光纤传感器的其他应用.pdf

穗器的其他应由曜fl 3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军事方面的应用光纤传感器在环境保护方面的应用燕山大学光电子系1光纤传感器在医学上的应用光纤医用传感器是用来测量人体和生物体内部有关医 疗诊断等医学参量的光纤传感器。由于是医用，因此 光纤医用传感器的特点是小巧，安全可靠，电绝缘和 抗电磁干扰性能好，测量精度高及与生物体亲和性好,特别适用于肌体内部的检测。光纤传感技术不仅提高 了医学工程研究的原有水平，而且还由此创立了一些 新的研究方法，可以广泛地应用于医学临床检验和生 物体检测中。燕山大学光电子系1光纤传感器在医学上的应用根据在活体内测量的信息不同，光纤传感器可分为物理传 感器和化学传感器。物理传感器是用来测量物理变量的，如流动、压力、温度等，通过对这些变量的变量的，如流 动、压力、温度等，通过对这些变量的分析，有助于估计 病人的病情及指导治疗。化学传感器可以测量氧饱和度，提供有关病人供氧能力的信息，同时还可以测量组织及药 物代谢，也就是在活体内对各种化学活性代谢媒介物进行 光学测量，也可以测量血气、血液葡萄糖等。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。Yk_ _ I燕山大学光电子系燕山大学光电子系4号1.1光纤血流沙由于光纤探头具有体积小、测量精度高、适宜在活体组织 中检测以及不需要电引线等优点，因此光纤血流计可以用 于高精度血液流速的测量。:光纤血流计的工作原理是应用多普勒频移原理，基本结构图14.1光纤血流计及其探头工作原理燕山大学光电子系1.1光纤血流计氮-就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：凶-2nv-cos(p!A.分束器的另一束光用做参考光，将驱动频率A=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/o/(4是光源的频率)。将新的参 考光信号与多普勒频移信号(/o+V)进行混频，就得到战测 的光信号。这种方法称为光学外差法。I燕山大学光电子系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。图中 的符号由血流方 向确定，根据式(14.1),当00(p900时，Af为 正，即出现右移频率；当900 cp 180时，Af 为负，则出现左移频率。频率加,表示最大频移(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ZpS OInom/sJ9s)SS还氧血红蛋白波长燕山大学光电子系1.5光纤氧饱和度传感器:根据Beer-Lambert定律，当选定的入射光波长为660 nm和940 nm时，其定律可表示为SpC2。940(14.3)式中,。660和%0为全血在波长为660 nm和940 nm处的 吸收率；A,B为常数。燕山大学光电子系1.5光纤氧饱和度传感器:如图14.16所示，在使用中，传感器一般夹在人手指尖部,指盖一侧大多为发光器件，指肚一侧大多为接收器件，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660 nm的红光和波长为940 nm的红 外光的驱动信号，经D/A转换后送至光源驱动电路。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，使它们发射 光脉冲。