（通信与信息系统专业论文）智能服装中光纤光栅人体心率信号检测关键技术研究.pdf

学位论文的主要创新点 i i irll llt it i l li l lilli y 18 7 9 2 4 1 一、提出了光纤光栅人体心率信号检测的方法，该方法与传统的人体心率信 号检测方法相比，具有结构简单、便于携带、实时监测等特点 二、设计了光纤光栅人体心率信号传感器，并对传感器进行封装。 三、提出了一种光纤光栅人体心率信号处理算法，该算法具有处理精度高、 误差小等优点。 摘要 智能服装是电子信息学科、材料学科、纺织学科以及其它相关学科交叉的产 物。它能够监测人体外部环境或内部状态的变化，对人体生理指标的检测，对生 理信息进行储存、传递、处理及反馈。心率是人体重要的生理参数之一，心率智 能服装能够实时监测人体心率。 本文对智能服装中光纤光栅人体心率信号检测关键技术进行了研究。在分析 了光纤光栅的结构特点、基于耦合模理论的分析方法及传感原理的基础上，提出 了一种光纤光栅人体心率信号检测总体设计方案；设计了光纤光栅人体心率信号 传感器，包括光纤光栅人体心率信号传感器结构和封装；在分析比较了几种常见 光纤光栅信号解调方法的基础上，提出了光纤光栅传感器人体心率信号的匹配法 解调方案；提出了基于小波的智能服装光纤光栅传感器人体心率信号处理算法， 包括小波的心率信号分析、小波基函数的选择、小波分解层数的确定、噪声的滤 除和心率信号的提取算法等；搭建实验平台，对心率传感器的光纤光栅伸缩性、 传感器封装收缩率和心率信号传感器应力响应进行测试，并对心率算法进行验 证。实验结果表明：传感器能准确实时响应心率信号，系统对心率信号的检测误 差为1 次分钟，达到了预期要求。 本文所研究的心率智能服装具有检测精度高、携带方便、实时监测等特点， 能够及时发现心脏异常，及时救治，避免死亡，在保证人体健康尤其是老年人和 儿童的健康等方面具有重要意义。在医疗、军事、体育、航空航天等领域具有广 泛应用前景。 关键词：智能服装；光纤光栅：心率检测；小波：传感器 一 a b s t r a c t s m a r tc l o t hi st h ei n t e r d i s c i p l i n a r yp r o d u c to fe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o ns c i e n c e ， m a t e r i a l ss c i e n c e ，t e x t i l ea n do t h e rr e l a t e ds u b j e c t s i tc a nm o n i t o rt h ee x t e r n a l e n v i r o n m e n to ri n t e r n a ls t a t eo fh u m a nb o d y , d e t e c tt h ep h y s i o l o g i c a li n d i c a t o r sa n d s a v e ，t r a n s m i t , p r o c e s sa n df e e d b a c kt h ep h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o n h e a r tr a t ei so n e o ft h em o s ti m p o r t a n th u m a np h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s ；s m a r tc l o t ho fh e a r tr a t ec a n m o n i t o rh u m a nh e a r tr a t ei nr e a lt i m e i nt h i sp a p e r , t h ek e yt e c h n i q u e so fh u m a nh e a r tr a t es i g n a ld e t e c t i o nb a s e do n f b gi ns m a r tc l o t hi ss t u d i e d a f t e rt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f f i b e rg r a t i n g ，t h ea n a l y s i sm e t h o do ft h ec o u p l e dm o d et h e o r ya n dt h es e n s i n g p r i n c i p l eo ff b g ，t h eo v e r a l ld e s i g no fh u m a nh e a r tr a t es i g n a ld e t e c t i o nb a s e do n f i b e rb