CN101916319A - 基于光纤布拉格光栅的智能服装人体测温模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光纤布拉格光栅的智能服装人体测温模型，属于智能服装技术领域。本发明根据热量传递机理建立了智能服装中光纤布拉格光栅温度场的数学模型，确定了光纤布拉格光栅所测温度与实际温度之间的关系，利用该结果对光纤布拉格光栅所测温度值进行修正，得到人体皮肤的实际温度。在多点加权皮肤平均温度的基础上，建立了由左右胸、左右腋和后背五处皮肤温度构成的智能服装人体温度加权模型，人体温度加权系数为左前胸0.0826、左腋0.3706、右腋0.3706、后背0.0936和右前胸0.0826，利用此加权系数得到的人体温度测量误差在±0.2℃，并考虑了光纤布拉格光栅传感器损坏等特殊情况下的加权系数调整。

Description

基于光纤布拉格光栅的智能服装人体测温模型

技术领域

本发明属于智能服装技术领域，具体涉及到用于智能服装中光纤布拉格光栅温度场的数学模型和人体温度加权模型建模。

背景技术

智能服装是电子信息学科、材料学科、纺织学科及其它相关学科结合与交叉的产物。它是指对环境条件或因素有感知并能做出响应的服装，即不仅能够感知人体外部环境或内部状态的变化，而且通过反馈机制，能实时地对这种变化做出反应，具有实时监测等特点。

在国外，智能服装的研究始于二十世纪八十年代初，由于当时电子信息技术比较落后，所以智能服装的发展十分缓慢，其体积庞大而累赘，且功能单一，因此智能服装的应用受到限制，主要应用在航空航天、军事军工等特殊领域。近几年来，随着电子信息科学的发展，智能服装已成为国外的重要研究课题。

2000年美国佐治亚科技研究公司研究了一种织物。该织物中可埋入光纤传感器，用于监视穿衣人的生理信息，如脉搏、呼吸速率、体温等。2003年美国佐治亚理工学院Sundaresan Jayaraman教授将光纤光栅传感器植入衬衣来探测心率的变化，并根据光纤断裂后光输出信号的变化来判断士兵受伤的部位和程度。

目前国内对智能服装的研究和开发还处在起步阶段。2006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。2007年东华大学丁永生提出了基于ZigBee和蓝牙技术的嵌入式可穿戴智能服装，在服装中嵌入生物传感器来检测人体生理信号。国内已有智能服装的研究侧重于聚合物光纤结构、分立传感元件或处理电路搭建的智能织物或智能服装。

光纤光栅是一种新型的光无源器件，具有制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、可织入服装等诸多优点。由于光纤布拉格光栅体积小而重量轻，与纱线兼容并可织入织物内部，因此是构成智能服装最有潜力的传感元件材料。

发热是许多疾病的早期症状，因此人体体温测量在疾病早期发现、及时诊断与治疗上具有重要意义。本发明以温度智能服装为切入点，公开温度智能服装中光纤布拉格光栅温度场的数学模型、人体温度加权模型的实现方法，根据解剖学原理将人体划分成若干解剖结构相同、温度分布相似的部位，放置光纤布拉格光栅传感器，实现适用于智能服装的光纤布拉格光栅温度场数学模型和人体温度加权模型等，从而得到人体实际体温值。

发明内容

本发明的目的是根据热量传递机理建立智能服装中光纤布拉格光栅温度场的数学模型，确定光纤布拉格光栅所测温度与实际温度之间的关系，利用该结果对光纤布拉格光栅所测温度值进行修正，得到人体皮肤的实际温度。在多点加权皮肤平均温度的基础上，建立由左右胸、左右腋和后背五处皮肤温度构成的智能服装人体温度加权模型。

本发明所采用的技术方案是：从人体生理学基础理论、人体热平衡及服装热传递理论等方面研究智能服装在穿着过程中的热传递机理，从微观和宏观上对智能服装热传递过程进行分析和研究，并从理论上对人体皮肤-空气-服装(传感器)三者之间的热传递进行公式推导，给出人体皮肤-空气-服装(传感器)之间热传递的计算公式，用ANSYS软件将微小气候空气层分解为有限数目的网格单元，将温度场各微分方程变换为节点方程，通过数值计算求得各网格单元节点的温度。在多点加权皮肤平均温度的基础上，建立由左右胸、左右腋和后背五处皮肤温度构成的智能服装人体温度加权模型。根据实际人体温度和修正过的光纤布拉格光栅测量温度数据，建立和求解加权系数C1、C2、C3、C4、C5。

