英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
传感器和执行器A：物理
用于呼吸监测的光纤微弯传感器的设计与实验
作者：Hai-feng Hu, Si-jia Sun, Ri-qing Lv, Yong Zhao
东北大学信息科学与工程学院，中国沈阳，110819
过程工业综合自动化国家重点实验室，中国沈阳，110819
文章信息
文章历史：2016年5月15日收到；2016年10月10日收到修订版；2016年10月12日网上可用。
关键字：光纤微弯传感器；多模光纤的传输损耗；呼吸监测；靠背型传感器。
摘要
本文提出了一种新的光纤微弯曲传感器，用于呼吸监测，通过人工计算呼吸次数来验证检测到的呼吸频率。因此，本文的目的是找到光纤微弯曲调制器的合适齿数和周期，以提高测量结果的准确性。未来医疗领域将采取相应的改进措施。通过模拟结果确定了光纤微弯曲传感器的齿数，并以此为基础设计了微弯曲调制器的齿结构，齿的大小为6毫米，齿数为15。这种结构是一种座椅靠背式光纤微弯曲传感器，该传感器具有实时、准确、成本低、操作方便等优点，可用于生命体征的测量。
2016 Elsevier B.V.保留所有权
- 介绍
随着科学研究的发展和人们生活水平的不断提高，以及医疗诊断准确性的提高，人们对健康的追求也越来越高，呼吸速率是人体重要的生理参数，方便、准确地检测该参数非常重要。但是，目前的呼吸监测方法还存在一些缺陷需要改进，即使其他方法可以实现准确的测量，但其结构非常庞大。
各种类型的光纤弯曲传感器已经出现，包括长周期光栅 [1-3]，倾斜光纤布拉格光栅（FBG）[4,5]，用特定光纤编写的光栅[6-9]以及各种内联干涉仪[10-13]。这些配置具有各自的优势，可以实现准确的弯曲测量。近年来，人们提出了一种基于偏心纤芯（ECF）和单模纤维（SMF）的新型光纤布拉格光栅（FBG）结构，并通过实验证明了该技术能够区分弯曲效应和轴向应变效应，并测量纯方向弯曲。该结构是通过在ECF和SMF之间的熔接接头上写入FBG来制造的。实验结果表明在ECF部分中FBG的弯曲敏感性为49.3和50.3pm/m（-1）[14]。
此外，还进行了一些曲率测量实验[15]。提出了一种基于强度询问的高灵敏度弯曲温度传感器，该传感器采用与锥形单模光纤（SMF）连接的微腔固体芯PCF（SCPCF）[16]。在曲率范围0-1m-1内，第二个锥度直径为18mu;m时，观察到最大曲线灵敏度为10.4dB/m(-1)。传感装置高度稳定，显示出非常低的温度灵敏度[17,18]。
本文设计了光纤微弯损耗调制器，分析了多模光纤弯曲损耗的影响。研究表明，随着弯曲半径的减小，弯曲损耗急剧增加，然后将多模光纤放入光纤微弯调制器中，测量光功率。为了模拟不同的呼吸强度，在光纤微弯调制器上施加不同的重量，最后对结构进行了改进，实现了响应监测。本文基于光纤微弯原理，提出了一种用于呼吸强度实时监测的光纤调制器，信号噪声采用软件滤波，人机界面友好,取得了令人满意的性能。
1980年，在应用领域，Jacqueline Nottingham and Cole, J.H发表了一篇题为《光纤微弯声传感器》的文章，这篇文章介绍了光纤微弯水听器的结构和特性，这是关于光纤微弯传感器（以下简称FOMBS）的第一份报告。
图1 光纤微弯传感器的示意图
近年来，光纤布拉格光栅传感器被用来来监测心脏活动和呼吸，但是由于成本和复杂性[15-18]，它们仍然受到限制。几个研究小组报告了基于光纤干涉测量法监测心跳和呼吸生命体征的方法[19–22]。2004年，WB Spillman，Jr.等人[23,24]发布了多模式光纤光栅传感器，并开发了一种智能床，用于非侵入式监测患者的呼吸、心率和运动，该小组开发的用于测量生命体征的微弯曲纤维光学传感器由于简单易行且成本低廉，被研究并被嵌入枕头、软垫或床上。它可以无创地同时测量呼吸频率、心率和身体运动，适用于长期连续监测而不受用户的活动和皮肤接触的限制。