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 一步的加工处理，从而计算出血氧饱和度值。燕山大学光电子系燕山大学光电子系1.6光纤血气监测传感器血液中pOz值、pCO2值和pH值是诊断和治疗肺部疾病中的基本 测量参数，特别对于危急病人，在紧急护理和手术中连续、准 确地获得这些参数尤为重要。利用光学荧光和光纤技术可以制 成体积小、成本低、无污染、对血流无干扰、综合监测内血管 血气压力的光纤传感器。:图14.17为利用光学荧光法制成的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个完整的 热电偶。三个光纤传感器分别对pO2,pCO2和pH值进行测量，热 电偶直接读取探头和探头尖端的血液温度。血气探头要能够插 入一个其大小和参数与实际临床相等的动脉管中，可以不具有 测量血压和通过管子用探头抽取血样的能力。整个血气探去直径限制在0.61 mm,光纤直径限制在0.13 mm。燕山大学光电子系燕山大学光电子系1.6光纤血气监测传感器:使用温度测量的基本原因在于。2和CO2在血液中的溶解性 是依赖于温度的。止匕外，荧光强度和传感器的化学响应随温度轻微变化，需要补偿，诊断实验中的血气分析过程应 在正常体温37。在内血管血气系统中，pO2?pCODpH 值是在病人的实际体温下测得的，因此必须知道这个温度,以便计算在标准温度37时的血气值。荧光染料以非激发能量的波长释放光能量，因此可用一根 单光纤传送和接收来自传感器染料的光能。选择无毒染料,并且要使其具有适当的吸收和辐射波长特性，具有高荧光 强度（信号强度）以及在生理测量范围内要具有足够的强 度变化（敏感性）。丫燕山大学光电子系1.6光纤血气监测传感器由于荧光传感器把被测对象的分析密度和荧光强度联系在 一起，所以因其他因素如光的错误调整和光纤弯曲造成的 信号衰减所引起的强度变化也会被错认为是密度的变化。一个解决方案是，用两种不同波长的正比于参数密度且独 立于系统增益因素的光束定义染料激励及其散射。选择具 有两个吸收和散射峰值的染料或在传感器尖端提供一种染 料混合物，一个对测量参数敏感，提供一个信号波长，另 一个提供参考波长。总之，医用探头是光纤传感器的一个重要应用领域。各种 功能的医用传感器正在不断地研制之中，有的已付诸临床 实用，显示出它的独特优点。燕山大学光电子系2光纤传感器在军事方面的应用:光纤传感器与常规传感器相比，具有其抗电磁干扰、抗核 辐射、保密性好、质量轻、尺寸小等优点，而且在灵敏度、动态范围、可靠性等方面也具有明显的优势。光纤传感器 还具有多路复用的能力，可以制成分布式的传感结构，因 此从一开始就得到了发达国家政府和军方的重视与青睐，并且很多传感器类型就是由军方率先研究和开发的。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。据报道，1996年美国用于军事、航天的光纤传感器销 售额达2.45亿美元，2000年达13.55亿美元。21世纪的军 事通信和武器装备离开了光纤技术将无“现代化”或“先 进性”可言，在未来战争中将处于被动挨打的局面。,燕山大学光电子系燕山大学光电子系2.1光纤传感器的航空航天军事应用1.光纤传感器在军用飞机和航天器上的应用为了保证飞机和航天器的高性能稳定性和安全性，需要复杂 的传感系统对其各个部位进行实时监测控制。