r a g g g r a t i n gi sp r e s e n t e d t h e nt h ef b g s e n s o ro fh u m a nh e a r tr a t ei sd e s i g n e d w h i c hi n c l u d e sf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rs t r u c t u r ea n dt h ep a c k a g i n go ft h es e n s o r t h em a t c h i n gd e m o d u l a t i o ns c h e m ei sa d o p t e dt ot h ed e m o d u l a t i o no fh u m a nh e a r t r a t e b e s i d e s ，t h ew a v e l e t b a s e ds m a r tc l o t hh u m a nh e a r tr a t es i g n a lp r o c e s s i n g a l g o r i t h m si sp r o p o s e d ，w h i c hi n c l u d e st h ew a v e l e ta n a l y s i so fh e a r tr a t es i g n a l s ，t h e c h o i c eo fw a v e l e tb a s i sf u n c t i o n ，t h ed e t e r m i n a t i o no fw a v e l e td e c o m p o s i t i o nl e v e l ， n o i s ea t t e n u a t i o na n dt h ee x t r a c t i o na l g o r i t h mh e a r tr a t es i g n a l f i n a l l y , a ne x p e r i m e n t p l a t f o r mi sb u i l tt ot e s tt h es e n s i b i l i t yo ff i b e rg r a t i n gh e a r tr a t es e n s o r , s h r i n k a g eo f h e a r tr a t es e n s o rp a c k a g ea n dt h es e n s o rs t a t i cs t r e s sr e s p o n s et oh e a r tr a t es i g n a l sa s w e l la sv a l i d a t et h eh e a r tr a t ea l g o r i t h m t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es e n s o rc a n a c c u r a t e l yr e s p o n dt oh e a r tr a t es i g n a l s , t h ed e t e c t i o ne r r o ro fs y s t e mt oh e a r tr a t e s i g n a li sl r a i na n d i tr e a c h e st h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t s t h eh e a r tr a t es m a r tc l o t hs t u d i e di nt h i st h e s i sh a st h ea d v a n t a g eo fh i g h p r e c i s i o ni n t e l l i g e n tc l o t h i n g ，p o r t a b l e ，r e a l - t i m em o n i t o r i n ga n ds oo n i tc a nd e t e c t h e a r ta b n o r m a l i t i e sa n dt r e a ti ti nt i m e ，s oi ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei ne n s u r i n gh u m a n h e a l t h ，e s p e c i a l l yt h eh e a l t ho fe l d e r l ya n dc h i l d r e n a n di ta l s oh a sa w i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t si nm e d i c a l ，m i l i t a r y , s p o r t s ，a e r o s p a c ea n do t h e rf i e l d s k e yw o r d s ：s m a r tc l o t h ；f i b e rb r a g gg r a t i n g ；h e a r tr a t ed e t e c t i o n ；w a v e l e t ；s e n s o r 目录 第一章引言1 1 1 智能服装国内外发展现状。