CN114858193A - 螺旋型塑料光纤呼吸传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

螺旋型塑料光纤呼吸传感器及其制备方法,涉及一种光纤呼吸传感器及其制备方法。螺旋型塑料光纤呼吸传感器包括一根宏弯曲为反向双螺旋的塑料光纤和弹性线性物;反向双螺旋的塑料光纤多点固定于弹性线性物。所述传感器的制备方法:将塑料光纤宏弯曲为反向双螺旋结构,然后将反向双螺旋的塑料光纤多点固定于自然状态的弹性线性物。光纤呼吸检测装置包括激光器、光电探测器、采集卡和计算机,还包括上述螺旋型塑料光纤呼吸传感器。本发明螺旋型塑料光纤呼吸传感器的长期重复性和可靠性好。

Description

螺旋型塑料光纤呼吸传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光纤呼吸传感器及其制备方法。
背景技术
当前医院最普遍的检查方法是采用呼吸机来测量呼吸参数,上述设备测量虽然准确,但是结构复杂,造价昂贵,而且每次检查的时间只有几分钟。而美国新泽西溪谷医院的心脏病专家Suneet Mittal博士介绍,每次检查几分钟是不够的,并且还容易导致医生根据“短时测量得到的错误数据”做出医疗决策。
发明内容
为了克服现有呼吸检查方法每次检查时间短,只有几分钟,容易导致医生根据“短时测量得到的错误数据”做出医疗决策的问题,本发明提供了一种螺旋型塑料光纤呼吸传感器及其制备方法。
螺旋型塑料光纤呼吸传感器包括一根宏弯曲为反向双螺旋的塑料光纤和弹性线性物;反向双螺旋的塑料光纤多点固定于弹性线性物。
上述螺旋型塑料光纤呼吸传感器的制备方法如下:
将塑料光纤宏弯曲为反向双螺旋结构,然后将反向双螺旋的塑料光纤多点固定于自然状态的弹性线性物。
光纤呼吸检测装置包括激光器、光电探测器、采集卡和计算机,还包括上述螺旋型塑料光纤呼吸传感器;
激光器的输出连接螺旋型塑料光纤呼吸传感器的输入端口,螺旋型塑料光纤呼吸传感器的输出端口连接光电探测器的输入端口,光电探测器的输出端口连接采集卡的采集端口,数据采集卡的输出接入计算机。
光纤传感技术具有高绝缘性,结构紧凑、抗电磁干扰、动态范围广、分辨率大和灵敏度高等特点;易于组网、实时测量、在线分辨、分布监测、多参数测量等;具有实时监测功能,可提供良好的医学参考数据。
本发明螺旋型塑料光纤呼吸传感器的制备方法简单,所用材料简单,便于生产。
本发明螺旋型塑料光纤呼吸传感器中光纤产生了一定的宏弯曲,使原本在光纤的未发生宏弯曲部分的光进入光纤的宏弯曲区域时,入射角大于临界角而不再满足全反射条件,一部分光从纤芯透射到包层甚至包层外部环境中,从而导致光纤中传输的光信号功率降低。当振动信号(人体呼吸产生的腹部运动)加载到接触点(人体腹部与螺旋型塑料光纤呼吸传感器的接触位置)会产生周期的损耗信号,再利用快速傅里叶变换(FFT)解调出人体呼吸频率。实验证实本发明螺旋型塑料光纤呼吸传感器具有长时间使用的优异重复性和可靠性。
附图说明
图1是实施例1螺旋型塑料光纤呼吸传感器的实物图;
图2是实施例2按压标定实验中星型结构设计图;
图3是实施例2按压标定实验中星型结构的塑料光纤传感器实物图;
图4是实施例2按压标定实验中星型结构的塑料光纤传感器的按压信号图(60次/min);
图5是实施例2人体呼吸测试中光纤呼吸检测装置中的螺旋型塑料光纤呼吸传感器测量到的呼吸信号波形图;
图6是实施例2人体呼吸测试中呼吸信号经傅里叶变换得到的频谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一:本实施方式螺旋型塑料光纤呼吸传感器包括一根宏弯曲为反向双螺旋的塑料光纤和弹性线性物;反向双螺旋的塑料光纤多点固定于弹性线性物。
本实施方式对不同螺旋半径的螺旋型塑料光纤呼吸传感器进行拉伸试验,在确保高信噪比的同时,根据弹性线性物拉伸前后光损耗量发现螺旋半径越小,拉伸前后的光强度变化越明显。塑料光纤与弹性线性物之间的固定点是为了避免检测过程中塑料光纤与弹性线性物脱离,固定点具体数量可自行决定。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一的不同点在于:反向双螺旋的塑料光纤中反向双螺旋结构的长度T为4~6cm。自然状态下弹性线性物的长度为W,且T+6cm>W≥T。其他步骤及参数均与具体实施方式一相同。
T为反向双螺旋结构不受外力情况下的长度。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二的不同点在于:弹性线性物为弹性绳或螺旋线性伸缩物。其他步骤及参数均与具体实施方式一或二相同。
本实施方式中所述螺旋线性伸缩物为电话机听筒线或螺旋发圈。
本实施方式中塑料光纤反向双螺旋结构的半径与螺旋线性伸缩物的半径相匹配。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一的不同点在于:弹性线性物表面贴覆有胶带。其他步骤及参数均与具体实施方式一至三之一相同。
本实施方式弹性线性物表面贴覆的胶带可避免在测试拉伸时造成结构缺陷。
