CN107495931B - 基于光学原理的人体温度场测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学原理的人体温度场测量装置，包括若干个光纤光栅温度传感器和均通过传输光纤依次相连的光纤耦合器、光环形器和由稳压电源驱动的宽带光源；宽带光源的光信号依次经光环形器和光纤耦合器分为多路输入到所有的光纤光栅温度传感器；所有的光纤光栅温度传感器的反射光信号经光纤耦合器耦合后传输至光环形器，光纤解调仪将光纤光栅温度传感器波长的变化量由光信号解调为电信号，并传输到计算机，最终可以得到所有光纤光栅温度传感器所在区域的温度场分布。本发明具有体积小、重量轻、与光纤兼容、插入损耗低、测量精度高、响应时间短、性能长期稳定性好等特点，特别适合用在强电磁等恶劣环境下使用。

Description

基于光学原理的人体温度场测量装置

技术领域

本发明涉及一种人体温度场测量方法，特别是涉及一种利用光学方法实现的人体体温检测的装置。

背景技术

体温的相对恒定是内环境理化性质相对稳定的重要方面，是机体新陈代谢和生命活动正常进行的必要条件。由于机体内各种生理过程都有赖于酶的参与，体温过高或过低都将影响酶的活性而导致新陈代谢和生理功能的障碍，并且当人体部分器官组织发生病变时会表现为局部温度升高或降低。因此，对人体尤其是临床病人的各个部位体温进行实时监测尤为重要。

现有技术中，在温度测量方面所采用的温度测量装置有水银温度计、热电偶探针、红外热像仪、微波辐射计。自从医学上引入了水银温度计，人体温度的测量变得简单而精确。但由于其响应速度慢、也不方便由计算机进行连续体温监测和数据处理等缺点，因此开发了多种医用温度计进行体温测量。主要分为电学测量方法和光学测量方法。其中电学测量方法主要是采用热电偶、热敏电阻等温度传感器或温度传感器芯片将温度信号转化为电信号。如专利号为CN203914879U《一种检测人体体表皮肤温度的装置》是基于热敏电阻对皮肤表面温度进行测量，并使用模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，后将信号传送至单片机进行数据处理并显示；专利号为CN105167756A《一种数字化体温探头及装置及体温探测方法》提出为提高测量精度通过串口连接其他设备的方式进行数据读取，使其测量准确性大大提高；专利号为CN105310660A《体温检测装置及体温检测方法》使用温度传感芯片对人体的额头或腋下温度进行测量，并通过无线通信芯片将数据传输至手机进行显示。但是电学方式测量往往具有易受电磁干扰、精度低、容易受人体体液的影响等缺点。尤其在医院病房中包含多种电器、电子及医疗仪器设备，这些设备在自我运行的同时，通过正常和非正常渠道向外发射电磁能量，对温度测量装置产生不良影响。

光学测量方法主要有红外辐射测温、光纤传感等方法，其中专利号为CN105310659A《用于提高无接触体温测量的精度的装置和方法》中先相机模块确定对象的图像是否对焦，确定对焦后再使用红外温度传感器测量对象的温度；专利号为CN105380616A《智能基础体温计、体温量测系统及量测方法》使用红外传感器用于采集人体体温，并将采集的数据传送至单片机；单片机对接收到的体温数据进行处理后，驱动显示单元显示体温数据；专利号为US9464940B2《BODY TEMPERATURE MEASURING DEVICE》设计一种新式的红外耳温仪对人体鼓膜温度进行测量，且为预防施力不正确导致探针被破坏，其探针是可转动的。红外测温仪测温速度快，测温范围广但存在测量精度低、易受环境因素影响(环境温度空气中的灰尘等)、体积大且耳温仪的消毒失误还有可能引发中耳炎等疾病的问题。

