引用本文:

何金,侯鳗玲,彭作蕊,等. 基于FBG的柔性多参量传感器制备与人体传感应用[J]. 光通信技术,2019,43(11):10-13.

基于FBG的柔性多参量传感器制备与人体传感应用

何 金,侯鳗玲,彭作蕊,马裕宽,刘鹏宇,周 昊*

(四川大学 电子信息学院,成都610207)

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摘要:针对人体健康数据收集需要多参量且柔性安全的传感器,提出利用基于光纤布喇格光栅(FBG)的柔性传感器,对人体温度、压力和运动状态进行检测。理论分析了温度和压力对FBG反射波长漂移量的影响,以及压力对光纤光功率的影响,建立了温度传感模型、压力传感模型和人体运动模型。基于柔性基底的传感器在温度传感和压力传感方面的性能都得到了不同程度的提升。最后通过实验验证了柔性基底光栅传感器对人体温度、压力以及运动状态的监测性能。

关键词:光纤布喇格光栅;聚合物;温度;压力;运动状态

中图分类号:TN253 文献标志码:文章编号:1002-5561(2019)11-0010-04

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.11.003

0 引言
  科学技术的发展使人们对健康数据测量的需求增大,同时也对测量时的舒适度提出了更高的要求。目前,市面上存在的能对人体生命体征(心率、呼吸和体温等)和运动状态进行分析测量的系统大多还是采用较硬的佩戴配饰,在一定程度上都会使人体产生不舒适感,降低了安全性、舒适性以及监测的准确性[1]。
   光纤布喇格光栅(FBG)具有体积小、光纤系统相干兼容、附加损耗低以及没有电气危险等优点。如今高度发达的FBG制作工艺大大降低了其制作成本,聚合物封装也在提高FBG灵敏度的同时对光栅起保护作用,加上光栅的可编织性都使得FBG器件成为组成传感网络的理想元件[2-4]。FBG开始走向实用化,被广泛用于民用工程领域[5],但将FBG用于人体健康参数的测量以及在微结构领域的应用较少。本文将FBG优异的光学传感性能和聚二甲基硅氧烷(PDMS)的高弹性、化学惰性相结合,采用基于FBG的柔性多参量传感器来测量人体体征和运动数据。

5 结束语
  本文提出一种基于FBG传感器对人体体征和运动状态监测的新方法,通过理论和实验研究了传感器的传感特性,得到以下主要结论:FBG可用聚合物PDMS封装提高传感器性能,传感器对温度的响应有着很好的线性关系,并且在温度传感灵敏度方面提高了44%;在压力传感方面,降低了压力数据波动的影响,在0~60 kg范围内与压力有着良好的线性关系。聚合物PDMS封装的FBG传感器可以很好地反应运动状态。
   与现有技术相比,本文制备的多参量传感器有以下优点:①利用FBG和柔性材料结合,制备和测量技术简单,成本低廉,便于后期进一步集成和大规模生产;②光纤和PDMS结合可实现化学惰性人体可穿戴传感,可以实现多定点全方位多参数实时测量,测量得到的数据全面准确。本文的研究实现了人体温度、压力和运动状态等多参量传感,下一步研究将优化系统结构设计,实现更准确的参量监测,同时进一步提高器件集成度,实现可穿戴器件的应用。