*飞机和航天器的光纤传感器系统大致包含4个部分：飞行 控制系统和导航用光纤传感器，主要包括飞行控制传感器、光纤陀螺仪、光纤加速度计、副翼方位光纤传感器、舵轮速 度光纤传感器等；发动机测控系统用光纤传感器，包括发 动机叶片光纤温度传感器、发动机排气温度光纤温度传感器、发动机叶尖间隙光纤传感器等；机内环境测控用光纤传感 器，包括设备过热监测与告警光纤传感器、飞机环境温度光 纤传感器等；光纤智能机壳监控系统用光纤传感器。_ _ _ I燕山大学光电子系2.1光纤传感器的航空航天军事应用(1)飞行控制系统和导航用光纤传感器由于电磁干扰(EMI)、电磁脉冲(EMP)、高强度无线 电频率(HIRE)以及新的威胁(如直接能量武器)会严重威 胁配备电控飞行的飞行器的飞行安全，因此人们不得不采 取适当的屏蔽措施，但这样将造成质量的增加，而光控飞 行可起到一箭双雕的作用。对于战术飞机来说，如用光控 飞行替代电控飞行，质量约可节省90317 kg,而且，光 纤系统不仅可进行飞行控制，还可用来控制和监测飞行器 的子系统。机载光纤系统在“隐形”飞机中也很重要，因 为机内长达数公里的电缆的噪声辐射将成为辐射源而易被 雷达所发现，采用光纤系统则不存在这个问题。、一燕山大学光电子系2.1光纤传感器的航空航天军事应用(2)发动机测控系统用光纤传感器飞机涡轮发动机叶片是燃气涡轮机的主要组成部分，其性能直接影响整个发动机的性能。尤其叶片温度至关重 要，提高涡轮发动机的进口温度就可以大大改善发动机的 性能。常规的方法是用热电堆或硅光探测器作为测温敏感 元件来测试发动机的高温，效果均不理想。光纤辐射高温 传感器技术的进展，为测试发动机的高温提供了比较理想 的手段。一种典型的测量飞机涡轮发动机叶片温度的光纤辐射 高温传感器的测试安装示意图如图14.18所示。燕山大学光电子系2.1光纤传感器的航空航天军事应用图14.18飞机涡轮发动机叶片温度光纤传感器测试的安装示意图传感器探头通过发动机机匣直接插入涡轮机匣内，探头前 端由压气机引入干净冷空气，以降低探头前部光学透镜的工作 温度，清洁光学透镜表面。为了降低光纤接头处的工作温厚，不锈钢后部制成环片状，作为散热器。燕山大学光电子系2.1光纤传感器的航空航天军事应用高温辐射光纤传感器用于探测飞机喷气发动机燃气的温度,其结构示意图如图14.19所示。由于飞机喷气发动机的燃气为高温高速气流，当传感器探 头 垂直插入其中进行测量时，要承受高速燃气的冲击。因此，在黑体腔外部必须加置具有耐高温（长期工作温度 1800）抗热震、高强度、大刚度、小直径、易加工等 性能特点的保护套管。一般不锈钢在1800高温下将被熔 化，不能承担此任。通常采用能抗冲击的高温陶瓷或金属 陶瓷作为保护套管。燕山大学光电子系燕山大学光电子系2.1光纤传感器的航空航天军事应用(3)机内环境测控用光纤传感器:由于飞机发动机燃烧过热，可能使其周围的机匣、辅助功率 设备舱及机翼产生过热。使用基于拉曼后向散射的光时域分 布式光纤温度传感器对过热情况进行监测，有较好的测量精 度和告警能力。:机内环境温度一般不超过350,而且军用飞机一般都携带 大量武器弹药，容易引发爆炸，需对环境温度进行监测。采 用荧光光纤温度传感器是一种具有前景的选择方案。传感器 的探头结构如图14.20所示。燕山大学光电子系2.1光纤传感器的航空航天军事应用探头以直径为1mm的多模粗光纤为基体，套以毛细管做成光纤 插针。光纤插针端部为温敏片，温敏片的材料为稀土荧光粉 Y2O2S:Eu（掺铺硫氧化铝）。经研磨、抛光后光纤插针和温片 一起用玻璃外套内涂耐温胶封装。要求玻璃管内底面与光纤插 针端 面平行度好，耐温胶应力小。