折射率一致。,13,2024/9/21,c,、按光纤的传播模式分类,什么是光纤的传播模式,？,实际中常用,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,:,值小于,2.41,的光纤，纤芯很细,(5,m-10,m),，仅能传输,基模,(,截止波长最长的模式,),，故称为,单模光纤,。,值大的光纤传输的模数多，称为,多模光纤,，通常纤芯直径较粗,(,几十,m,以上,),，能传输几百个以上的模。,14,2024/9/21,单模光纤,:,阶跃型,常用于,光纤传感器,。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性度；但,因芯小，难以制造和耦合,。,15,2024/9/21,多模光纤,:,允许多个模数的光在光纤中同时传播，,模分散最严重,。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。,16,2024/9/21,渐变折射率多模光纤,:,光纤在纤芯中传播会,自动地从折射率小的界面向中心会聚,，光纤传播的轨迹,类似正弦波形,，又称为,自聚焦光纤,。因此渐变折射率多模光纤的模分散比阶跃型小得多。,17,2024/9/21,4.,光纤传感器的基本组成,构成光纤传感器除,光导纤维,之外，还必须有,光源,和,光探测器,，,另外还有一些,光无源器件,。,例：遮光式光纤温度计,18,2024/9/21,发光二极管,激光二极管,光 源,19,2024/9/21,专用的光纤连接头及光纤插座,光纤及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,及,光纤插座,来完成。,20,2024/9/21,光电转换器件,21,2024/9/21,二、 光纤传感器的工作原理,光纤传感器与电类传感器的对比,22,2024/9/21,分类内容,光纤传感器,电类传感器,调制参量,光的振幅、相位、频率、偏振态,电阻、电容、电感等,敏感材料,温,-,光敏、力,-,光敏、磁,-,光敏,温,-,电敏、力,-,电敏、磁,-,电敏,传输信号,光,电,传输介质,光纤、光缆,电线、电缆,23,2024/9/21,1,、 光纤传感器分类,a,功能型光纤传感器,将,“,传,”,和,“,感,”,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。这类传感器主要使用,单模光纤,。,24,2024/9/21,b,非功能型,(,传光型,),光纤传感器,光纤,仅起导光作用,，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成，,光纤在系统中是不连续的,。,无需特殊光纤及其他特殊技术，,比较容易实现，成本低,；但,灵敏度也较低,，用于对灵敏度要求不太高的场合。,25,2024/9/21,传感器,光学现象,被测量,光纤,分类,干涉型,相位调制光纤传感器,干涉（磁致伸缩）,干涉（电致伸缩）,Sagnac,效应,光弹效应,干涉,电流、磁场,电场、电压,角速度,振动、压力、加速度、位移,温度,SM,、,PM,SM,、,PM,SM,、,PM,SM,、,PM,SM,、,PM,a,a,a,a,a,非,干,涉,型,强度调制光纤温度传感器,遮光板遮断光路,半导体透射率的变化,荧光辐射、黑体辐射,光纤微弯损耗,振动膜或液晶的反射,气体分子吸收,光纤漏泄膜,温度、振动、压力、加速度、位移,温度,温度,振动、压力、加速度、位移,振动、压力、位移,气体浓度,液位,MM,MM,MM,SM,MM,MM,MM,b,b,b,b,b,b,b,偏振调制光纤温度传感器,法拉第效应,泡克尔斯效应,双折射变化,光弹效应,电流、磁场,电场、电压、,温度,振动、压力、加速度、位移,SM,MM,SM,MM,b,a,b,b,b,频率调制光纤温度传感器,多普勒效应,受激喇曼散射,光致发光,速度、流速、振动、加速度,气体浓度,温度,MM,MM,MM,c,b,b,注：,MM,多模；,SM,单模；,PM,偏振保持；,a,b,c,功能型、非功能型、拾光型,光纤传感器的分类,26,2024/9/21,2,光调制和解调,光的调制和解调可分为：,强度、相位、偏振、频率和波长,等方式。,光的,调制过程,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,调制器,。,在光纤传感器中，光的,解调过程,通常是将载波光携带的信号转换成,光的强度变化,，然后由光电探测器进行检测。,27,2024/9/21,*,28,膜片反射式光纤压力传感器,当膜片受压变形时，使光纤束及膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。,光源,接收,Y,形光纤束,壳体,P,弹性膜片,1,）强度调制型,28,*,29,微弯光纤压力传感器,D,S,F,F,变形器,光纤,d,在微弯处一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的,光功率,，就能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。,29,种类,：,有利用光纤的,微弯损耗,；各物质的,吸收特性,；振动膜或液晶的,反射光强度,的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。,优点：,结构简单、容易实现，成本低。,缺点,：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。,强度调制型,光纤传感器,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。,30,2024/9/21,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，相位调制及干涉测量技术并用，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,）相位调制及干涉测量,31,2024/9/21,(a),迈克尔逊干涉仪,(b),赛格纳克干涉仪,(c),马赫泽,-,德干涉仪,(d),法布里,-,珀罗干涉仪,32,2024/9/21,常见相位调制方法：,1,）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,）温度效应,温度变化引起光纤的尺寸及折射率变化：,3,）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；,33,2024/9/21,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。,如：,通常有利用运动物体反射光和散射光的,多普勒效应,的速度、流速、振动、压力、加速度光纤传感器；,利用物质受强光照射时的,拉曼散射,构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器。,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,的现象。,3,） 频率调制,34,2024/9/21,双重多普勒频移方程表示为,:,式中，,f,2,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,根据多普勒频移原理，利用光纤传光功能组成测量系统，可用于普通光学多普勒测量装置不能安装的一些特殊场合，如,密封容器中流速,的测量和,生物体中流体,的研究。,35,2024/9/21,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,:,三、 光纤传感器的应用,36,2024/9/21,1,）光纤液位传感器,37,2024/9/21,光纤液位传感器,38,2024/9/21,2,）光纤式光电开关,反射型,遮断型,反射镜反射型,39,2024/9/21,光纤开关及定尺寸检测装置,标志孔,电路板标志检测,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤 耦合器,传输光纤,出射光纤,40,2024/9/21,定位 条形码检测,41,2024/9/21,遮断型光纤光电开关,出射光纤,接收光纤,42,2024/9/21,光纤温度开关,1,2,3,4,水银柱式光纤温度开关,1,浸液；,2,自聚焦透镜；,3,光纤；,4,水银,43,2024/9/21,采用遮断型光纤光电开关对,IC,芯片引脚进行检测,44,2024/9/21,3,） 医用光纤传感器,a,.,医用内窥镜,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,3.4 mm,。,45,2024/9/21,b.,光纤体压计,可用来检测人体各部位的体压，如膀胱、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。膜片通过悬臂梁及反射镜相连。,p,防水薄膜,46,2024/9/21,保护管内为高温光纤,低温光纤,4,）光纤温度传感器,47,2024/9/21,光纤,环氧胶,半导体,反射膜,利用半导体的吸收特性制作的,光纤温度传感器的单端式探头,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行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。,48,2024/9/21,5,） 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,。,49,2024/9/21,小 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,50,2024/9/21,作业,调研光纤传感器的应用实例（最好及生物医学工程相关）,要求：,每人,PPT,讲解,5-8,分钟,成员：,郭佳慧、张敏、文星曌、郑长坤、黎东升,51,2024/9/21,