具体实施方式五:本实施方式光纤呼吸检测装置,包括激光器、光电探测器、采集卡和计算机,还包括具体实施方式一至四之一所述螺旋型塑料光纤呼吸传感器;
激光器的输出连接螺旋型塑料光纤呼吸传感器的输入端口,螺旋型塑料光纤呼吸传感器的输出端口连接光电探测器的输入端口,光电探测器的输出端口连接采集卡的采集端口,数据采集卡的输出接入计算机。
所述螺旋型塑料光纤呼吸传感器的弹性线性物的两端分别绑上一条延长绳,且延长绳须无弹性。延长绳用于将螺旋型塑料光纤呼吸传感器绑在人体腹部进行呼吸测试。
具体实施方式六:本实施方式螺旋型塑料光纤呼吸传感器的制备方法:将塑料光纤宏弯曲为反向双螺旋结构,然后将反向双螺旋的塑料光纤多点固定于自然状态的弹性线性物。
体实施方式七:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于:弹性线性物表面贴覆有胶带。其他步骤及参数均与具体实施方式六相同。
实施例1
本实施例螺旋型塑料光纤呼吸传感器的制备方法:
将一段处于水平自然状态的电话机听筒线(弹性线性物)固定在实验平台上;在电话机听筒线表面贴一层双面胶,用于固定塑料光纤。将长度为1m的塑料光纤从电话机听筒线的一端(起始端)沿着电话机听筒线的螺旋路径到电话机听筒线的另一端进行缠绕,然后进行反向螺旋式缠绕回到电话机听筒线的起始端,塑料光纤形成反向双螺旋结构,且两端各保留一定长度的塑料光纤用于连接激光器和光电探测器。实物如图1所示。
本实施例中电话机听筒线(即自然状态下)的长度为8cm,反向双螺旋的塑料光纤中反向双螺旋结构在不受外力情况下的长度为6cm。且本实施例中塑料光纤反向双螺旋结构的半径与电话机听筒线的半径相匹配,塑料光纤反向双螺旋结构的半径为5mm。
实施例2
光纤呼吸检测装置,包括激光器、光电探测器、采集卡和计算机,还包括实施例1所述螺旋型塑料光纤呼吸传感器;
激光器的输出连接螺旋型塑料光纤呼吸传感器的输入端口,螺旋型塑料光纤呼吸传感器的输出端口连接光电探测器的输入端口,光电探测器的输出端口连接采集卡的采集端口,数据采集卡的输出接入计算机。
所述螺旋型塑料光纤呼吸传感器的弹性线性物(即电话机听筒线)的两端分别绑上一条延长绳,且延长绳须无弹性。延长绳用于将螺旋型塑料光纤呼吸传感器绑在人体腹部进行呼吸测试。
本实施例中激光器采用功率为500mw、波长为532nm的连续激光器;采集卡的采集频率为64Hz。发出的光信号经光纤传感器强度调制后传输到光电探测器,光电探测器再将光信号转换为电信号,电信号被采集卡采集,之后利用计算机的Labview平台对采集卡采集到的数据进行收集和处理。
按压标定实验:
将长度为1m、直径为0.25mm的塑料光纤按图2所示(形成星型结构)盘绕在直径为5cm的塑料基片上。其中,盘绕原则是在增加交叉点个数的同时尽可能减少光纤的弯曲损耗。将厚度为0.1mm的铝箔固定在星型结构的交叉点上,目的是增大受力面积,增大形变量。再将两片厚度为1mm的PDMS膜分别贴附在星型结构两侧,制成星型结构的塑料光纤传感器,封装后的实物如图3所示。
制备PDMS膜的流程为将PDMS184光学胶灌封胶的组分A(膜基体)与组分B(固化剂)按12:1的体积比进行混合,倒入烧杯中进行充分搅拌半小时左右出现大量气泡,静置直至烧杯内的气泡完全消失(约一个小时)。将模具预热两分钟,预热温度为70℃。将静置好的混合溶液灌入模具中,放入温控箱加热3个小时。其中,预设温度为70℃。
将制备好的星型结构的塑料光纤传感器夹在两个硬板之间,利用节拍器对星型结构的塑料光纤传感器分别进行40min/次、50min/次、60次/min的手动按压。对按压信号进行傅里叶变换,得到按压频率与基频的线性关系y=59.873x+0.13。
对星型结构的塑料光纤传感器进行60次/min按压,所对应的按压信号如图4所示。当按压信号未发生时,参考电压值在1.378左右波动,底噪为0.04。当按压信号作用于星型结构的塑料光纤传感器的交叉点时,交叉点发生形变,部分光泄漏,光功率下降,导致参考电压值急速下降。每次手动按压的力度有差别导致每次按压的参考电压幅值变化幅度不同。
按压标定实验建立了按压频率与信号基频的对应关系;因手动力度不同,每次按压参考电压的变化幅度不同而产生的误差不影响实验结果。
人体呼吸测试:
用本实施例光纤呼吸检测装置进行人体呼吸测试,将光纤呼吸检测装置中的螺旋型塑料光纤呼吸传感器贴附在人体腹部。测量到的呼吸信号如图5所示,对其进行傅里叶变换得到频谱图(如图6所示),基频值为0.25Hz。将基频值0.25Hz代入到标定实验的线性关系y=59.873x+0.13中,得到人体的呼吸频率值为15Hz。
将光纤呼吸检测装置中的螺旋型塑料光纤呼吸传感器贴附在实验人员的腹部,通过节拍器实验人员有节奏性控制呼吸频率,其中实验人员分为2组,分别进行14次/min、16次/min呼吸。将光纤呼吸检测装置测得的呼吸频率和对应的基频值分别代入y=59.873x+0.13中,基本一致,说明本发明螺旋型塑料光纤呼吸传感器准确度高。
进行为期一个月的16次/min的重复性呼吸测试,检测结果发现呼吸信号的基频值都在0.263Hz左右,证明本发明螺旋型塑料光纤呼吸传感器的长期重复性和可靠性好。

