CN114636505A - 光纤传感器及系统 - Google Patents

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CN114636505A CN202210233972.XA CN202210233972A CN114636505A CN 114636505 A CN114636505 A CN 114636505A CN 202210233972 A CN202210233972 A CN 202210233972A CN 114636505 A CN114636505 A CN 114636505A
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chamber
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汪鹏飞
蒋涛
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Shanghai United Imaging Healthcare Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种光纤传感器及系统，通过弹性膜片将外壳内的腔体隔绝为独立的第一腔室和第二腔室，第一腔室连通一气源，在弹性膜片上设置第一反射镜；光纤接头穿过外壳外并伸入第二腔室内，光纤接头内固定有一传输光纤，光纤接头伸入所述第二腔室的一端的端面为反射面，第一反射镜的反射面与光纤接头的反射面相对并构成法布里‑珀罗腔。如此，当通过气源改变第一腔室内的气压时，弹性膜片形变以改变法布里‑珀罗腔的腔长，通过对传输光纤输出的反射光信号进行波长解调即可得到气源的气压变化。本发明采用光纤传感形式测量气压变化，抗电磁干扰能力强，且具有本征安全防爆、测量精度高等优点。

Description

光纤传感器及系统
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种光纤传感器及系统。
背景技术
目前，许多领域需要进行气压检测，或通过检测气压来检测其他的未知量，例如，在呼吸门控技术中，需要实时监测患者的呼吸运动，然而，现有的呼吸门控技术监测呼吸通常使用的是气压传感器等电类气压传感器，这种传感器是将气压的变化转化成器件内部电阻/电容值的变化，然而，在强电磁干扰环境下，电类气压传感器难以准确性和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤传感器及系统，能够提高检测的准确性和可靠性。
为了达到上述目的，本发明提供了一种光纤传感器，包括：
外壳，具有一腔体；
弹性膜片，位于所述腔体内，并将所述腔体隔绝为独立的第一腔室和第二腔室，所述第一腔室连通一气源；
光纤接头，穿过所述外壳外并伸入所述第二腔室内，所述光纤接头内固定有一传输光纤，所述光纤接头伸入所述第二腔室的一端的端面为反射面；
第一反射镜，位于所述弹性膜片上，且所述第一反射镜的反射面与所述光纤接头的反射面相对并构成法布里-珀罗腔；
所述传输光纤用于向所述法布里-珀罗腔输入检测光信号并输出从所述法布里-珀罗腔输出的反射光信号。
可选的，向所述检测光信号及所述反射光信号均为宽带光信号或扫频宽带光信号。
可选的，所述光纤接头伸入所述第二腔体的一端的端面上镀有增反膜以形成反射面；或者，所述光纤接头伸入所述第二腔体的一端的端面上设有第二反射镜，所述第二反射镜的反射面作为所述光纤接头的反射面。
可选的，所述第二腔体上设置有气孔，所述第二腔体通过所述气孔与大气连通。
可选的，所述第二反射镜的反射面的中心轴与所述光纤接头的反射面的中心轴重合。
本发明还提供了一种光纤传感系统，包括：
光源，用于输出检测光信号；
光环形器，所述光环形器的第一端口连接所述光源，所述检测光信号从所述光环形器的第二端口输出；
所述的光纤传感器，所述光纤传感器的传输光纤连接所述光环形器的第二端口，反射光信号从所述光环形器的第三端口输出；
波长解调器，连接所述光环形器的第三端口，用于对所述反射光信号进行波长解调，得到表征气源的气压变化的波形信号。
