光纤和激光传感器ppt课件.ppt
第三章 物理传感器的基本原理,3.9 光纤和激光传感器,2009年诺贝尔物理奖得主,高锟被誉为“光纤之父”。早在1966年，高锟就在一篇论文中首次提出用玻璃纤维作为光波导用于通讯的理论。简单地说，就是提出以玻璃制造比头发丝更细的光纤，取代铜导线作为长距离的通讯线路。这个理论引起了世界通信技术的一次革命。随着第一个光纤系统于1981年成功问世，高锟“光纤之父”美誉传遍世界。,光纤 (optical fiber)是光导纤维的简称。 它是利用光的全反射原理,高效率地传输光能的玻璃或塑料纤维。 用途：利用光传递多种信息,如光纤通讯等,光纤传递图像信息。 在生物医学中,用光纤传输图像,如内窥镜等。,光纤传感器是二十世纪70年代迅速发展的一种新型传感器。 光导纤维具有良好的电气绝缘性能，不受电磁场干扰，耐高温、耐腐蚀、体积小、重量轻、可绕曲等优点， 广泛用于对温度、压力、速度、位置、化学成分、液面、电流、应变及核辐射等物理量进行高精度检测,应用前景极为广阔。,3.9.1 光纤传感器,非功能性：将光纤引入传输网络，是对传统的以铜导线为载波传送电信号的巨大冲击，它以高速度、高可靠性传送大量信息。它具有不受电磁干扰、绝缘性好、安全防爆、损耗低、传输频带宽、容量大、直径细、重量轻、可绕曲和耐腐蚀等优点。因此很快地被应用到信号检测领域中，特别是经过特别设计、制造及处理的特殊光纤，其一些参数可随外界某些因素而变化，因而这些光纤又具有了敏感元件的功能，这样的光纤又开辟了一个新的领域：功能型光纤（光纤传感器）可以测量的物理信息种类：声、振动、温度、磁、旋转等,3.9.1 光纤传感器,1） 光纤的构造纤芯为石英玻璃等材料制成的导光纤维细丝，直径在5100 m范围内；包层材料的折射率n2略低于纤芯材料的折射率n1，包层外径在100350 m范围内。包层外面涂敷硅树酯之类的缓冲层，最外层包有起保护及屏蔽作用的尼龙套管。 光纤呈圆柱形，两端面为平面,（a） 光纤断面构造； （b）光纤中的光的传输,几何光学理论,光以小的入射角1,由折射率(n1)大的光密物质射向折射率(n2)小的光疏物质(即n1n2)时,一部分光以2折射入光疏物质,其余以1角度反射回光密物质。,光在光纤中的全反射条件,只要使从空气射入射入光纤端面A的光与光轴的夹角0小于一定值,保证射至界面B的入射角大于临界角C光线就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播 光在光纤内经过若干次的全反射,光就能从光纤的一端以光速传播到另一端,这就是光纤传光的基本原理,设光纤纤芯折射率n1，覆盖层折射率n2。满足n1n2,在界面B产生全反射条件为： 光在A点入射，光纤周围媒质为空气,其折射率n0=1,由shell定律得：,光纤的数值孔径NA： 在光纤内发生全反射的光入射角0。 数值孔径取决光纤材料，决定入射光角0。 凡入射角小于0,光能全反射,从光纤传到另一端。入射角大于0,光部分透过壁入外层,在一定距离内将能量逐渐折射耗尽,不会继续传导。,光纤的特性,传播损耗由于光在光纤中传播时的吸收，散射和结构缺陷损耗等原因，存在传播损耗，它随波长、频率增大而迅速增加石英半模光纤在波长为1.55m时，损耗为0.2dBKm-1光纤色散光纤材料的折射率是光信号频率的函数，它反映了传输带宽、信息传输容量和品质光纤非线性入射光变化引起频率转换、散射、折射等，对光通信不利，确可作为光纤传感器测量的依据,3.9.1.2 光纤的分类,根据折射率分布函数：阶跃型和梯度型根据光纤传输模数N单模光纤和多模光纤先可分解为沿轴向和径向传播的平面波沿径向传播的平面波在纤芯和包层的界面上产生反射如此波在一个往复（入射和反射）中相位变化2的整数倍时就形成驻波只有驻波在20光锥内射入光纤的光才能在光纤中传播一个驻波就是一个模在光纤中只能传播一定量的模，纤芯直径为5m时只能传播一个模，称为单模光纤，纤芯直径为50 m以上时能传播数百个模，称为多模光纤,光纤血压传感器,(a) 液晶感受压力型:液晶受压后,光散射特性发生变化,使反射光的光通量改变 (b) 薄膜感受压力型:压力作用于薄膜片使其产生位移,导致反射光的角度,光通量改变,光纤温度传感器,纤芯为Si02材料,覆盖层用甘油等对温度依赖性大 温度变化引起覆盖层折射率改变,引起反射光量变化,达到测温的目的。 