l 1 2 本文的目的和意义3 1 3 本文的主要研究内容3 第二章光纤光栅的结构特点、基于耦合模理论的分析方法及传感原理5 2 1 光纤光栅的结构特点5 2 2 基于耦合模理论的光纤光栅分析方法6 2 2 1 光纤光栅的耦合模方程。6 2 2 2 耦合模理论在光纤光栅分析中的应用。9 2 3 光纤光栅传感原理1 2 2 3 1 光纤光栅应力传感原理1 3 2 3 2 光纤光栅温度应变交叉敏感问题1 4 第三章光纤光栅人体心率信号检测总体设计方案1 5 3 1 光纤光栅人体心率信号检测设计要求和性能指标1 5 3 2 光纤光栅人体心率信号检测总体设计方案1 5 第四章光纤光栅人体心率信号传感器的设计1 7 4 1 光纤光栅人体心率信号传感器结构1 7 4 1 1 光纤光栅人体心率信号传感器的设计原则1 7 4 1 2 传感器结构设计1 7 4 2 光纤光栅人体心率信号传感器的封装1 9 4 2 1 封装材料的选择与制各1 9 4 2 2 封装实验及结果分析2 5 4 3 光纤光栅人体心率信号传感器温度与应力交叉敏感问题解决方案2 7 第五章光纤光栅传感器人体心率信号的解调方案3l 5 1 解调方案与选择3 l 5 1 1 直接解调法3l 5 1 2 干涉解调法3l 5 1 3 滤波解调法3 4 5 2 光纤光栅传感器人体心率信号的解调方案3 6 第六章光纤光栅传感器人体心率信号处理算法3 9 6 1 小波的心率信号分析3 9 6 1 1 小波检测信号的理论分析3 9 6 1 2 心率信号的特点4 0 6 1 3 小波的心率信号分析4 l 6 2 小波基函数选择。4 2 6 3 噪声的滤除4 4 6 4 小波分解层数的确定4 6 6 5 心率提取算法4 8 第七章实验及结果分析5l 7 1 系统实验平台的搭建5 l 7 2 光纤光栅伸缩实验及结果5 4 7 3 光纤光栅人体心率信号传感器封装收缩率实验及结果5 6 7 4 光纤光栅人体心率信号传感器静态应力响应实验及结果5 8 7 5 光纤光栅人体心率信号处理算法验证5 9 7 6 光纤光栅人体心率信号显示实验及结果6 0 第八章总结与展望6 3 8 1 总结6 3 8 2 展望6 3 参考文献6 5 硕士期间发表论文和参加科研情况6 9 j l i 谢7 1 第一章引言 第一章引言 1 1 智能服装国内外发展现状 智能服装是电子信息学科、材料学科、纺织学科以及其它相关学科交叉的产 物，它能够监测人体外部环境或内部状态的变化，对这种变化做出反应，并且实 时的对人体生理信息进行储存、传递、处理及反馈。 智能服装的研究开始于上个世纪八十年代，主要用于军事和航空领域。目前 对智能服装的研究已经拓展到医疗卫生、体育、通信等领域。 1 9 9 9 年，美国的佐治亚公司研究出了一种织物，该织物将光纤传感器埋入 用以对穿戴者的体温、心率、呼吸速率等进行实时的监测【l 】。 2 0 0 1 年，美国加州某衬衫公司研究出一种嵌有传感器的衬衫，该衣服利用 传感器测得人体的呼吸频率、体温、心电图等信息，并通过自带的计算机，通过 无线网络传送给医生，如图1 1 所示。 2 0 0 3 年，美国佐治亚工学院将光纤织入衣服来监测人体的心跳情况，并利 用光纤断裂后输出光信号的变化来判断穿戴者的受伤部位和受伤程度，如图l - 2 所示。 图l l 生命衬衫图l - 2 判断受伤部位的智能服装 2 0 0 6 年，芬兰坦佩雷理工大学正在为欧洲航天局研制一种针对宇航员的智 能服装，该智能服装除了配备心脏工作监视器、呼吸频率传感器和体温传感器外， 还增加了心电记录仪、心血管检测仪以及全球定位系鲥2 捌。 天津工业大学硕士学位论文 2 0 0 6 年，香港理工大学陶肖明提出了一种交互式的织物和智能纺织品，其 中提到以聚合物光子纤维为基础的传输和传感网络能够感知力、温度、变形等智 能纺织品的应用。 2 0 0 8 年，日本作为智能服装起步较早的国家之一，在智能服装上的成绩斐 然，如图1 3 所示，这是日本展示最新研制的嵌有电脑功能的衣服，穿戴者可以 进行多项电脑操作，如图片浏览、听音乐、看视频甚至网上冲浪，名副其实的将 电脑穿在了身上。除此之外，日本又研制出用于老年人监护的衣物，如图l _ 4 所 示，这种服装对于四肢不便或处于康复期的病人非常适用，利用嵌入在各个关节 部位的传感器来检测穿戴者的摔倒的部位【4 5 1 。 