可选的，所述扫频光源为宽带光源或扫频宽带光源。
可选的，还包括通信模块及上位机，所述波长解调器通过所述通信模块连接所述上位机，以将所述波形信号传输至所述上位机中。
可选的，所述光纤传感系统用于呼吸检测，所述气源为充气绑带，用于绑在检测目标的腹部，所述波形信号还用于表征所述检测目标的呼吸变化。
可选的，所述光纤传感系统应用于医疗影像设备中。
在本发明提供的光纤传感器及系统中，通过弹性膜片将外壳内的腔体隔绝为独立的第一腔室和第二腔室，所述第一腔室连通一气源，在弹性膜片上设置第一反射镜；光纤接头穿过所述外壳外并伸入所述第二腔室内，所述光纤接头内固定有一传输光纤，所述光纤接头伸入所述第二腔室的一端的端面为反射面，所述第一反射镜的反射面与所述光纤接头的反射面相对并构成法布里-珀罗腔。如此，当通过所述气源改变所述第一腔室内的气压时，所述弹性膜片形变以改变所述法布里-珀罗腔的腔长，通过对所述传输光纤输出的反射光信号进行波长解调即可得到所述气源的气压变化。本发明采用光纤传感形式测量气压变化，抗电磁干扰能力强，且具有本征安全防爆、测量精度和可靠性高等优点，可以应用在电磁干扰严重的CT/PET/DR/MRI/RT等医疗影像设备中，解调速度快、精度高，可以更及时准确的在影像上反应患者的真实呼吸运动。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光纤传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光纤传感系统的结构框图；
其中，附图标记为：
100-光纤传感器；110-外壳；120-腔体；121-第一腔室；122-第二腔室；122a-气孔；123-进出气口；130-弹性膜片；140-第一反射镜；150-光纤接头；160-传输光纤；170-气管；200-光源；300-光环形器；400-波长解调器；501-第一无线通信单元；502-第二无线通信单元；600-上位机；700-充气绑带。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图1为本实施例提供的光纤传感器100的结构示意图。如图1所示，所述光纤传感器100包括外壳110、弹性膜片130、光纤接头150及第一反射镜140。
其中，所述外壳110具有一腔体120，所述腔体120用于容纳所述弹性膜片130和所述第一反射镜140。所述外壳110的材料可以为高强度复合材料，如不锈钢等金属复合材料，如此可以提高所述外壳110的结构强度，还可以提高所述腔体120的密封性能。
本实施例中，所述外壳110及所述腔体120均为长方体，但不以为限，所述外壳110及所述腔体120也可以是正方体或球体，此处不再过多赘述。
进一步地，所述弹性膜片130位于所述腔体120内，并将所述腔体120隔绝为第一腔室121和第二腔室122，所述第一腔室121和所述第二腔室122相互独立，且所述第一腔室121和所述第二腔室122内的气体无法流通。所述第一腔室121连通一气源(图中未示出)，具体而言，所述第一腔室121可以具有一进出气口123，一气管170的一端连接所述进出气口123，另一端连接所述气源，如此，所述气源即可与所述第一腔室121连通，所述气源与所述第一腔室121内的气体也可以相互流通。
可选的，所述气管170可以与所述进出气口123固定连接或可拆卸连接；类似的，所述气管170也可以与所述气源固定连接或可拆卸连接。
本实施例中，所述第一腔室121和所述第二腔室122上下分布，且各占所述腔体120的一半空间，但不应以此为限，所述第一腔室121和所述第二腔室122可以有其他的分布方式，所述第一腔室121和所述第二腔室122的体积的大小关系也并不影响本发明的实施。
进一步地，所述第二腔室122具有一气孔122a，所述气孔122a贯穿所述外壳110从而将所述第二腔室122与大气连通，从而消除所述第二腔室122内气压变化对测量结果的影响。
