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基于非扫描式腔长匹配的光纤法珀压力测控系统设计

基于非扫描式腔长匹配的光纤法珀压力测控系统设计

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作者：朱文杰西安理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着人工智能与互联网技术的日新月异,新兴传感技术层出不穷,其在生物医疗监测领域也取得了长足进步。光纤传感技术凭借其独特优势,尤为引人注目,不仅在通信领域展现出卓越的性能,更在医疗人体内压监测领域成为研究的焦点。光纤... 详细信息

近年来,随着人工智能与互联网技术的日新月异,新兴传感技术层出不穷,其在生物医疗监测领域也取得了长足进步。光纤传感技术凭借其独特优势,尤为引人注目,不仅在通信领域展现出卓越的性能,更在医疗人体内压监测领域成为研究的焦点。光纤传感技术由于其传输速度快、抗干扰能力强、产品体积小,成为最具发展潜力的技术之一。本课题针对结石手术中肾盂内压难以测量与控制,导致各种人体损害的问题,研究并实现了一种基于非扫描式腔长匹配的光纤法珀压力测控系统,在保持系统高精度、强稳定性的同时,实现肾盂内压的精确监测与反馈控制,主要的工作内容和最终结果如下:(1)深入探究当前国内外光纤法珀传感器制作工艺与解调技术的现状后,着重分析了光纤法珀压力传感与解调的原理,并通过薄膜式光纤法珀压力传感器的数学模型进一步分析干涉光强与不同影响因素的关系,包括传感器腔长、材料反射率/透射率、光源波长、光楔倾角与厚度等,最后通过对比三种腔长匹配结构,确定本研究的解调方案为非扫描式腔长匹配解调,并搭配蠕动泵系统作为反馈控制。(2)通过对比和分析不同人体组织内压参照表,根据需求确定了本测量系统的关键参数指标与整体设计方案。在此基础上,对核心器件进行了仿真分析,包括干涉条纹仿真、一字划线整形系统仿真,对空气光楔、双折射晶体建立数学模型分析,确定了双折射晶体加偏振片的方案,同时根据仿真的光路设计了两种不同的解调壳体,方便后续实验对比,以确保系统设计的科学性和有效性。(3)搭建传感系统、解调系统与反馈控制系统,并针对核心元件进行对比与分析,确保组件选型满足系统设计的要求。随后,在软件层面设计了数据处理算法,该算法通过截取信号、滤波处理、包络提取以及拟合寻峰等一系列步骤,实现了对干涉信号的高精度解调,达到了亚像元级别的精度。具体波动范围约±0.2个像元,腔长分辨率可以达到0.1 nm,解调压力波动范围约±2mmHg。(4)对各模块进行软硬件联合调试,确保系统的整体性能达到预期,并完成整个系统的实物搭建,然后通过盛水容器模拟构建压力测试环境,以验证系统设计的解调压力与传感器腔长之间的对应关系。在模拟设计的压力试验中,分别进行静态和动态两种场景下的测试。在静态压力试验中,将传感器置于三个不同的液位位置观察解调出的腔长和压力曲线的稳定性,结果显示,解调出的腔长波动范围保持在1nm以内,解调的压力波动范围在2 mmHg以内,实际测量数据与理论值的相对误差为0.43%,显示出优异的稳定性与精确度。在动态压力试验中,设计并对比分析了加抽水与移动传感器两种方案的重复性和线性度,最终得出加抽水的方案由于水波振动,对解调的误差影响较大,而移动传感器的方案中腔长误差约0.32 nm,压强误差约0.78 mmHg,符合设计预期指标。

关键词：光纤法珀压力传感人体肾盂内压监测腔长匹配解调包络拟合寻峰蠕动泵反馈控制

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