图1 3 装有微电脑的服装 图1 4 检测摔倒部位的服装 2 0 0 9 年，天津工业大学研制一种温度智能服装，该智能服装利用织入在服 装中的光纤光栅温度传感器对人体温度进行实时监测，并对测得的人体温度信息 进行存储和发送。 智能服装已成为世界各国的研究焦点，欧美国家已经取得了一定的成果，但 未见其核心技术的报道。而我国作为世界纺织大国，智能服装的研究却处在起步 阶段【6 。引。 据世界卫生组织统计，目前全世界每年有1 7 0 0 万人死于心脏病，尤其在中 老年人当中，心脏病的发病率非常的高。心脏病患者中，由于心脏病发作没有及 时得到救治而死亡的人高达7 0 ，所以对心脏病患者病情的实时监测越来越引起 人们的重视。心率是心脏正常工作的重要参数，心率异常是心脏病发作的重要特 征，所以对人体心率的实时监测就可以实现对心脏工作状态的监测，也就能够在 心脏病发作时及时采取救治措施避免患者的死亡。目前获得心率主要有两种方 法，一种是通过测量人体的脉搏，另外一种是利用心电仪。虽然这两种方法都能 获得人体的心率，但都无法在不影响被监测者正常工作生活的情况下，对心率信 号进行长期的实时监测。 第一章引言 心率智能服装具有携带方便、实时检测的优点。它通过将光纤光栅人体心率 信号传感器微型化、便携化并织入到服装中，可以在不影响人们日常生活的情况 下实现人体心率实时监测，及时发现心率异常，并对异常情况进行判断，及时通 知急救中心进行抢救，避免了病情的加重和死亡，对保障人体健康尤其是老年人 的健康方面具有重要意义和应用价值。 1 2 本文的目的和意义 本文的目的是对智能服装中光纤光栅人体心率信号检测的关键技术进行研 究。在分析了光纤光栅的结构特点、基于耦合模理论分析方法及传感原理的基础 上，提出一种光纤光栅人体心率信号检测总体设计方案；设计光纤光栅人体心率 信号传感器；提出光纤光栅传感器人体心率信号的匹配法解调方案；研究信号处 理算法，提出应用于光纤光栅传感器人体心率信号的处理算法，准确计算出人体 心率；搭建实验平台，对人体心率信号检测系统进行测试，并对心率算法进行验 证。 本文研究的智能服装中光纤光栅人体心率信号检测关键技术在心率智能服 装中有重要应用价值，通过研究适用于心率智能服装的光纤光栅传感器、光纤光 栅信号解调方案和人体心率信号处理算法，实现对人体心率的实时监测，使心率 智能服装更好地应用到医疗卫生、疾病监护等领域。该技术除了在心率智能服装 中的应用外，在测量人体其它生理参数的智能服装如血压、温度智能服装的研究 方面，也具有重要的参考价值。 1 3 本文的主要研究内容 本文对光纤光栅人体心率信号检测的关键技术进行研究，主要内容如下： l 、分析了光纤光栅的结构特点，耦合模理论及传感原理； 2 、设计了光纤光栅人体心率信号传感器，并完成光纤光栅人体心率信号传 感器的封装： 3 、在比较几种常见的光纤光栅信号解调方法的基础上，提出了一种应用于 光纤光栅人体心率信号的匹配法解调方案； 4 、对信号处理算法进行研究，提出应用于光纤光栅传感器人体心率信号的 处理算法，该算法能够有效去除噪声，精确快速计算出人体心率； 天津工业大学硕士学位论文 5 、搭建光纤光栅人体心率信号检测系统的实验平台，包括传感器参数实验 平台和信号检测实验平台，测试人体心率信号检测系统的各个部分，并验证了系 统的性能。 第二章光纤光栅的结构特点、基于耦合模理论的分析方法及传感原理 第二章光纤光栅的结构特点、基于耦合模理论的分析方法及传 感原理 2 1 光纤光栅的结构特点 光纤是光导纤维的简称，是一种重要的和常用的光波导材料。它利用的是光 的全反射原理，将光波约束在其界面内，并引导光波沿光纤轴线方向传播。光纤 由一种高度透明的石英或其他材料拉制而成。 光纤光栅是将拉制好的光纤，通过紫外光曝光等方法在纤芯刻成永久性空间 的相位光栅，其结构如图2 1 所示。典型的光纤光栅为同轴圆柱结构，由纤芯、 包层和涂覆层构成。纤芯的折射率较高，其主要成分为二氧化硅，其中也掺杂少 量的其他材料，如二氧化锗等，纤芯的直径一般为l o o u m 。包层折射率略小于纤 芯，构成材料一般为二氧化硅，有时也掺杂一些微量元素以降低包层的折射率。 包层的外径一般为1 0 0 2 0 0 u m 。涂覆层的材料一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子 材料，用于增强光纤光栅的柔韧性、强度和耐老化性。 图2 1 光纤光栅结构图 芯 光栅的作用是相当于在纤芯搁置了多个窄带滤波器，当一束宽光谱的光经过 光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长的光将发生反射，而剩下的波长会 透过光纤光栅继续向前传输。外界的温度或应力的变化都会导致光纤光栅的栅距 发生变化，进而导致反射和透射光的中心波长发生偏移。因此，温度和应变是光 纤光栅能够直接感知的两个物理量，也是测量其他物理量的基础。 