Claims (10)

1.螺旋型塑料光纤呼吸传感器,其特征在于螺旋型塑料光纤呼吸传感器包括一根宏弯曲为反向双螺旋的塑料光纤和弹性线性物;
反向双螺旋的塑料光纤多点固定于弹性线性物。
2.根据权利要求1所述的螺旋型塑料光纤呼吸传感器,其特征在于反向双螺旋的塑料光纤中反向双螺旋结构的长度T为4~6cm。
3.根据权利要求1所述的螺旋型塑料光纤呼吸传感器,其特征在于自然状态下弹性线性物的长度为W,T+6cm>W≥T。
4.根据权利要求1所述的螺旋型塑料光纤呼吸传感器,其特征在于弹性线性物为弹性绳或螺旋线性伸缩物。
5.根据权利要求1所述的螺旋型塑料光纤呼吸传感器,其特征在于塑料光纤反向双螺旋结构中螺旋半径<10mm。
6.根据权利要求1所述的螺旋型塑料光纤呼吸传感器,其特征在于塑料光纤反向双螺旋结构中螺旋半径为5mm。
7.根据权利要求1所述的螺旋型塑料光纤呼吸传感器,其特征在于弹性线性物表面贴覆有胶带。
8.光纤呼吸检测装置,包括激光器、光电探测器、采集卡和计算机,其特征在于该光纤呼吸检测装置还包括权利要求1所述螺旋型塑料光纤呼吸传感器;
激光器的输出连接螺旋型塑料光纤呼吸传感器的输入端口,螺旋型塑料光纤呼吸传感器的输出端口连接光电探测器的输入端口,光电探测器的输出端口连接采集卡的采集端口,数据采集卡的输出接入计算机。
9.如权利要求1所述螺旋型塑料光纤呼吸传感器的制备方法,其特征在于该方法按以下步骤进行:
将塑料光纤宏弯曲为反向双螺旋结构,然后将反向双螺旋的塑料光纤多点固定于自然状态的弹性线性物。
10.根据权利要求9所述的螺旋型塑料光纤呼吸传感器的制备方法,其特征在于弹性线性物表面贴覆有胶带。
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