基于模式干涉的全光纤生命体征参量传感技术研究

作     者：冯瑶 

作者单位：天津理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张海伟

授予年度：2023年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：生命体征监测 模式干涉 全光纤传感器 强度调制 LabVIEW系统 

摘      要：与传统传感器相比,由于光纤传感器具有结构紧凑、成本低、灵敏度高、耐腐蚀、耐恶劣环境以及抗电磁干扰等优点,因此被广泛应用于生命体征监测领域,可通过人体生理参数的变化来实现实时、高精度的生命体征监测。本文基于模式干涉原理,采用光纤传感器测量呼吸和心率,实现了静态测量的有效信息提取。主要研究内容如下:1、结合光纤的基本参数,研究了阶跃型光纤的电磁场理论,分析了光纤中的模式分布特性。利用模式干涉原理设计了SNS和SMS两种光纤传感结构,并基于这两种结构提出和演示了用于呼吸和心率监测的全光纤传感器,其中,无芯光纤和多模光纤是传感单元。此外,为了获得良好的实验效果,采用光束传播法对其结构以及相关参数进行模拟仿真分析。2、针对SMS和SNS两种结构研究了基于强度调制的光纤振动传感器,着重分析了光纤传感器对呼吸和心率的监测原理。通过处理示波器采集到的振动信号,两种结构对振动信号均有良好响应,验证了SMS和SNS用于实现呼吸和心率光纤传感器的可行性。搭建了监测人体心率和呼吸信号的实验平台,通过连续采集受试者运动后直至恢复平静过程中的心率信号研究心率传感的稳定性,采用变分模态分解算法对信号进行滤波处理。实验结果表明,本文所提出的传感器对不同的心率和呼吸频率均有良好的响应。其中,SNS结构测得的心率范围是50bpm到120bpm,所测得的呼吸频率范围是17 bpm到25 bpm;SMS结构对应的心率范围是81 bpm到114 bpm,呼吸频率范围是17 bpm到24 bpm。3、基于Lab VIEW提供的可视化编程语言的平台和开发环境,以及SNS光纤结构在心率和呼吸两方面测量的优越性能,将其与Lab VIEW系统结合来监测人体心率和呼吸频率。利用采集卡(PCIe?6351)和光电探测器实现光纤传感信号的采集和接收,搭建了基于Lab VIEW的生命体征参量测试可视化作展示平台,对于多参数生命体征监护平台的开发具有重要意义。