特点抗干扰能力强,无电信号不会电击,对生命体安全,内窥镜的发展,内窥镜在200年里结构发生了4次大的改进，从最初的硬管式内镜、半曲式内镜到纤维内镜，又到如今的电子内镜，影像质量也发生了一次次质的飞跃。最初Bozzine研制的第一台硬管内镜以烛光为光源，后来改为灯泡作光源，而当今从内镜获得的是彩色相片或彩色电视图像。这图像不再是组织器官的普通影像，而是如同在显微镜下观察到的微观像，微小病变清晰可辨，其影像质量已达到了较高的水平。,硬式内镜阶段（18051932）,1805年，德国人Philipp Bozzini首创，由一花瓶状光源、蜡烛和一系列镜片组成，主要用于膀胱和尿道检查。1895年Rosenhein研制的硬式内镜由3根管子呈同心圆状设置，中心管为光学结构，第二层管腔内装上铂丝圈制的灯泡和水冷结构，外层壁上刻有刻度反应进镜深度。1911年Elsner对Rosenhein式胃窥镜作了改进，在前端加上橡皮头做引导之用，但透镜脏污后便无法观察成为主要缺陷，Elsner式胃镜1932年以前仍处于统帅地位。,硬式内镜阶段（18051932）,硬式内镜阶段（18051932）,半屈式内镜阶段（19321957）,Schindler从1928年与优秀的器械制作师Georg Wolf合作研制胃镜，最终在1932年获得成功，定名为Wolf-Schinder式胃镜。之后，许多人对其进行了改造，使之功能更为齐全，更为实用。,半屈式内镜阶段（19321957）,光导纤维内镜阶段（1957年至今）,1954年，英国的Hopkins和Kapany发明了光导纤维技术。1957年，Hirschowitz及助手在美国胃镜学会上展示了自行研制的光导纤维内镜。60年代初，日本Olympas厂在光导纤维胃镜基础上，加装了活检装置及照相机，有效地显示了胃照相术。1966年Olympas厂首创前端弯角机构。1967年Machida厂采用外部冷光源，使光量度大增，可发现小病灶，视野进一步扩大，可以观察到十二指肠。近10年随着附属装置的不断改进，如手术器械、摄影系统的发展，使纤维内镜不但可用于诊断，且可用于手术治疗。,光导纤维内镜阶段（1957年至今）,实例：上消化道内镜,上消化道内镜：食管镜、胃镜与十二指肠镜三类按结构可分为：前视型（观察窗在顶端）、侧视型（观察窗与镜轴成90度）及斜视型（观察窗与经轴成30度）按功能划分：普通检查用的胃镜、治疗用内镜（双孔道或大孔道内镜）及专用的放大胃镜、荧光内镜、超声内镜等按图像传播方式可分为以光学纤维传播的纤维内镜和以固体摄像器件传播的电子内镜,上消化道内镜的基本原理,玻璃纤维、光源和附件三部分组成光源发出光，经导光束照明消化管内腔，图像由物镜导像束传至目镜后进行观察导光束和导像束都是以玻璃纤维为基本元件，每根纤维束由数万根单纤维组成。单纤维丝直径为1016m，每根纤维由折射率较高的核心层及折射率较低的被覆层组成产生全反射，经过多次全反射，光线从另一端射出，而光能并无损失将单纤维按一定的方式排列成束，两端固定，就成为传导图像的导像束。两端添加目镜和物镜，可以在任意弯曲的情况下，直接观察消化管内腔,上消化道内镜的基本结构,光学系统和机械系统两大部分光学系统：导光束、导像束、目镜、物镜等机械系统：操纵部的弯角钮、牵引钢丝、各种管道及外套管组成内镜大体分为：先端部、弯曲部、镜身、操纵部、导光缆,上消化道内镜发的各部分,先端部先端部有观察窗（包括物镜及导像束）、导光窗（多数内镜设有两个）及注水、注气孔，注水是冲洗镜面本身用的，注气则是将胃腔撑开以利观察。另有吸引孔兼作活检钳及附属器械的出口，侧视镜在此有抬钳器,光纤传感器的应用,例1 光纤温度开关,图1 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,图2 热双金属式光纤温度开关1 遮光板； 2 双金属片,例2 遮光式光纤温度计,当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。,例3 膜片反射式光纤压力传感器,Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，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。