所述弹性膜片130是具有弹性的膜片，同时也能够隔绝所述第一腔室121和所述第二腔室122内的气体。由于所述第一腔室121与所述气源连通，通过所述气源可以改变所述第一腔室121内的气压，从而使得所述弹性膜片130产生形变，例如，自然状态下，所述第一腔室121的气压与大气压力平衡，所述弹性膜片130处于自然状态，未发生形变；当所述第一腔室121内的气压逐渐增大时，所述第一腔室121的气压大于大气压力，所述弹性膜片130发生形变(向上凸起)；当所述第一腔室121内的气压逐渐减小直至与大气压力平衡时，所述弹性膜片130恢复形变。
值得注意的是，若所述气源可以对所述第一腔室121进行抽气时，所述第一腔室121的气压还可以小于大气压力，所述弹性膜片130也可发生形变(向下凹陷)。
作为可选实施例中，所述弹性膜片130的材料可以是不锈钢等金属材料，从而提高所述弹性膜片130的结构强度和密封性能，此时，所述弹性膜片130的厚度可以较薄，从而减小所述弹性膜片130的刚度，使得所述弹性膜片130能够形变。
请继续参阅图1，所述光纤接头150具有第一端和第二端，所述光纤接头150的第一端穿过所述外壳110后伸入所述第二腔室122内，所述光纤接头150的第二端露在所述外壳110外。所述光纤接头150内固定有一传输光纤160，所述传输光纤160也具有第一端和第二端，所述传输光纤160的第一端穿过所述光纤接头150，且所述传输光纤160的第一端的端面与所述光纤接头150的第二端和端面齐平，通过所述传输光纤160可以向所述第二腔室122内输入检测光信号。
进一步地，所述光纤接头150的第一端的端面为反射面。举例而言，可以在所述光纤接头150的第一端的端面上镀增反膜，使得所述光纤接头150的第一端的端面形成反射面；也可以直接在所述光纤接头150的第一端的端面上设置第二反射镜，如此一来，所述光纤接头150的第一端的端面也可以形成反射面；或者，直接将所述光纤接头150的第一端的端面研磨得非常平整、光滑，从而也能形成反射面。
本实施例中，所述光纤接头150呈圆台形，且所述光纤接头150的第一端的端面的面积大于所述光纤接头150的第二端的端面的面积，但不应以此为限，所述光纤接头150也可以是其他任何可能的形状。
请继续参阅图1，所述第一反射镜140位于所述弹性膜片130上，且所述第一反射镜140的反射面与所述光纤接头150的反射面相对从而构成法布里-珀罗腔(Fabry–Pérotcavity)，所述法布里-珀罗腔即为所述第一反射镜140的反射面与所述光纤接头150的反射面正对的区域，所述传输光纤160向所述第二腔室122输出所述检测光信号时，实际是向所述法布里-珀罗腔内输出了所述检测光信号。当所述传输光纤160向所述法布里-珀罗腔内输入所述检测光信号时，所述检测光信号会沿着所述法布里-珀罗腔的轴向传播，并被所述第一反射镜140反射后沿着原来的传播方向再次进入所述传输光纤160中，并从所述传输光纤160中输出，而不会溢出所述法布里-珀罗腔。为了便于区分，将从所述传输光纤160中输出的光信号称为反射光信号。
本实施例中，所述检测光信号及所述反射光信号可以是宽带光信号或扫频宽带光信号。
本实施例中，所述第一反射镜140为平面反射镜，所述光纤接头150的反射面也为平面，所述第一反射镜140的反射面与所述光纤接头150的反射面平行，从而构成所述法布里-珀罗腔。并且，所述第一反射镜140的反射面与所述光纤接头150的反射面完全正对(所述第一反射镜140的反射面与所述光纤接头150的反射面的中心轴重合)，但不应以此为限，只要所述第一反射镜140的反射面与所述光纤接头150的反射面在轴向上具有重叠区域即可。
可以理解的是，通过所述气源改变所述第一腔室121内的气压时，所述弹性膜片130形变，所述第一反射镜140会随之沿靠近或原离所述光纤接头150的反射面的方向运动(上下运动)，如此，所述法布里-珀罗腔的腔长改变，导致所述反射光信号的中心波长漂移。通过对所述反射光信号进行波长解调即可得到所述气源的气压变化。
基于此，本实施例还提供了一种光纤传感系统。图2为本实施例提供的光纤传感系统的结构框图，如图2所示，所述光纤传感系统包括光源200、光环形器300、所述光纤传感器100及波长解调器400。