专利公布号CN10191319A《基于光纤布拉格光栅的智能服装人体测温模型》是基于光纤传感的测量原理，提出了一种将光纤布拉格光栅运用到人体体温测量中，实现人体局部点温度的测量，并建立例如人体温度加权模型。但该发明专利都是针对人体进行单点或有限点的温度进行测量，很少涉及对人体温度场的分析。

发明内容

针对现有技术，本发明提供一种基于光学原理的人体温度场测量装置，采用光纤传感器，特别是FBG光栅(即光纤光栅温度传感器)，对人体温度进行测量。FBG光栅具有体积小、重量轻、与光纤兼容、插入损耗低、测量精度高、响应时间短、性能长期稳定性好等特点，特别适合用在强电磁等恶劣环境下使用。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于光学原理的人体温度场测量装置，包括若干个光纤光栅温度传感器，该人体温度场测量装置还包括均通过传输光纤依次相连的光纤耦合器、光环形器和由稳压电源驱动的宽带光源；所有光纤光栅温度传感器均通过传输光纤连接至所述光纤耦合器，所述宽带光源的光信号依次经所述光环形器和所述光纤耦合器分为多路输入到所有的光纤光栅温度传感器；所述光环形器通过传输光纤与所述光纤解调仪相连；所述光纤解调仪内置有数据采集卡，所述光纤解调仪与一台计算机电连；所有的光纤光栅温度传感器的反射光信号经所述光纤耦合器耦合后传输至所述光环形器，然后，被所述光纤解调仪接收，所述光纤解调仪将光纤光栅温度传感器波长的变化量由光信号解调为电信号，并经过所述光纤解调仪内置的数据采集卡传输到所述计算机，所述计算机依据温度-波长线性关系并结合光纤光栅温度传感器波长的变化量算出所述光纤光栅温度传感器位置的温度，进而得到所有光纤光栅温度传感器所在区域的温度场分布。

进一步讲，光纤光栅温度传感器的个数为28个，28个光纤光栅温度传感器的布点是被测者颈前、右胸、左胸、腹部、右外上臂、左外上臂、右外下臂、左外下臂、右手背、左手背；左背、右背、颈后、后腰、右后上臂、左后上臂、右后下臂、左后下臂；右大腿前、左大腿前、左小腿前、右小腿前、右脚面、左脚面；左大腿后、右大腿后、左小腿后、右小腿后；其中，布点为颈前、右胸、左胸、腹部、右外上臂、左外上臂、右外下臂、左外下臂、右手背、左手背的光纤光栅温度传感器串联形成第一路；布点为左背、右背、颈后、后腰、右后上臂、左后上臂、右后下臂、左后下臂的光纤光栅温度传感器串联形成第二路；布点为右大腿前、左大腿前、左小腿前、右小腿前，右脚面、左脚面的光纤光栅温度传感器串联形成第三路；布点为左大腿后、右大腿后、左小腿后、右小腿后的光纤光栅温度传感器串联形成第四路；所述光纤耦合器采用1×4耦合器，从而将所述宽带光源的光信号分为四路输入到所有的光纤光栅温度传感器。

所述光纤光栅温度传感器采用武汉欧光科技有限公司OP-T01系列的光纤光栅温度传感器。

所述宽带光源采用深圳市浩源光电技术有限公司编号为A-0001的宽带光源模块。

所述宽带光源输出的谱线宽度为1525-1625nm。

所述光纤解调仪采用武汉欧光科技有限公司型号为OP-FBG500的光纤光栅高速波长解调仪。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所提出的人体温度场测量方法可以在实现单点测温的同时模拟出人体皮肤表面的温度分布。结构简单、稳定性好，对电磁环境要求低，利于广泛推广。

附图说明

图1为本发明的新型人体温度场检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的测量人体温度场的流程图。