耐温胶玻璃管温敏片图 14.20插针外套多模粗光纤毛细管荧光光纤温度传感器的探头结构FL燕山大学光电子系2.1光纤传感器的航空航天军事应用(4)光纤智能机壳监控系统用光纤传感器:光纤智能机壳监控系统牵涉到使用埋置在复合结构中的传感 器和链路。采用光纤传感器和链路与常规的电传感器和链路 相比具有以下一些优点：它们通常用直径为125或者更细的光纤获得细如发丝的 传感器，能埋置在很多种复合材料结构中而不改变机械特性。光纤传感器能制成按环境加固，能承受复合材料结构制 造过程中的温度和压力。_7燕山大学光电子系2.1光纤传感器的航空航天军事应用玻璃光纤是无源介质器件，在飞机、航天飞行器要求消除导 电通路时，它们能在有效电危险（如雷击）的场合，用于像 碳环氧和热塑性材料之类的有机合成材料。光纤传感器的无 源性还使这些传感器能成功地埋入金属结构中。很多光纤传感器可以做到高度抗电磁干扰，不需要昂贵而笨 重的屏蔽。光纤传感器可以被复接，使很多传感器位于一根光纤的沿线。光纤传感器天然地与光纤数据链路相容，此类数据链路具有 支持大量光纤传感器所需的带宽。光纤传感器和电信以及光电子工业之间有高度的协合作用，有利于不断改进元件和降低成本。Y_ _I/燕山大学光电子系2.1光纤传感器的航空航天军事应用2.光纤传感器在火箭发动机测试中的应用(1)用光纤传感器监测固体火箭药柱内应力和应变分布固体火箭发动机药柱内应力和应变分布的测量与复 合材料结构应力和应变分布测量类似，可在药柱内埋入用 绞合光纤作为探头的光纤固体火箭发动机应力传感器，利 用微弯时域反射技术来实现药柱内应力应变的测量复用与 微弯时域反射技术的结合。为了测出应变分布，可以采用时分的分布式测量技术。这类光纤传感系统的构成如图14.21所示。燕山大学光电子系燕山大学光电子系2.1光纤传感器的航空航天军事应用(2)固体推进剂燃烧速度光纤传感器固体推进剂燃烧速度是指单位时间内燃烧面沿其法线方向 移动的距离。推进剂燃烧时会产生明显的特征，如随着固 体推进剂燃烧会释放出大量气体，发光、发热等，可以利 用这些特征设计不同类型的测量方式。一种光纤固体推进 剂燃烧速度传感器设计方案的基本原理是，利用固体推进 剂燃烧时发光的特点，由多束光纤构成测量燃烧面位置的 光纤尺，通过测量燃烧面经过光纤尺上各个标定窗口的时 间来推算出燃烧速度。燕山大学光电子系光纤尺为一面开有若干等间距扁缝的金属套管，套管内敷设 数束与扁缝数相同的多束光纤束，每束光纤的端面分别与一扁缝相对应，以接收燃烧面通过该扁缝的光亮。为了提高光 纤的集光效率，可在扁缝处设置适当焦距的聚光透镜，构成 光纤的高效率光耦合器，如图14.22所示。扁缝（窗口）图14.22固体推进剂燃烧速度光纤传感器示意图燕山大学光电子系2.1光纤传感器的航空航天军事应用光纤束的输出端置于金属套管之外，其输出光可由 若干个光电探测器一一对应地分别接收，也可由聚光透镜聚合成一束后由单个光电探测器接收。光电探测器输出的 电信号被送到信号处理系统中处理。为了保证测试精度，各光纤束的长度必须严格相等，否则因光纤束长度不相等 产生的延迟误差将计入燃烧误差。测量时将光纤尺插入燃烧室，当推进剂燃烧时，随 着燃面的推进，燃烧亮光依次进入光纤尺的扁缝，由接收 光纤束接收传输至光电探测器，光电探测器则输出一等间 隔光电流脉冲串，经电信号处理系统整形后得到一串等间 隔方脉冲串，方脉冲时间间隔除相应的光纤扁缝间距艮嚏 I 到相应点的燃速。丁燕山大学光电子系2.2光纤传感器的海上军事应用1.光纤水听器光纤水听器所探测的信号源为水下目标发出或反射 的声波。