,光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.,例3 微弯光纤压力传感器,微弯光纤压力传感器,3.9.2 激光式传感器,激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴技术，激光技术发展速度是十分惊人的，目前在生产和科研等许多方面都已有很多应用。它的出现，不但使现代光学应用技术出现了一个飞越，同时也促进了物理学和其他相关科学的发展。 激光式传感器(Laser sensor)包括激光发生器、激光接收器及其相应的有关电路。在这里，简单介绍一下激光的产生、激光的特点以及激光器在检测方面的应用。,1激光的本质,处于激发态的原子自发地从高能级跃迁到低能级上去，同时辐射出光子，这种发光叫原子自激辐射 如果处于高能级的原子（激发态原子）在外界作用的影响下，跃迁到低能级上去而发射光子，这种发光叫做原子的受激辐射。 在一个入射光子的影响下，会引起大量原子的受激辐射，这时所发射的光子在相位、发射方向、振动方向和频率上都完全一样，这一过程叫光放大。所以，在受激发射时，原子的发光过程不再是互不相关的，而是相互联系的。这种光就是激光。,2激光的形成,激光是媒质的粒子（原子或分子）受激辐射而产生的，但受激辐射必须具备下述条件才能形成。 （1）粒子数反转 当媒质处于热平衡状态时，各能级上的分布遵循的统计规律,处于低能级上的粒子数大于处于高能级上的粒子数。这种情况下，光吸收是主要的. 要实现光放大,通过气体放电或光照射等外界供给能量的方法来获得高能级上的粒子数目多于低能级上的数目，即粒子数反转分布,粒子数反转分布的粒子系统（工作物质），称为增益介质 。,(2）激光器的光振荡放大,激光器必须有一个光学共振腔，实现光振荡放大和激光输出 光学共振腔的两端是由各种形状的曲面反射镜构成。最简单的是两面相互平行对置的平面反射镜，一个为全反射镜，另一个为半反射半透镜，而工作物质封装在两个镜的封闭体中，镜面对光有很高的反射率。 受激辐射光在两反射镜之间做往返反射，每次返回时都经过建立了粒子数反转分布的工作物质，这样使受激辐射得到一次又一次地加强。直至能获得单方向的强度非常集中的激光输出为止。激光在共振腔内往返放大过程叫做振荡放大。,（3）激光输出,在光学谐振腔实际设计中，将一侧反射镜设定为对激光波长的反射率接近100，另一侧反光镜则稍低一些，比如在98以上，这样这一端的半反射半透镜将有激光穿透，这一端即为激光的输出端。,39.2-2激光的特点,方向性强 :激光具有高平行度,其发散角小,一般约为0.18。, 光束在几公里之外的扩展范围不到几厘米,能量高度集中,亮度很高 单色性好 相干性好:相干性是指两束光在相遇区域内发出的波相叠加,并能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号。时间相干是指同一光源在相干时间内的不同时刻发出的光,经过不同路程相遇而产生的干涉。空间相干是指同一时间由空间不同点发出的光的相干性。由于激光的传播方向、振动态、频率、相位完全一致,因此,激光具有优良的时间和空间相干性。,3.9.2-3激光器分类及其特性,(1).固体激光器 它的增益介质为固态物质。特点是体积小而坚固，功率大,目前,输出功率可达几十兆瓦。固体激光器有红宝石激光器,掺钕的钇铝石榴石激光器(简称YAG激光器)和钕玻璃激光器等。 (2).液体激光器 它的工作物质是液体。最大特点是它发出的激光波长可在一定波段内连续可调,连续工作,而不降低效率。液体激光器可分为有机液体染料激光器、无机液体激光器等。较为重要的是有机染料激光器。,(3).气体激光器 工作物质是气体。其特点是小巧,能连续工作,单色性好,但是输出功率不及固体激光器。目前,已开发了各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。常用的有C02激光器、氦氖激光器和CO激光器等。 (4).半导体激光器 半导体激光器是继固体和气体激光器之后发展起来的一种效率高、体积小、重量轻、结构简单,但输出功率小的激光器。其中有代表性的是砷化镓激光器。,3.9.2-5 医学应用激光光动力学疗法 癌症己成为危及人类生命的重要疾病之一。全世界每年新发病人数约700万人，死亡约500万人，患病人数约达1400万人，预测到2000年死亡人数将增加到800万人 肿瘤的治疗，目前临床上有3种常规方法：手术疗法、放射疗法和化学药物疗法。 激光光动力学疗法正是近年来研究进展较快的治疗肿瘤的新技术之一。