2009年，ZH Chenet等人[25–27]以前曾提出过用于生命体征的微弯曲光纤传感器。2014年1月，J.Woetal。[28]在《生物医学光学杂志》上报道了一种基于光纤激光的非侵入式呼吸传感器，但该光纤激光传感器仅监测心跳，传感器系统过于复杂和昂贵。2015年，Chen Z等人[29]研究了“用于心跳和呼吸监测的纺织纤维微弯传感器”。由于可以将传感纺织品放在最舒适的位置，传感纺织品相对简单、经济高效、穿着更舒适，本文主要将光纤微弯原理应用于呼吸监测系统中。Lau D等人发现光纤微弯调制器的两齿间距对光功率损耗有明显影响，而光纤微弯调制器的齿数对光功率损耗有较大影响。
图2 微弯调制器的结构图
本文提出了一种锯齿状薄层传感方案的设计。微弯光纤传感器已被开发用于物理和化学检测参数，例如压力，应变，位移，振动，温度，湿度，pH等，具有良好的灵敏度[16-18]，与其他成功的医疗保健传感器类似，我们的微弯传感器技术已经商业化，可用于家庭医疗保健。然而，据我们所知，还没有出版物报道使用微弯光纤传感器进行呼吸监测。
- 光纤微弯呼吸传感器的原理和结构
光纤微弯传感器由光源、微弯调制器、光纤和光电探测器组成。氦氖激光器、激光二极管和发光二极管也经常在实验中被使用，目前，微弯调制器结构已应用于锯齿形、波纹形、螺旋形、弹性圆柱或圆柱形、框架带、手形等多种类型。
图3 锯齿形的微弯调制器和微弯光纤的设计
易弯曲是光纤最重要的优点之一，以锯齿波为例，分析FOMBS的工作原理。考虑到FOMBS的锯齿结构，微弯调制器由两个相对的齿状薄板组成，机械周期为Lambda;，敏感纤维从锯齿薄片的中间穿过，并由于锯齿的作用而弯曲。如果齿状薄片受到外部干扰，敏感光纤的弯曲度会相应改变，导致芯模能量渗入包层，这将导致输出功率的变化，因此可以通过记录输出功率来测量干扰程度。正常情况下，光纤中光纤的常数系数beta;因满足以下公式：n2k0lt;beta;lt;n1k0(n1,n2是纤芯和包层的折射率，k0=2Pi;/lambda;是真空条件下的波数)
FOMBS是一种典型的强度调制型光纤传感器，它利用光纤微弯损耗效应来检测外部物理量的变化，传感器示意图和微弯调制器结构图分别如图一和图二所示。
微弯调制器（E.T.微弯变形）是由两个机械周期为Lambda;的齿状层组成。其原理已在上一段中介绍。
锯齿型微弯调制器由上下两层锯齿薄板组成，上方的锯齿薄片是厚度、长度和宽度分别为8毫米、260毫米和210毫米的立方体，薄片的中部有15个齿，每个齿周围有一个圆柱，下方薄板的大小与上方薄板的大小相同，唯一的区别是下牙板的中部有14齿。但值得注意的是，上下两板应该匹配良好，光纤夹层位于层压板的中间。上方锯齿板由于外界的干扰而产生位移，使光纤周期性弯曲，光纤的弯曲度也会随着外界的干扰而发生相应的变化，然后通过光功率损耗的变化来检测参数的变化。
使用微弯调制器时，采取了以下步骤。首先，纤维穿过锯齿薄板上纤维间隔孔的两侧。然后将弹簧装好，最后在最后四个限位柱上安装螺钉，使锯齿远离光纤，但必须保持适当的距离，完成上述动作后，将光源输入光纤。光纤的工作原理简述如下：当呼吸力作用于上方薄板时，它会产生相应的位移，光纤会产生微弯曲损耗，在弹簧弹力的作用下，随着弹力的消失，上方锯齿板将回到原来的位置，因此，可以根据一分钟内检测出产生光损耗的次数来得出所监测的呼吸频率。
- 微弯调制器的参数设计
锯齿的设计参考了GB192-1981的标准齿形，最后，综合考虑其他影响因素，给出了等边三角形的基本轮廓，为了防止纤维断裂，在尖端设计了一定的圆弧倒角。具体设计如图三所示。
三角形的高度推导如下：假设微弯调制器的高度和三角形ABC的高度分别为H和h，齿距为Lambda;，三角形齿切线两侧的圆弧曲率半径为R，根据几何关系可得到如下方程。
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