设水中声波的振幅方程为A=A0 cos(6ya/-(14.4)式中，为水声波的最大振幅；为水声波的圆频率，(为水 声波频率)；为水声波的传播常数，(为水声波长)；为 水声波的初始声程。水声波牵动水粒子位移引起的水密度变化为7 AAp=-p=2nfaPoA/Ca(14.5)OXl式中，为水中声波的传播速度；为静止水密度。T燕山大学光电子系2.2光纤传感器的海上军事应用由于水密度变化产生的水声波压变化为=%=2哦。&4(14.6)水声波压对光纤水听器产生调制，形成水听器的探 测信号。光纤水听器所采用的调制类型主要有光强调制、偏振调制和相位调制。由于相位调制具有灵敏度高，易于 实现全光纤化等一系列优点，基于相位调制的干涉型水听 器成为当前光纤水听器研究开发的主导型。燕山大学光电子系微弯光纤水听器是根据光纤微弯损耗导致光功率变化的原 理制成的水声传感器。图14.23为一种微弯光纤水听器探头的结 构示意图。光纤敏化结构为具有10周期、类似于齿板副的隆起 结构平板副如图14.23(a)所示,其中一块带隆起结构的平板与 聚醋薄膜相连，另一块与之峰谷相应的隆起结构平板通过十字 结构与水听器外壳相连如图14.23(b),(c)所示。两根多模阶跃光 纤平行穿过平板副隆起结构的中间，其中一根为传感光纤，另 一根为用来平衡力分布的空置光纤。通过调整固定十字结构的 螺钉可以改变光纤上的偏置力，形成“S”形敏化结构，如图 14.23(c)所示。当水声压作用于聚酯薄膜时，与薄膜相连的隆 起结构平板随之振动产生位移，导致传感光纤发生周期性修弯。一 一 L，燕山大学光电子系燕山大学光电子系2.2光纤传感器的海上军事应用微弯光纤水听器系统结构示意图如图14.24所示，光源为 He-Ne激光器，光束进入传感光纤后经过模分离器(Mode Stripper)去掉包层模。去掉包层模的光束通过水听器的探头后，再一次经过模分离器，然后由光探测器PD接收并送入频谱分析 仪。水声校准箱图14.24微弯光纤水听器系统结构示意图燕山大学光电子系2.2光纤传感器的海上军事应用2.桅杆式光电观测装置从20世纪80年代开始，美、英、德等国家的潜望镜 制造厂商都开始研制一种不穿透潜艇耐压船体的多功能传 感器成像系统，即潜艇光电桅杆，它将用来代替传统的潜 望镜，装备20世纪90年代中、后期乃至21世纪初服役的 新型潜艇。英国海军于20世纪90年代先后建造的4艘“前卫”级弹道导弹核潜艇采用的自防护组合式光电潜望 镜系统，就是由光电桅杆和光学潜望镜组成的，而光电桅 杆的可回转多传感器头与艇内操纵控制台之间的信息则由 光缆进行传输。燕山大学光电子系2.3光纤传感技术在兵工测试中的应用1.武器膛温光纤传感器随着常规射击武器膛压和膛温的提高，身管的烧蚀和寿命 成为比较突出的问题。为了研究烧蚀机理和防烧措施，需 要知道武器发射过程中膛温升高的清况，因此膛壁温度测 量一直受到国内外弹道实验及武器弹药设计部门的高度重 视。目前国内外膛壁温度测试是根据膛内测试结果用外推 计算的方法求得被测膛温的。由于膛壁表面温度分布具有 二重性，径向和轴向都有温度梯度，且径向梯度远大于轴 向梯度，采用热电偶测膛壁温度就有了一定局限，而采用 光纤辐射温度传感器则具有一系列的优点。燕山大学光电子系2.3光纤传感技术在兵工测试中的应用2.光纤传感技术在引信测试中的应用:由于光纤直径很小、不受电磁干扰、可在一定范围内任意 弯曲等特点，光纤传感器在引信测试领域中的应用受到了 关注，有可能使引信测试技术水平大大提高。