如图2所示，所述光源200用于输出所述检测光信号。可选的，所述光源200为宽带光源或扫频宽带光源均可，本实施例中，所述光源为扫频宽带光源，所述扫频宽带光源的扫描频率为0kHz-100kHz；和/或，所述扫频宽带光源的扫描波长为1260nm～1360nm；和/或，所述扫频宽带光源的半高宽小于0.1nm。
本实施例中，所述光环形器300为三端口的光环形器300，其包括第一端口、第二端口和第三端口，当光信号从所述光环形器300的第一端口入射时，会从所述光环形器300的第二端口出射，当光信号从所述光环形器300的第二端口入射时，会从所述光环形器300的第三端口出射。
基于此，所述光环形器300的第一端口连接所述光源200，从而接收所述检测光信号，所述检测光信号从所述光环形器300的第二端口出射。所述传输光纤160的第二端连接所述光环形器300的第二端口，从所述光环形器300的第二端口出射的所述检测光信号可以通过所述传输光纤160入射至所述法布里-珀罗腔中，从所述法布里-珀罗腔中出射的所述反射光信号通过所述传输光纤160入射至所述光环形器300的第二端口，可以想到，所述反射光信号会从所述光环形器300的第三端口出射。
进一步地，所述波长解调器400连接所述光环形器300的第三端口，从而接收所述反射光信号并对所述反射光信号进行波长解调，从而得到表征所述气源的气压变化的波形信号。
可以理解的是，当所述检测光信号及所述反射光信号为宽带光信号时，所述波长解调器400可以是常规的光谱解调仪(如光纤光栅解调仪等)，且宽带光信号的解调速度也更快；当所述检测光信号及所述反射光信号为扫频宽带光信号时，所述波长解调器400替换为可以解调扫频光的光谱解调仪即可，此处不再过多赘述。
本实施例中，所述光纤传感系统还包括通信模块及上位机600，所述波长解调器400通过所述通信模块连接所述上位机600，以将所述波形信号传输至所述上位机600中。所述上位机600可以对所述波形信号进行显示和/或存储。
本实施例中，所述通信模块包括第一无线通信单元501及第二无线通信单元502，所述第一无线通信单元501连接所述波长解调器400，所述第二无线通信单元502连接所述上位机600，如此一来，所述波长解调器400和所述上位机600之间可以通过所述第一无线通信单元501和所述第二无线通信单元502无线通信，所述波形信号可利用WIFI/4G/5G等无线传输至所述上位机600中。
作为可选实施例，所述波长解调器400和所述上位机600之间也可以有线通信，此处不再过多赘述。
接下来，将以所述光纤传感系统用于呼吸检测为例对所述光纤传感系统再次进行详细说明。
如图2所示，所述光纤传感系统用于呼吸检测时，所述气源可以为充气绑带700，所述充气绑带700用于绑在检测目标的腹部，所述检测目标为人体或动物均可。自然状态下，所述充气绑带700内的气压与所述第一腔室121内的气压平衡，所述弹性膜片130未形变。当所述检测目标在呼气过程中，逐渐对所述充气绑带700进行挤压，使得所述充气绑带700内的气体通过所述气管170逐渐进入所述第一腔室121内；所述第一腔室121内的气压逐渐上升，压迫所述弹性膜片130逐渐形变(向上凸起)；所述法布里-珀罗腔的腔长逐渐减小，导致所述反射光信号的中心波长逐渐漂移。当所述检测目标在吸气过程中，所述充气绑带700逐渐恢复，使得所述第一腔室121内的气体通过所述气管170逐渐回到所述充气绑带700内；所述第一腔室121内的气压逐渐降低，所述弹性膜片130逐渐恢复形变；所述法布里-珀罗腔的腔长逐渐减小，导致所述反射光信号的中心波长逐渐恢复。如此，通过对所述反射光信号进行波长解调即可实时监控所述检测目标的呼吸变化，也即，所述波形信号还用于表征所述检测目标的呼吸变化。
可选的，本实施例中的所述光纤传感系统可以应用于医疗影像设备中，所述医疗影像设备例如是CT(计算机断层成像)/PET(正电子发射成像)/DR(数字X线成像)/MRI(磁共振成像)/RT(放射治疗成像)等医疗影像设备，解调速度快、精度高，可以更及时准确的在医疗影像上反应患者的真实呼吸运动。
