医用光纤光栅温度传感技术的研究*

宋大伟 周大猛 李广武 刘 天

现代大型医疗检测仪器多数使用高频电流、微波和X射线，这对温度测量传感器具有很强的电磁干扰。在这种情况下，使用抗干扰能力极强的光纤光栅温度测量具有重要意义。光纤光栅传感器具有结构简单，体积小巧等优点，在医学领域具有很重要的应用价值。在目前许多医学测量应用中，传统的水银温度计(需要人工清零)和热敏电阻体温计(抗干扰能力差)已不适用。经过聚合物等材料进行特殊封装的光纤光栅能够精密测量温度、应变和压力，光纤光栅温度传感器可用于体温的测量[1-7]。应用光纤光栅的测量技术能够克服传统传感器的不足，在医疗领域中属于前沿的传感技术，具有广阔的应用前景[8]。

本研究显示，光纤光栅在医学实际应用中采用扫描激光解调技术和LabVIEW虚拟仪器相结合的技术是可取的，采用的高速光纤光栅解调仪是根据自身的需要而刻意设计服务于医院医疗诊治。

1 温度传感测试系统

1.1 系统的设计

该设计以高速CPU为计算控制中心，控制高速波长扫描激光的波长变化。4个光纤传感光路通过光纤分路器被注入了变化的激光，定义每个光路为一个医用传感仪，通过测量，每个光路的波长范围可达80 nm，可最大限度的接入40个以上的光纤光栅传感器。4个通道可以无时间延迟的同步采集。由PIN光电探测器将光纤分路器返回的信号转换为电信号。如果电信号是模拟信号，再通过转换电路(模—数)转换成数据，进入解调仪内CPU进行数据处理。经过解调仪解调出的光纤光栅的中心波长，经过通信网络传输到监控计算机，通过专门为此设计的图形分析软件进行显示和存储[9-10]。传感仪采集的是变化的信号，在此实验系统专门用来采集温度变化致使返回波长的改变，计算成数据输出(如图1所示)。

1.2 实验标定线性函数

根据光纤光栅温度测量实验数据得出的线性拟和函数[11-13]：Y=1546.79269＋0.01039×X

图1 解调仪内部结构简图

由实验数据函数经过数学分析可以得出结论，布拉格光纤光栅波长基于温度的变化近似于线性变化，温度补偿的可行性在实验中得到了证实。本次实验中的8个传感器有两组数据很不理想，他的线性度极差，经分析主要原因是产生不理想数据的传感器是被固定在其他6个传感器的中间，跟待测液体没有完全直接的接触，极大的影响了液体的热量和传感器之间的及时交换，从而造成了这些传感器测量数据的不理想。据此，在实际测量环境当中一定要保证传感器与待测环境有充分的表面接触，这些直接决定了测量的灵敏度和准确度。

2 光纤光栅温度传感实验

实验过程如图2、图3所示。采用聚合物封装好的光纤光栅测量人体温度变化，然后水银温度计进行对照，分析出2个传感器的优缺点，初步得出光纤光栅温度计能够实时显示温度的变化，而水银体温计只能读到某一时刻的温度，且在一些特殊情况下只能用光纤光栅温度计而不能应用水银体温计。

图2 医用光纤光栅测温系统显示界面

图3 医用光纤光栅测温系统试验数据曲线

图2表明，光纤光栅能够快速的跟人体达到一样的温度，比水银体温计更直观而快速。

3 结论与展望

本实验研究的是医用光纤光栅温度传感器，采用的是光纤布拉格光栅。当外界某些因素作用在光栅上时引起中心反射波长的变化，通过观察波长的变化来察觉一切作用在光纤光栅上的物理量的变化，这正是光纤光栅的传感原理。其中，温度和应变是引起光栅中心反射波长变化的两个最基本的物理量，其他物理量都是基于这两个物理量衍生出来的，由此可以设计多种类型的光纤光栅传感器。另外，在实验中也存在着一些问题，如光栅所感应的温度不能如实准确记录，故不能准确得出输出反射波长与温度的响应曲线，对这一问题需要改进。理论和实践证明，将光纤光栅传感解调系统应用于医学领域切实可行，具有极好的现实意义。

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