为了得到曲线方程，将位移设为X，即微弯调制器向下移动的距离为X，根据光纤的实际弯曲，假设弯曲光纤的轨迹为余弦，弯曲部分的方程为f(x)。
(7)
式中，N、R、Lambda;分别为微弯曲周期、弯曲半径和弯曲周期。
微弯周期数N对微弯损耗有很大影响，当微弯循环次数较多时，当T（T=6）不变时，曲线斜率较大，传感器灵敏度较高，因此，在传感器尺寸可用的前提下，应尽可能的增加齿数。
通过多模光纤微弯曲损耗与弯曲半径的关系以及微弯曲调制器的位移与弯曲半径的关系，可以得到位移与微弯曲损耗的关系。微弯调制器的损耗为：
（8）
根据微弯调制器，弯曲损耗只受弯曲周期的影响，因此需要分析不同弯曲周期数和弯曲周期对弯曲损耗的影响，图4示出了微弯循环次数对损耗的影响。当弯曲周期不变时，弯曲损耗和灵敏度随弯曲周期数的增加而增大。图5示出了微弯曲周期对曲线损耗的影响。从图上看，结论与上述等式一致。
仿真结果表明，微弯周期为6mm，微弯循环为15次，由于工艺的限制，传感器按以下规格制造，锯齿侧边长度为6mm，锯齿数为15，利用该传感器进行实验。
图4 微弯循环次数对损耗的影响
图5 微弯周期对损耗的影响
-
实验结果分析
- 微弯调制器的压力与输出功率测量实验
为了检测微弯调制器器件的可行性，进行了简单的实验。将光纤与1550nm DFB光源相连，另一端与手持式功率计相连，如图1所示，将重量（每个重量约1kg）添加到微弯调制器上，以增加作用在微弯调制器上的压力，应轻轻放置，并尽量定位在微弯调制器的中心，以使弹簧尽可能稳定，为了减小产生误差的抖动，应使锯齿薄片同时平行运动。
经过前后向实验多次验证，四组拟合曲线结果如图6所示。可以看出，输出功率随压力的增加而降低，同一组前后向实验吻合较好，但多组之间的重复性需要改善，原因是限位柱上没有安装弹簧，从而导致了重量的增加或减少，当层板接触时，限位柱会产生摩擦力，且重量的受力面积较小。
验证实验中出现了重复性问题，我们使用砝码来模拟靠背的压力,由于配重块的接触面积不够大，不能保证每次配重块都放在同一位置，可能造成齿板移动偏差,当人们坐在椅子上做实验时，接触面积可以覆盖传感器，从而减小了摩擦的影响，可能得到理想的波形图，并且较好地改善了重复性的问题。
它可以大幅度降低摩擦的极限柱，当锯齿薄板依靠在背部的呼吸上时，反应面积会因此增大，传感器将光电转换模块和呼吸波形显示在连接的示波器上，除此之外，我们还可以看到当人们呼吸时波形会发生明显的变化。由于示波器不能输出实时波形，下一步是改进实验结构，将光电检测和采集电路模块应用于实验中，将输出波形提取到计算机上，利用LabView对数据进行分析和实时绘图。
图6 压力和输出功率拟合曲线
-
- 实验研究与数据分析
为了在屏幕上显示实时波形，采用LabView串口通信和数据采集功能进行实验（图7）。
在实验平台的基础上，对不同的测试人员在不同的呼吸测量条件下进行了测试，利用FFT进行数值计算得到频谱分布曲线是一种很好的方法。FFT是快速傅立叶变换，它是离散傅里叶变换的快速算法，是基于离散傅里叶变换（奇、偶、虚、实）的，由此利用离散傅里叶变换算法对分析波进行改进。
下面是测试仪1s呼吸信号的数据分析。
如图8（a）所示，采集到的呼吸信号聚集了大量噪声，呼吸波形很容易被识别出来，两个波形谷值表明频率为0.345hz，从频谱中也可以得到一些信息，即0.364 Hz信号的频率与呼吸信号的频率几乎一致，从图8（c）和图8（d）中提取的波形显示，0.0364hz波形和采集的呼吸波形更加一致，因此，0.364hz的波形频率是有用的信号，应予以保留。0.044hz信号的频率为噪声信号，需要进一步分析，高通滤波器是一个很好的去除噪声的选择。除此之外，还有很多较小的幅频分量，低通滤波器可以将其去除，一般情况下，为了获得良好的呼吸波形，需要使用
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[239741]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