光纤光栅具有以下的特点： l 、光纤光栅体积小，封装的传感器结构简单、体积小、重量轻，具有可织 入性的特点，可应用于多种场合，特别适用于智能服装； 天津工业大学硕士学位论文 2 、抗干扰能力强，波长选择性好，光波在传输过程中不受非线性效应影响， 同时具有抗电磁干扰抗腐蚀性，可以在化学环境恶劣的情况下工作； 3 、传感器的测量具有可重复性，测量结果具有线性； 4 、光纤光栅的带宽范围大，附加损耗小； 5 、可进行波分复用等复用，便于构成各种形式的传感网络，对多点进行测 试； 6 、传输距离远，且易于与光纤系统连接，便于组成大规模的测试系统； 7 、耐温性好，工作温度最高可达4 0 0 ； 8 、光纤光栅制作工艺比较成熟，成本相对较低，易于形成规模生产。 2 2 基于耦合模理论的光纤光栅分析方法 耦合模理论是基于光纤光栅折射率方程提出的理论，研究两个或多个波导耦 合规律的理论。耦合可以发生在同一波导不同的电磁波间，也可以发生在不同波 导的电磁波模式之间。耦合模理论不是为了研究光纤光栅而提出的，在光纤光栅 出现之前，耦合模理论就成功应用于分析平面波导【9 】。 2 2 1 光纤光栅的耦合模方程 麦克斯韦方程组是研究光波导的基本理论，但求解起来较为困难，目前为止 只有少数几种情况能直接求解，如平面波导和圆柱波导。但在一些情况下可以借 助这些求解光波导，把一些复杂的情况看作是光波导受到一些干扰而形成的，从 而避开直接求解麦克斯韦方程组的困难。这种方法就是实际应该用中的耦合模理 论，它是一组一阶微分方程组。耦合模方程是对麦克斯韦方程进行推导而得到的。 对于实际的光波导，光在其内部沿着特定方向传播而没有向外辐射。一段任意截 面的波导介质，只要它比周围的折射率大，就认定它是光波导，介质光波导坐标 图如图2 2 所示。 图2 - 2 介质光波导坐标图 y 第二章光纤光栅的结构特点、基于耦合模理论的分析方法及传感原理 假设介质是无源、无损耗的非磁性材料，折射率分布为z ( x ，y ) ，与z 无关， 则介电常数可写为 s = e o n 2 ( x ，力 ( 2 - 1 ) 其中，岛为真空介电常数，一般称满足式( 2 - 1 ) 的介质结构为规则介质光波导。 一般的电磁场，电、磁矢量e ( 墨弘z ，f ) 和h ( x ，y ，z ，f ) 满足以下方程 v x e = - j w p o h v h = - j ( a 比o e ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 其中，地为真空磁导率，光在传播时，将电、磁矢量层和日分为纵向和横 向分量，即 e = e t + e z ，h = h t + hz q q 其中下标z 表示纵向，f 表示横向。同样，矢量微分算符也可以分为纵向和 横向分量，即 站v ，+ v ：- v ，+ ：o 鲁( 2 - 5 ) 其中，为z 方向的单位矢量，将式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 带入式( 2 5 ) ，则左右两侧的 纵向和横向分量应该相等，于是得到 v t x e t = j h ： v ，x h , = - j c o e o n 2 e 对式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 两边分别乘以v ，并消去p 伽得 t x ( v t e , ) - k 2 0 n 2 e t = - j w 比o z o x h t = p o p z q xh l v t x ( v ，渊锄2 羁= j o 蛾z o 鲁= 一t o l u o f l z o q 在微扰光波中，横向电、磁矢量可看作是和的线性叠加，即 e = q ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - l o ) 天津工业大学硕：上学位论文 只= 钆 ( 2 - 1 1 ) m e , 声和钆分别点乘式( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) ，然后在光波导的横截面上从0 到正无穷 积分，并利用模的正交性关系式可以得到 警一风肛z 口k ；a ( 2 1 2 ) 誓一砘尾= 莓稚气 ( 2 - 1 3 ) 式( 2 1 2 ) 、( 2 - 1 3 ) 臣p 微扰波导的耦合模方程，但该方程使用起来不太方便，物 理意义也不明显，可以对该方程最进一步的变换，得到意义比较明确的耦合模方 程，也比较便于应用。在无耦合的情况下有 dbv一avpv：o(2-14)dz 盟一a尾：o(2-15)dz 。” 对式( 2 - 1 4 ) 、( 2 - 15 ) 进行相加相减运算并进一步变化得出 口y = a v e j p , 。+ e p 一鹏。( 2 1 6 ) 屯= a v e 舡一e p 一鹏。 ( 2 - 1 7 ) 这样，式( 2 - 1 0 ) 、( 2 - 11 ) 可写为 e = q - - z 6 2 时，可以得到方程的解 一( z ) = e - j 6 z f 三! ! 