目前较成熟 的是采用反射式光强调制型光纤传感器测试引信钟表机构 的运动时间及引信运动零件的位移、速度等运动特性参量。燕山大学光电子系燕山大学光电子系2.3光纤传感技术在兵工测试中的应用传感器的工作原理是：光源LED发出的非相干光通过发射光 纤投射到骑马轮上，当骑马轮转过一个齿时，所反射的光强发 生一次变化。此信号由接收光纤传至光电探测器(PD),再经信 号处理系统处理后输出反映骑马轮运动周期的方波，配以相应 的计时电路或记录装置，便可得到骑马轮转动一个齿所需的时 间及整个工作过程中的时间变化。_7燕山大学光电子系2.3光纤传感技术在兵工测试中的应用对于由离心力驱动的钟表机构，由于动力来自离心力；需将钟表机构和光纤传感器探头一起装在引信模拟装置中，再将引信模拟装置固定在离心机的旋转轴上进行测试，如图 14.26所示。由于传感器和被测件处于高速旋转状态，传感器 的输出需转换成光信号，再由固定接收光纤接收，送至离心 机外处理记录。这类光纤传感器也可用于引信的动态特性测试。测试的 基本方法是在引信的惯性零件上贴上或加工出与运动方向垂 直的黑白相间条纹作为反射面，当惯性件运动时，照射在条 纹上的反射光光强即被条纹反射面调制，产生相应的强弱变 化，据此就可以测试出引信的运动特性参数。条纹越密,.期！试精度越高，但工艺要求也越严格。_L燕山大学光电子系燕山大学光电子系2.3光纤传感技术在兵工测试中的应用光纤传感器在军事上的应用是一个涉及面 很广的系统工程，在军用光纤告警技术、军用机 器人、智能结构与智能材料、光纤制导、遥控远 程运载器、军需油罐液位的测量等各个方面都离 不开光纤传感器。燕山大学光电子系3光纤传感器在环境保护方面的应用为了有效控制大气污染，保护人类的生存环 境，必须对有害物质的来源、分布、数量、动向、转化及消失规律等进行观察和分析。光纤传感技 术在环境科学领域已崭露头角，其显著特点是体 积小，易挠曲，能够在各种恶劣环境条件下工作,可对有害有毒、易燃易爆环境进行多点实时遥测。随着对光纤传感器的研究不断深入，已出现了多 种用于大气污染监测的光纤传感器。燕山大学光电子系1 3.1光纤N02传感器 2 3.2光纤阳3传感器 3 3.3光纤0)2传感器 4 3.4光纤014传感器燕山大学光电子系3.1光纤N02传感器N02是污染大气的主要气体之一，是一种红褐色有特殊 刺激性臭味的气体，它对深部呼吸道具有强烈的刺激作用，可引起肺损害甚至造成肺水肿。图14.27示出了基于分子差 动吸收法光纤远距离测量系统的组成框图。图14.27污染控制信号及报警基壬分子差动吸收法光纤远距离测量系统的组成框图.燕山大学光电子系3.1光纤N02传感器把摩托车排出的废气引进测量气室，发动机速度由 低速（约500r/m）到高速（约3000r/m）变化进行测试，所得实时测量结果曲线如图14.28所示，图中/区为低速区,8区为高速区。其灵敏度指标完全可以满足一般城市环境 大气中NO2浓度监测要求。由于监测系统采用了双波长工 作，可以消除由光源、光纤和传感探头的不稳定和变化所 引起的检测误差，大大提高了检测灵敏度和准确度。这种 监测方法采用光纤作为传光通道，因此它不受电磁干扰的 影响，能在各种特殊环境下经济、实时和安全地实现遥测。燕山大学光电子系3.1光纤NO2传感器0213时间(min)(9。一)褪谈ON o O)图14.28 N02浓度实时测量结果曲线燕山大学光电子系3.2光纤NH3传感器光纤NH3气体传感器的探头结构如图14.29所示。透 气膜采用疏水性好的聚四氟乙烯(PTFE)微孔过滤膜，既能 把内充液与样品溶液分开，又能使NH3的极性气体透过。