第4章光纤传感器的其他应用.ppt

第14章 光纤传感器的其他应用 14.1 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： 光纤血流计、光纤 pH 值传感器、光纤体压计、光纤体温计、光纤氧饱和度传感器等。 14.1.1 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，基本结构如图14.1所示： 图14.1 光纤血流计及其探头工作原理 14.1.1 光纤血流计 氦—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150 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，被直径约为7 nm 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： (14.1) 14.1.1 光纤血流计 式中，υ为血流速度；n为血液的折射率，其值为1.33； φ 为光纤轴线与血管轴线间的夹角；λ 为激光波长。 分束器的另一束光用做参考光，将驱动频率f1=40 MHz的布拉格盒移频器，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 f0-f1（f0是光源的频率）。将新的参考光信号与多普勒频移信号( f0+Δf )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。 14.1.1 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谱分析仪，可以得到血流速度的多普勒频移谱，如图14.2所示。 图14.2 多普勒频移谱 14.1.1 光纤血流计 图中的符号由血流方向确定，根据式(14.1) 当0°＜φ＜90°时，Δf为正，即出现右移频率； 当90°＜ φ＜180°时，Δf为负，则出现左移频率。频率表示最大频移fcut（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，如图14.2中实线所示。 14.1.1 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14.3所示. 图14.3 光纤探头与托座 14.1.1 光纤血流计 图14.4是实验得到的信号多普勒频谱。 图14.4 实验测得的多普勒频谱图 14.1.1 光纤血流计 A, B, C 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 40 MHz 处产生一个尖峰，此尖峰与速度 0 相对应。 在情况 A 中，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；在情况 B 中，频谱很宽，从 40 MHz 到较高的频率，最后降到散粒噪声水平。多普勒变化信号的展宽是由光纤插入血管中所引起的干扰造成的。 14.1.1 光纤血流计 在情况 B 中，频率变化 Δf 与情况 A 中频率Δf 乘以 1.33 相一致，而 1.33 恰好为血液的折射率。所以，情况 A 和情况 B 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。 情况 C 中，在 fcut 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。 整个实验表明，可以用fcut 正确表示血流速度。 14.1.1 光纤血流计 光纤多普勒速度计还有很多别的设计方式，主要是选取参考信号的方法不同。图14.5简要示出了已经在医学上得到很多实际应用的一种仪器。 图14.5 非插入式光纤多普勒血流计 14.1.2 光纤 pH 值传感器 光纤 pH 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的生物化学量。 光纤 pH 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——染料指示剂，例如酚红染料试剂。 14.1.2 光纤 pH 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。 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，pH 值是由酚红试剂对绿光（或监光）光谱的吸收量来决定的。 14.1.2 光纤 pH 值传感器 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 ( λ1= 560 nm )作为调制检测光，红色光 ( λ1= 630 nm ) 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R ，pH 值与 R