竺皇；兰兰三盖差云笔l ；! ；：；! ：等兰型4 c 。，一f 一曲：夏五：妻i 兰；：；：i 石历觑l ，l ( 2 3 3 ) 肥) ：严j 垒虹业卸) + p 脚竺些生笔型盟眦) ( 2 3 4 ) is c o s h ( s l ) 一声s i n ( s l ) s c o s h ( s l ) 一卢s i n h ( s l ) 一l 其中，j 2 = 七2 一艿2 。对于一般情况，可取a ( o ) = l ，b ( l ) = o ，则可得到光纤布 拉格光栅的反射率和透射率为 尺= 而丽k k * s i n 孤h z ( s l 而) ，k 2 c 5 2 , s = _ 一8 2 蕊丽kksi丽n&l) ，k 2 c 5 2 , s = 厕 r = 再丽面毛丽丽 ( 2 - 3 6 ) 式( 2 - 3 5 ) 说明在万取值不同时尺表达式的差别，实际在计算时，可以将s 视 为复数，在使用一些专用软件如m a t l a b 时，软件会自动将s 视为复数。 在相位匹配条件下，万= 0 ，对应了最大反射率和最大透射率 = t a n h 2 ( 乜) ( 2 3 7 ) 一= a rc o s h 2 ( 地)(238)ar c o s t t l 础2一l 乩ju 。 假设光纤光栅的输入功率为暑( o ) = 1 ，昱( o ) = 0 ，则谐振时光功率分别为 忍= t a n h 2 舡，只= a r c o s h 2k l ，即对谐振波长的光功率转换，可见在乜约大于 3 以后，能量全部反射。 光纤布拉格光栅中耦合模的两个模都是纤芯模，但方向相反，相位匹配条件 为艿= o ，即卢一州a = 0 。利用传播常数和有效折射率的关系，可以将上式写为 如= 2 勖a ( 2 _ 3 9 ) 天津工业大学硕士学位论文 利用式( 2 3 5 ) 可以画出光纤布拉格光栅的反射谱。当地= 5 时，不同长度光 纤光栅的反射谱如图2 3 所示，可见光栅长度较大时，谱较窄。图中谐振波长选 择为1 5 4 0 n m 。 ( a ) l = 2 m m 光纤光栅反射谱 波t 圭3 m n ( b ) l = s m m 光纤光栅反射谱 ( c ) l = l o m m 光纤光栅反射谱( d ) l = 2 0 m m 光纤光栅反射谱 图2 3 不同长度光纤光栅反射谱 在乜= 5 时可以达到1 0 0 的反射，当舡较小时耦合较弱，可能会达不到 1 0 0 反射。这里，k l = 5 ，a = 1 5 4 0 n m ，l = 2 m m 时，相当于历i = 1 2 1 0 。， 属于较强折射率调制的光栅；l = 2 0 m m 时，瓦i = 1 2 1 0 4 ，相当于中等折射 率调制的光栅，一般弱强度调制光栅数量级在l o 巧左右。 2 3 光纤光栅传感原理 光纤光栅广泛应用于温度、应力等的测量，测量的原理是外界环境的微小变 化都会引起光纤光栅反射波中心波长的变化。宽带光源入射光纤光栅，由于光栅 第二章光纤光栅的结构特点、基于耦合模理论的分析方法及传感原理 的周期一定，满足布拉格光栅条件的波长会发生反射，其它波长的光波则会被透 射过去，沿着光纤向前传播，光纤光栅传感原理图如图2 - 1 所示。 宽带光源 厂弋竺 儿赢 光栅纤芯包层 图2 - 4 光纤光栅传感原理图 被测环境的温度或应力等物理量的改变都会直接反应为反射光波中心波长 的偏移，通过对光纤光栅的标定和对中心波长偏移量的测定，可以获得相应的温 度和应力的变化。 2 3 1 光纤光栅应力传感原理 由光纤光栅耦合模理论可知，当满足相位匹配的条件时，光栅的布拉格波长 可表示为 砧= 2 恸a ( 2 - 4 0 ) 其中，如是光纤光栅波长，人是光栅周期，恸是光纤的有效折射率。 光纤光栅波长的峰值透射率和反射率为 r ：t a n h 2 ( 竺等垒墼三) ，丁= c , o s h 之( 苎等生毪三) ( 2 - 4 1 ) a b b 式中，l 是光栅的长度，瓴。指的是折射率最大的变化值。我们可以得出， 血越大，对光的反射率就越高，而越大，对光的透射率就越高。 一束宽带光源入射到光纤光栅后，光纤光栅会对光有透射和反射作用。如 ( 2 1 ) 的光会被反射回，其它的光将被透射过去。被反射光的中心波长为厶，这 个值与光纤光栅纤芯的折射率和光纤光栅的周期大小有关。当光纤光栅的外部环 境如温度应力发生改变时，都会造成光纤光栅反射中心波长的改变，可以认为， 光纤光栅反射光的光中心波长的变化能够折射外界被测信号的变化情况。光纤光 栅的中心波长与温度和应力的关系为 天津工业大学硕士学位论文 等却) t + ( 1 - 明s ( 2 4 2 ) 式中，口，。去善为光纤的热膨胀系数，毒= 三n 塑d t 为光纤材料的热光系数。对 于一般的石英光纤而言，町= 0 5 1 0 击 c ，善= 7 0 1 0 。6 c ，则式( 2 - 3 ) 可以变化为 其中 兰呈堡：7 5 l o 巧t + ( 1 一) s ( 2 - 4 3 ) = 互1n 2 ( ( 1 一) 互：一露。) ( 2 - 4 4 ) 式中，占表示轴向应变，是泊松比。