综上，在本发明实施例提供的光纤传感器及系统中，通过弹性膜片将外壳内的腔体隔绝为独立的第一腔室和第二腔室，所述第一腔室连通一气源，在弹性膜片上设置第一反射镜；光纤接头穿过所述外壳外并伸入所述第二腔室内，所述光纤接头内固定有一传输光纤，所述光纤接头伸入所述第二腔室的一端的端面为反射面，所述第一反射镜的反射面与所述光纤接头的反射面相对并构成法布里-珀罗腔。如此，当通过所述气源改变所述第一腔室内的气压时，所述弹性膜片形变以改变所述法布里-珀罗腔的腔长，通过对所述传输光纤输出的反射光信号进行波长解调即可得到所述气源的气压变化。本发明采用光纤传感形式测量气压变化，抗电磁干扰能力强，且具有本征安全防爆、测量精度高等优点，可以应用在电磁干扰严重的CT/PET/DR/MRI/RT等医疗影像设备中，解调速度快、精度高，可以更及时准确的在医疗影像上反应患者的真实呼吸运动。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此外，本发明实施例中的方法和/或设备的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。

Claims (10)

1.一种光纤传感器，其特征在于，包括：
外壳(110)，具有一腔体(120)；
弹性膜片(130)，位于所述腔体(120)内，并将所述腔体(120)隔绝为独立的第一腔室(121)和第二腔室(122)，所述第一腔室(121)连通一气源；
光纤接头(150)，穿过所述外壳(110)外并伸入所述第二腔室(122)内，所述光纤接头(150)内固定有一传输光纤(160)，所述光纤接头(150)伸入所述第二腔室(122)的一端的端面为反射面；
第一反射镜(140)，位于所述弹性膜片(130)上，且所述第一反射镜(140)的反射面与所述光纤接头(150)的反射面相对并构成法布里-珀罗腔；
所述传输光纤(160)用于向所述法布里-珀罗腔输入检测光信号并输出从所述法布里-珀罗腔输出的反射光信号。
2.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，向所述检测光信号及所述反射光信号均为宽带光信号或扫频宽带光信号。
3.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述光纤接头(150)伸入所述第二腔体(120)的一端的端面上镀有增反膜以形成反射面；或者，所述光纤接头(150)伸入所述第二腔体(120)的一端的端面上设有第二反射镜，所述第二反射镜的反射面作为所述光纤接头(150)的反射面。
4.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述第二腔体(120)上设置有气孔(122a)，所述第二腔体(120)通过所述气孔(122a)与大气连通。
5.如权利要求3所述的光纤传感器，其特征在于，所述第二反射镜的反射面的中心轴与所述光纤接头(150)的反射面的中心轴重合。
6.一种光纤传感系统，其特征在于，包括：
光源(200)，用于输出检测光信号；
光环形器(300)，所述光环形器(300)的第一端口连接所述光源(200)，所述检测光信号从所述光环形器(300)的第二端口输出；
如权利要求1-5中任一项所述的光纤传感器(100)，所述光纤传感器(100)的传输光纤(160)连接所述光环形器(300)的第二端口，反射光信号从所述光环形器(300)的第三端口输出；
波长解调器(400)，连接所述光环形器(300)的第三端口，用于对所述反射光信号进行波长解调，得到表征气源的气压变化的波形信号。
7.如权利要求6所述的光纤传感系统，其特征在于，所述光源(200)为宽带光源或扫频宽带光源。
8.如权利要求6所述的光纤传感系统，其特征在于，还包括通信模块及上位机(600)，所述波长解调器(400)通过所述通信模块连接所述上位机(600)，以将所述波形信号传输至所述上位机(600)中。
9.如权利要求6-8中任一项所述的光纤传感系统，其特征在于，所述光纤传感系统用于呼吸检测，所述气源为充气绑带(700)，用于绑在检测目标的腹部，所述波形信号还用于表征所述检测目标的呼吸变化。
10.如权利要求9所述的光纤传感系统，其特征在于，所述光纤传感系统应用于医疗影像设备中。
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