图中：

1-光纤光栅温度传感器，21、22、23、24-传输光纤，3-光纤耦合器，4-光环形器，5-宽带光源，6-光纤解调仪，7-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明提出的一种基于光学原理的人体温度场测量装置，包括若干个光纤光栅温度传感器1，还包括均通过传输光纤依次相连的光纤耦合器3、光环形器4和由稳压电源驱动的宽带光源5，所述宽带光源5采用深圳市浩源光电技术有限公司编号为A-0001的宽带光源模块。所有光纤光栅温度传感器1均通过传输光纤连接至所述光纤耦合器3，所述宽带光源5的光信号依次经所述光环形器4和所述光纤耦合器3分为多路输入到所有的光纤光栅温度传感器1；所述光环形器4通过传输光纤与所述光纤解调仪6相连；所述光纤解调仪6内置有数据采集卡，所述光纤解调仪6采用武汉欧光科技有限公司型号为OP-FBG500的光纤光栅高速波长解调仪。所述光纤解调仪6与一台计算机7电连。人体温度的变化改变将引起光纤光栅温度传感器1中心波长发生移动，所有的光纤光栅温度传感器1的反射光信号经所述耦合器3耦合后传输至所述光环形器4，然后，被所述光纤解调仪6接收，所述光纤解调仪6将光纤光栅温度传感器波长的变化量由光信号解调为电信号，并经过所述光纤解调仪6内置的数据采集卡传输到所述计算机7，所述计算机7依据温度-波长线性关系并结合光纤光栅温度传感器波长的变化量算出所述光纤光栅温度传感器1位置的温度，进而得到所有光纤光栅温度传感器所在区域的温度场分布。

如图1所示，本发明实施例中，所述光纤光栅温度传感器1采用武汉欧光科技有限公司OP-T01系列的光纤光栅温度传感器。所述光纤光栅温度传感器1的个数为28个，28个光纤光栅温度传感器1的布点是被测者颈前、右胸、左胸、腹部、右外上臂、左外上臂、右外下臂、左外下臂、右手背、左手背；左背、右背、颈后、后腰、右后上臂、左后上臂、右后下臂、左后下臂；右大腿前、左大腿前、左小腿前、右小腿前、右脚面、左脚面；左大腿后、右大腿后、左小腿后、右小腿后；

其中，布点为颈前、右胸、左胸、腹部、右外上臂、左外上臂、右外下臂、左外下臂、右手背、左手背的光纤光栅温度传感器1串联形成第一路；

布点为左背、右背、颈后、后腰、右后上臂、左后上臂、右后下臂、左后下臂的光纤光栅温度传感器1串联形成第二路；

布点为右大腿前、左大腿前、左小腿前、右小腿前，右脚面、左脚面的光纤光栅温度传感器1串联形成第三路；

布点为左大腿后、右大腿后、左小腿后、右小腿后的光纤光栅温度传感器1串联形成第四路；

所述光纤耦合器3采用1×4耦合器，从而将所述宽带光源5的光信号分为四路输入到所有的光纤光栅温度传感器1。

由于采用28个光纤光栅温度传感器1，所述宽带光源5输出的谱线宽度为1525-1625nm，以使每个光纤光栅温度传感器1的中心波长均匀的分布在该范围内。

由所得的所有光纤光栅温度传感器1各位置点的温度，可以根据多种不同的算法进而得到所有光纤光栅温度传感器所在区域的温度场分布。本发明实施例中，是采用BP神经网络算法得到所有光纤光栅温度传感器所在区域的温度场分布。如图2所示，光纤光栅温度传感器对28个采样点进行温度采样，然后依次对28个采样点的波长进行数据处理得到人体28个点的温度值，将28个点的温度值带入预先设定好参数的算法中，最终得到人体皮肤表面温度分布值。