一般的的石英光纤拧= 1 4 6 ，= o 1 6 ， e 1 = o 1 2 ，丑：= o 2 7 ，则= 0 2 2 。所以( 2 5 ) 式可以写为 垒筮：7 5 l o 巧t + 0 7 8 a 占( 2 - 4 5 ) 砧 2 3 2 光纤光栅温度一应变交叉敏感问题 由前文的理论可得知，光纤光栅对温度和应变同时敏感，也就是说在传感器 测量人体心率信号的时候，除了心率振动的应力作用光纤光栅中心波长的改变还 受到体温的影响。当测量其中一个量时，测量的值会受到另一个参量的变化影响， 引入测量的误差。因此，在实际应用中必须采取方法将两个被测量区分开来。如 果忽略温度的影响，在恒温条件下只对应变做测量，式( 2 6 ) 就可以写为 尘晏巴：( 1 一) s ：0 7 8 s ( 2 - 4 6 ) 上面的公式就是光纤光栅应变测量的一般公式，也是裸光栅应变测量的计算 公式。 测量人体心率信号时，如果不考虑温度的影响，心脏的每次跳动都对光纤光 栅有力的作用，这个应力会导致光纤光栅发生应变，最终反应在光纤光栅的反射 光中心波长上。这样，连续的反射中心波长的变化形成的信号波形就与心跳过程 是一致的。所以保证温度不变是测量应力的前提，我们在测量时采用一个参考光 栅对测量光栅进行标定，理论上是两个光栅出于一个温度场内，使之对温度的中 心波长偏移相同。 第三章光纤光栅人体心率信号检测总体设计方案 第三章光纤光栅人体心率信号检测总体设计方案 3 1 光纤光栅人体心率信号检测设计要求和性能指标 、本文研究的智能服装人体心率信号检测系统的设计要求是能够对人体心率 信号进行实时检测，记录并显示心率信号，在人体心率信号出现异常时进行报警。 心率智能服装的主要性能指标为 l 、工作温度为人体正常体温：3 5 4 2 。 2 、心率信号的采样频率：i k h z 。 3 、心率信号的分辨率：1 次。 4 、心率信号的检测精度：士1 次。 3 2 光纤光栅人体心率信号检测总体设计方案 智能服装人体心率信号检测系统分为光路部分和电路部分。其组成如图3 一l 所示。光路部分主要有光纤光栅传感器、匹配光栅、宽带光源、光电隔离器、耦 合器、光电探测器；电路部分主要是心率信号解调电路，包括对光电探测器输出 的电流信号进行电压转换和滤波整流，以及信号的处理和显示电路。 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 图3 1 智能服装人体心率信号检测系统组成 光路部分从宽带光源开始，宽带光源经过隔离器和耦合器1 分为两路，一路 传入织入在智能服装中的心率信号传感器对心率信号进行检测，另一路经过耦合 天津工业大学硕士学位论文 器2 进入参考光栅。参考光栅的中心波长理论上与传感光栅的静态中心波长是相 同的，它们中心波长的光谱是相交的。传感光栅反射中心波长随着心脏跳动而变 化，这个变化导致的光纤光栅中心波长的连续偏移，也就导致了两光谱交合面积 的连续变化，并反映为光强度的变化，经过光电探测器，转化为电信号后，由光 纤光栅心率解调电路对该电信号进行解调，并经过相应算法计算出人体心率的 值。 由于光纤光栅的性能和结构特点，使它能够便于织入衣服，构成传感网络， 并且光纤光栅具有对电磁干扰不敏感、结构简单、体积小等优点，选用光纤光栅 封装传感器对人体心率信号进行检测，符合智能服装体积小便于穿戴的要求。 常用的光纤光栅信号解调方法有直接解调法、干涉解调法和滤波解调法，由 于人体心率信号的特点和系统对信号采样速率的要求，本文在解调部分选用匹配 法，该方法的优点是适用于连续信号并且保证了解调过程中人体心率信号的采样 速率。 第四章光纤光栅人体心率信号传感器的设计 第四章光纤光栅人体心率信号传感器的设计 光纤光栅人体心率信号传感器的设计主要包括传感器的结构设计和传感器 的封装，以及对封装好的传感器进行温度补偿。 4 1 光纤光栅人体心率信号传感器结构 光纤光栅传感器能够将物理量如力、温度转换为便于测量和处理的信号，本 文中光纤光栅人体心率信号传感器将人体的心率转换为相应的光信号以便进行 后级的处理和计算。光纤光栅人体心率信号传感器对人体心率信号的响应质量和 速率将直接关系到后级电路和处理算法的复杂度，所以人体心率信号传感器的结 构是系统有效测得心率信号的关键。本文在参考了多种光纤光栅传感器结构设计 的基础上，选择膜结构的传感器设计方案0 0 - 1 4 。 4 1 1 光纤光栅人体心率信号传感器的设计原则 光纤光栅人体心率信号传感器测量的是人体心率信号，人体心脏在跳动过程 中产生一系列的声音信号透过肌肉皮肤传到体表，所以光纤光栅人体心率传感器 应该与人体皮肤接触以获得最大限度的心率信息，这就对光纤光栅人体心率信号 传感器的设计有相应的要求。 