本发明的效果和益处是：利用此加权系数计算得到的人体温度测量误差在±0.2℃，并考虑了光纤布拉格光栅传感器损坏等特殊情况下的加权系数调整。据此可以得出智能服装中分布式光纤布拉格光栅传感器所测温度经加权处理后可以作为临床医学人体腋下温度使用。

附图说明

图1是人体、空气层和服装之间的热传递物理模型示意图；

图2是筒状微元体示意图；

图3是智能服装人体测温实验系统构成示意图。

其中：

1：光纤光栅传感器    2：人体

3：空气层            4：服装

5：环境              6：半径r

7：厚度dr            8：长1

9：1×2耦合器        10：FP滤波器

11：隔离器           12：SLED光源

13：驱动电压         14：光电探测器

15：信号放大         16：信号调理

17：C8051F060        18：LPC2106

19：信号处理单元     20：液晶显示和键盘

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的最佳实施例。

本发明根据热量传递机理建立智能服装中光纤布拉格光栅温度场的数学模型，确定光纤布拉格光栅所测温度与实际温度之间的关系，并在多点加权皮肤平均温度的基础上，建立由左右胸、左右腋和后背五处皮肤温度构成的智能服装人体温度加权模型。具体实施步骤是：

1、光纤布拉格光栅温度场数学建模

在服装的实际穿着过程中，由于人体的运动，使得人体、空气层和服装之间的热传递过程处于一个动态变化过程之中。服装下空气层内的空气不可能完全静止，在织物之间由于存在温度差而产生导热现象的同时，也必然会由于空气分子的运动而产生自然对流现象。为此在智能服装的设计上，我们将服装设计成紧身内衣类型，这样服装下空气层所处的空间非常狭小，无法形成对流运动，研究时只用考虑单纯的导热现象即可，人体、空气层和服装之间的热传递物理模型如图1所示。另外由于人体、空气层和服装之间的温度场是随时间而发生变化的，所以三者之间的热传递过程是一个动态过程，即它们之间的传热过程是非稳态传热。临床医学上测量腋下温度作为人体体温，方法是擦干腋下汗液，将水银温度计汞端置于腋窝深处，屈臂过胸5分钟。这个所需要的时间我们可以看作是人体皮肤和水银温度计之间热平衡的一个建立。在这种热平衡建立后在一段时间内(例如3分钟之内)，我们可以把这时的热传递过程近似看成稳态传热，本文也采用了稳态热分析的方法进行分析研究。

我们对研究的人体、空气层和服装之间的热传递进行有限元建模，在微小气候区中分隔出一段长为1，半径为r，厚度为dr的筒状空气微元体，其当量导热系数为λ，比热容为c，密度为ρ，其中λ、c、ρ都是温度T的函数，而温度T又是时间τ和半径r的函数，即λ(r，τ)、c(r，τ)、ρ(r，τ)。筒状微元体如图2所示。

对于微元体，按照能量守恒定律，在任一时间间隔dτ内流入微元体内的热量加上微元体自身产生的热量等于流出微元体的热量加上微元体内能的增量。由于智能服装内热传递仅仅是热量的传递过程，在微元体内并没有内热源，所以热平衡方程可得

            q_流入＝q_流出+q_增量                                    (1)

根据傅立叶定律，得

将上述公式(2)-(4)代入公式(1)，进一步可得到人体、空气层和服装三者之间热传递的数学模型为

$\frac{\∂}{\∂r}\left[\mathrm{\λ}(r,\mathrm{\τ})\right]r\frac{\∂t}{\∂r}+\mathrm{\λ}(r,\mathrm{\τ})\frac{\∂t}{\∂r}+\mathrm{\λ}(r,\mathrm{\τ})r\frac{{\∂}^{2}t}{\∂r^2}=c(r,\mathrm{\τ})\mathrm{\ρ}(r,\mathrm{\τ})r\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}---\left(5\right)$