疏水性透气膜将内充液密封在PVC外套管与光纤末端形成 的空腔内，用固定螺钉调节光纤末端与透气膜之间充液层 的厚度，指示剂直接溶于内充液中，并且被吸附于阴离子 交换膜上。pH敏感膜固定于光纤末端置于内充液中，采 用聚四氟乙烯作为防水密封膜。气体穿过透气膜进入探头，使探头内部电解质溶液的pH值发生变化，从而改变了内 充液中指示剂的共扼酸碱异构体的浓度比。燕山大学光电子系燕山大学光电子系3.2光纤NH3传感器在双探头结构的光纤传感器中，两束光经不同的光 纤、不同路径传输，由光纤本身或光路上的变化造成的漂 移将无法补偿，但采用双光束补偿光学系统可以实现很好 的补偿，如图14.30所示。两个LED发出的光经过半透半反镜和透镜系统以同 样的平行光束馈送入入射光纤，来自探头的信号经出射光 纤直接由光电二极管接收。这样，参考光和信号光经过的 路径相同，补偿了光路上的变化。整个系统结构紧凑，光 学布局合理，所用器件便宜，检测灵敏度高，检测限达 nmol/L 级 o燕山大学光电子系燕山大学光电子系3.3光纤C02传感器:*CO2是大气组成成分之一，但其含量过高会引起温室效应 等多种不良影响，这一现象已得到了普遍重视。:光纤C02传感器是以具有C02可渗透膜和与碳酸氢小室相连 接的pH敏感薄膜的荧光变化为基础研制的。当C02透入薄 膜，就会引起pH值的变化，这一变化可由pH荧光敏感染料 的荧光变化测定，响应范围与薄膜相连的碳酸氢浓度有关。如图14.31所示为CO2传感器探头的结构图。燕山大学光电子系燕山大学光电子系3.3光纤C02传感器如图14.32所示为CO?测量小室的结构图。pH敏感膜和 CO2可渗透硅橡胶膜密封在一个玻璃试管的一端，试管中 装满已知浓度的碳酸氢溶液，两分支光纤插入一个橡皮塞 中，被密封在试管里。试管是气密的，只允许反应物注入。小室在测荧光时，由铝进行光密封，以防止背景光的影响。光源注入样品处搅拌器探测器图14.32 CO,测量小室结构图pH灵敏膜 C02渗透膜 一样品室两分支光纤玻璃试管 COJ 橡皮塞燕山大学光电子系3.4光纤CH4传感器只要适当地选择光源波长和光纤，就可以利用如图14.27 所示的原理来设计测量各种不同气体(或浓度)的光纤传感 器。很多污染气体都在近红外区分布有吸收谱线。所以，用 波长为0.921.65 Rm的近红外光InGaAsP或InGaSbP半导体激 光二极管(LD)或发光二极管(LED)作为光源，可以实现这些分 子浓度的远距离功率遥测。吸收测量CH4浓度的光纤系统中，光源采用波带为1.3 N啼宽100nm、功率为0.1 mW的LED；发送和接收硅光纤心径为50,包悬为125,鲍.3处传输损失为1 dB/km；用Ge光电二极管作为光探测器，用 干冰-甲醇混合物致冷以提高温度的稳定性和限制噪声，用锁 相放大器和微机以提高其分辨率和抑制噪声。燕山大学光电子系3.4光纤CH4传感器图14.33示出了 CH4为6.5%浓度的CH4-N2混合气体的测量结果，在1.33 pn处的吸收是由CH4产生的。实验证明,空气中CH4分子浓度检测极限低于10。仅为防爆限额浓 度的1/50,完全可以满足测量精度的要求。另外，在1.66即谱线CH4分子吸收系数比在1.33即 更大，吸收波谱也较宽，所以选择在1.66 pm的LD作为光 源，更有利于提高探测灵敏度。燕山大学光电子系5有文奥1.320 1.330波长(A/|LLm)、图14.33 巩为6.5%浓度的CH电混合气体的测量结果燕山大学光电子系习题-1简述光纤血流计的工作原理。2光纤温度计有哪些优点？