l 、光纤光栅人体心率信号传感器测量人体心率时与人体皮肤接触，这就要 求传感器的形状和材质要足够的安全以直接与人体皮肤接触； 2 、由于光纤光栅人体心率信号传感器最终要织入衣服，所以在体积方面要 求尽可能的i x ； 3 、在保证充分采集心率信号的前提下，光纤光栅人体心率信号传感器的膜 片厚度要尽可能的小同时要保证有足够的刚性对心率信号中高频成分的响应； 4 、在光纤光栅人体心率信号传感器体积容许的情况下，尽可能增大膜片的 面积以充分采集到更多的心率信号； 5 、在光纤光栅人体心率信号传感器形状设计上，采用物理方法加强信号的 强度。 4 1 2 传感器结构设计 天津工业大学硕士学位论文 为满足光纤光栅人体心率信号传感器的设计原则，本文设计的光纤光栅人体 心率信号传感器结构如图4 1 所示。图中左侧为膜片，用粘合剂将光纤光栅固定 在其内侧，右侧为金属材质的腔。测试时，光纤光栅人体心率信号传感器有膜的 一侧与人体心脏外侧皮肤接触，采集到心率振动信号，通过金属腔对振动进行一 定物理放大后，又作用于光纤光栅上，送入后级波长解调系统进行解调。 图4 - l 光纤光栅人体心率信号传感器结构图 光纤光栅人体心率信号检测原理如图4 2 所示，心率测量时，贴近心脏的膜 先是受迫振动，将心脏振动信号由膜传进腔内，腔内空气受压振动，振动在腔内 反弹至膜上。 j 一1 一 、 r 台 r 艮 一夕 金属腔 图4 2 光纤光栅人体心率信号检测原理图 用a n s y s 软件对传感器腔在人体心率信号作用下的振动过程进行仿真分 析，得到光纤光栅人体心率信号传感器膜片在人体心率信号作用下受迫振动的仿 真结果，膜受迫振动过程如图4 - 3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 所示。 第四章光纤光栅人体心率信号传感器的设计 ( a ) 膜形变最小阶段 ( c ) 膜形殳最人阶段 ( b ) 膜彤变增大阶段 图4 - 3 膜受迫振动过程 【( i ) 膜形叟减小阶段 光纤光栅人体心率信号传感器膜片在人体心率信号的作用下受迫振动，从图 上可以看出，膜片振动幅度较小的在边缘部分，振动最强的部分在膜片的中心部 分。所以对于传感器中光纤光栅的封装，选择将光纤光栅封装在振动最强的中心 部分，这样心率信号可以最大限度的将振动的应力传达到光纤光栅上，并反映在 光纤光栅的中心波k a t l 5 ，1 6 1 。 4 2 光纤光栅人体心率信号传感器的封装 光纤光栅人体心率信号传感器的质量和性能不仅与传感器结构有关，还与传 感器的封装材料有关。 4 2 1 封装材料的选择与制备 光纤光栅人体心率信号传感器的结构包括光纤光栅、膜片和金属腔，除此之 外还需要粘合剂将光纤光栅和薄膜片进行粘合固定。 1 、光纤光栅 天津工业大学硕士学位论文 光纤光栅是光纤光栅心率信号传感器的最重要的一部分，它的结构特点和分 析方法已在第二章中进行过探讨。本文选择的是石英光纤，其结构如图4 - 4 所示。 主要是利用光纤材料的光敏性，经紫外光作用在纤芯内刻成空间相位光栅，将其 做成波长选择反射器和带阻滤波器。在外界环境如应力和温度发生变化时，光纤 光栅的栅距会发生相应变化，导致光纤光栅对入射光的发射光中心波长的变化， 根据这个中心波长的变化就能反推出应力或温度的变化。 图石英光纤结构图 石英光纤的纤芯一般是掺杂石英或是纯石英材料制成的，光纤包层的材料其 实也是石英，只是它的折射率比纤芯要低一些。为了延长光纤的使用寿命和实用 性，一般在光纤的外层加上保护涂层，涂层的材料根据光纤不同的用途、环境和 使用领域也有所不同，主要目的是加强光纤的弯曲强度和抗拉强度【8 。1 们。 光纤包层材料，最好的材料是石英玻璃和是掺杂的石英材料。目前常用的光 纤光栅都是采用这种的包层结构，将事先设计好固定技术参数的石英棒拉制而成 所要的包层，由于是拉制而成的所以这种光纤的光损耗也最小。这种光纤的缺点 是石英玻璃的韧性较小，一旦拉制成型后便不可改变，并且易脆易断，所以在石 英光纤拉制的同时就要采取必要的工艺措施在其表面涂覆保护性的涂料，有时甚 至要涂覆多层的保护材料，才能使之能正常的使用。 光纤涂层材料的选用标准主要根据光纤的光纤的机械性能、用途和工作环 境，一般常用的涂层材料有主要、丙烯酸树脂和各种金属膜。光纤涂层原理是使 光纤的纤芯和包层形成全反射结构，这样就能使光在光纤中沿着光纤的轴向传 输。除此之外，包层还能有效的避免光纤在使用过程中的表面微小裂纹的增大， 有很好的保护作用，增强光纤的使用寿命和性能。一般在石英拉制成光纤光栅的 过程中，就会用机械的方法将光学涂层的涂覆在光纤光栅上，与光纤光栅的拉制 同时进行。本文选用的光纤的涂层材料是丙烯酸酯，它是现在最常用的光纤涂层 材料，相比其它的涂层材料，丙烯酸酯的性能更好1 1 8 1 。不管是用于通信还是非通 信的光纤，都能实现快速的拉丝，一般情况下都采用紫外光固化的方式对光纤涂 覆丙烯酸树脂材料。本文选用的光纤光栅的涂覆层是丙烯酸树脂材料，这为后面 l 一_ 第四章光纤光栅人体心率信号传感器的设计 对光纤光栅封装过程中粘合剂的选用提供了指导，丙烯酸树脂涂层光纤涂层材料 的主要技术指标如表4 1 所示。 表4 1 丙烯酸树脂光纤涂层材料