以上主要从人体生理学基础理论、人体热平衡及服装热传递理论等方面着重研究论述服装在穿着过程中的热传递机理，从微观和宏观上对服装热传递过程进行了分析和研究，并从理论上对人体-介质-环境三者之间的热传递进行了公式推导，给出了人体-介质-环境之间热传递的计算公式，我们可以用ANSYS软件将微小气候空气层分解为有限数目的网格单元，将温度场各微分方程变换为节点方程，通过数值计算以求得各网格单元节点的温度。

微元体模型中设定薄空气层厚0.5mm，光纤布拉格光栅层厚2mm，棉织物层厚2mm，其中空气在常态下的导热系数是0.027w/m·K，光纤布拉格光栅在常态下的导热系数是0.19w/m·K，棉织物在常态下的导热系数是1.2w/m·K，用ANSYS有限元分析加载荷后的温度场模型。

2、智能服装人体温度加权模型

本发明结合Hardy-Dubios 7点法加以改进，提出在胸前和腋下各放置两个光纤布拉格光栅传感器，在后背两肩胛骨中间处放置一个光纤布拉格光栅传感器，这样构成5点法测温。

实验中进行人体温度测量的光纤布拉格光栅利用不饱和树脂高聚物进行封装，在改进封装工艺的基础上，得到了在33-42℃温度范围内温度灵敏度系数为0.0916nm/℃的光纤布拉格光栅传感器，约为裸光纤布拉格光栅温度灵敏度系数的12.58倍。智能服装样衣中1-5号光纤布拉格光栅传感器分别放置于右胸、右腋、左腋、后背和左胸。实验中先测得各光纤布拉格光栅传感器反射中心波长数据，再结合五个光纤布拉格光栅温度传感器的温度灵敏度系数，通过公式分析计算得到五个点的温度测量值。

根据实际人体温度和修正过的光纤布拉格光栅测量温度数据，可建立关于加权系数C1、C2、C3、C4、C5的五元一次方程，由克拉默法则可得加权系数为：0.0826、0.3706、0.3706、0.0936和0.0826，进一步可得到该组加权系数对应人体温度误差在±0.2℃之间，满足人体测温要求的精度。

在正常情况下，五个光纤布拉格光栅传感器正常工作，然而当个别传感器损坏时，需适当调整加权系数以便得到正确的人体皮肤加权温度。光纤布拉格光栅传感器的损坏分为以下四种情况讨论：

(1)前胸或腋窝的光纤布拉格光栅传感器损坏了一个，其余传感器完好。由于左右胸、左右腋窝的测温效果是一样的，这时只需要用正常工作的另一边传感器测量数据代替即可，加权系数不变。

(2)后背的光纤布拉格光栅传感器损坏，其余传感器完好。这时将不考虑后背传感器的测量数据，仅用另外4个传感器进行实验，通过实验计算得到新的加权系数C1、C2、C3、C5分别为0.0788、0.4212、0.4212、0.0788。

(3)前胸的两个光纤布拉格光栅传感器均损坏，其余传感器完好。这时将不考虑前胸两个传感器的测量数据，仅用另外3个传感器进行实验，通过实验计算得到新的加权系数C2、C3、C4分别为0.4361、0.4361、0.1278。

(4)腋窝的两个光纤布拉格光栅传感器均损坏，其余传感器完好。这时将不考虑腋窝两个传感器的测量数据，仅用另外3个传感器进行实验，通过实验计算得到新的加权系数C1、C4、C5分别为0.3112、0.3776、0.3112。

通过这些特殊情况的分析，一旦遇到传感器损坏的情况，可以实时地进行加权系数的调整，保证了实验数据的精度。

Claims (1)

1.一种基于光纤布拉格光栅的智能服装人体测温模型实现方法，提出智能服装中光纤布拉格光栅温度场的数学模型和人体温度加权模型。其特征在于包括如下步骤：(1)光纤布拉格光栅温度场建模：根据热量传递机理建立智能服装中光纤布拉格光栅温度场的数学模型，确定光纤布拉格光栅所测温度与实际温度之间的关系，利用该结果对光纤布拉格光栅所测温度值进行修正，得到人体皮肤的实际温度。(2)人体温度加权建模：在多点加权皮肤平均温度的基础上，建立由左右胸、左右腋和后背五处皮肤温度构成的智能服装人体温度加权模型，人体温度加权系数为左前胸0.0826、左腋0.3706、右腋0.3706、后背0.0936和右前胸0.0826，并考虑光纤布拉格光栅传感器损坏等特殊情况下的加权系数调整。

Images