,一、激光光动力学疗法,所谓光动力学疗法PDT （photodynamic therapy)指利用恶性肿瘤选择性地摄入并潴留光敏剂，在特定波长光激发下，引起一系列光化学反应，从而杀死肿瘤组织，产生治疗作用。 用激光器发出的光波作激发光的光动力学疗法称为激光光动力学疗法。,二、激光光动力学疗法的机理,光敏剂本身对于肿瘤无治疗价值，只有在激发光和氧存在的条件下，发生“光动力学效应”并产生单态氧，才能对肿瘤细胞产生高度的杀灭作用。 单态氧是三重态的分子氧的一种亚稳态，是很强的细胞毒剂，它生存期极短，有强烈的氧化活性，能参与许多化学和生物氧化的过程，单态氧是在激发的三重态卟啉的能量传递过程中形成的 单态氧的形成是光动力学治疗的基础，有文献指出：每个肿瘤细胞可受到109个光子的照射，所产生的单态氧能杀灭999的瘤细胞,三、光动力学疗法的临床应用,临床上实施光动力学疗法的方法大致说来是静脉注射或滴注或口服光敏剂，经4872小时后，肿瘤组织较正常组织聚集光敏剂的浓度高10倍以上，这时可对病灶部位施加高能量光照射。因此，优良的的光敏剂和与之相适应的光源成为光动力学疗法成功的前提条件。 1. 光敏剂（photosensitizer）是指那些在一定波长范围的光照射下能显示荧光和杀伤与之结合的细胞的物质，而光动力学疗法正是利用光敏剂的荧光效应实现对肿瘤的早期诊断，且同时杀伤瘤细胞，达到治疗的目的。,3.10 生物传感器,酶是能选择性地催化特定物质反应的蛋白质,具有良好的分子识别作用。早在本世纪40年代,酶首先被选为对有机物呈特异响应的传感器的敏感材料。 1962年Clark最先提出利用酶的这种特异性,把它和电极组合起来,用以测定酶的底物。 采用了生物技术中的酶固定化技术,把葡萄糖氧化酶(GOD)固定在疏水膜上,再和氧电极结合,组装成了第一个酶电极(传感器)- 葡萄糖电极。,生物体内除了酶以外,还有其他具有分子识别作用的物质,例如,抗体、抗原、激素等,把它们固定在膜上也能作传感器的敏感元件。 此外,固定化的细胞、细胞体(器)及动、植物组织的切片也有类似作用。 人们把这类用固定化的生物体成分:酶、抗原、抗体、激素等,或生物体本身:细胞、细胞体(器)、组织作为敏感元件的传感器称为生物分子传感器或简称生物传感器。,生物传感器基本结构,生物传感器: 将生物物质固定在高分子膜等固体载体上, 与被识别的生物分子作用,将会产生变化的信号(电位、热、光等)输出。 然后采用电化学反应测量、热测量、光测量等方法测量输出信号。 生物传感器: 将生物物质固定在高分子膜等固体载体上, 与被识别的生物分子作用,将会产生变化的信号(电位、热、光等)输出。 然后采用电化学反应测量、热测量、光测量等方法测量输出信号。,生物传感器的基本结构,化1将化学变化转变成电信号,现以酶传感器为例加以说明。 酶能催化特定物质发生反应,从而使特定物质的量有所增减。用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化的酶相耦合,即组成酶传感器。 常用的这类信号转换装置有Clark型氧电极、过氧化氢电极、氢离子电极、其他离子电极、氨气敏电极、C02气敏电极、离子敏场效应晶体管等。除酶以外,用固定化细胞,特别是微生物细胞、固定化细胞器,同样可以组成相应的传感器,其工作原理与酶相似。,2将热变化转换为电信号,固定化生物材料与被测物作用时,伴有热变化,产生热效应，大多数酶反应均有热变化,一般在25100kJ/mol的范围。 利用热敏电阻转换为电阻的变化,3将光效应转变为电信号,有些生物物质,如过氧化氢酶,能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光 将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管等光敏元件前端,再用光电流检测装置,即可测定过氧化氢的含量。 许多酶反应都伴有过氧化氢的产生,又如葡萄糖氧化酶(GOD在催化葡萄糖氧化时也产生过氧化氢。因此把GOD和过氧化氢酶一起做成复合酶膜,可用上述方法测定葡萄糖。,4直接产生电信号,使酶反应伴随有电子转移、例如测定葡萄糖的传感器,它是用二茂络铁的电子传送体,使葡萄糖氧化酶(GOD)的氧化还原反应。 利用微生物细胞直接或通过电子传送体在铂阳极上的氧化产生电流,利用这一过程现已研制成了测定菌数的传感器等,