人体皮肤表面划分出若干区域，在每个区域的关键部位放置测温光纤，从而可以对关键部位进行全面和准确的监控。将关键部位的温度BP神经网络算法中，得到人体表面温度分布情况，可及时发现人体温度异常，进行相应救护。当某区域的光纤光栅温度传感器出现局部损坏时，对此区域的光纤温度传感器进行维修、替换即可，不会影响到其他区域的光纤温度传感器，维修方便，节约成本。用于测量人体皮肤表面温度的光纤布拉格光栅的反射波长与纤芯的有效折射率、光栅周期两个因素有关。而这两个因素又受到温度与应变的影响。所以为了消除应变对测量过程的干扰，需要对光纤光栅进行应变补偿性封装。

本发明具有重量轻、稳定性好、并且光纤光栅温度传感器易于与衣物集成、不受电磁干扰、灵敏度高等优点。在使用时，可将光纤光栅温度传感器缝制于衣物上，易于推广使用。由于本发明所使用的传感器为光学温度传感器，温度测量时没有电流通过，因此不会对人体造成任何危害。总之，针对现有对人体温度场模型建立的不足，本发明提出了一种基于光学原理建立了的人体温度场模型，本模型可以达到因准确掌握人体表面温度场分布而带来的一系列优点，如:可实现精确、实时监控人体的体温，为及时实施救护提供了保障。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于光学原理的人体温度场测量装置，包括若干个光纤光栅温度传感器(1)，其特征在于，

该人体温度场测量装置还包括均通过传输光纤依次相连的光纤耦合器(3)、光环形器(4)和由稳压电源驱动的宽带光源(5)；所有光纤光栅温度传感器(1)均通过传输光纤连接至所述光纤耦合器(3)，所述宽带光源(5)的光信号依次经所述光环形器(4)和所述光纤耦合器(3)分为多路输入到所有的光纤光栅温度传感器(1)；所述光环形器(4)通过传输光纤与光纤解调仪(6)相连；所述光纤解调仪(6)内置有数据采集卡，所述光纤解调仪(6)与一台计算机(7)电连；

所有的光纤光栅温度传感器(1)的反射光信号经所述光纤耦合器(3)耦合后传输至所述光环形器(4)，然后，被所述光纤解调仪(6)接收，所述光纤解调仪(6)将光纤光栅温度传感器波长的变化量由光信号解调为电信号，并经过所述光纤解调仪(6)内置的数据采集卡传输到所述计算机(7)，所述计算机(7)依据温度-波长线性关系并结合光纤光栅温度传感器波长的变化量算出所述光纤光栅温度传感器(1)位置的温度，进而得到所有光纤光栅温度传感器所在区域的温度场分布；

所述光纤光栅温度传感器(1)的个数为28个，28个光纤光栅温度传感器(1)的布点是被测者颈前、右胸、左胸、腹部、右外上臂、左外上臂、右外下臂、左外下臂、右手背、左手背；左背、右背、颈后、后腰、右后上臂、左后上臂、右后下臂、左后下臂；右大腿前、左大腿前、左小腿前、右小腿前、右脚面、左脚面；左大腿后、右大腿后、左小腿后、右小腿后；

其中，布点为颈前、右胸、左胸、腹部、右外上臂、左外上臂、右外下臂、左外下臂、右手背、左手背的光纤光栅温度传感器(1)串联形成第一路；

布点为左背、右背、颈后、后腰、右后上臂、左后上臂、右后下臂、左后下臂的光纤光栅温度传感器(1)串联形成第二路；

布点为右大腿前、左大腿前、左小腿前、右小腿前，右脚面、左脚面的光纤光栅温度传感器(1)串联形成第三路；

布点为左大腿后、右大腿后、左小腿后、右小腿后的光纤光栅温度传感器(1)串联形成第四路；

所述光纤耦合器(3)采用1×4耦合器，从而将所述宽带光源(5)的光信号分为四路输入到所有的光纤光栅温度传感器(1)。

2.根据权利要求1所述基于光学原理的人体温度场测量装置，其特征在于，所述宽带光源(5)输出的谱线宽度为1525-1625nm。

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