光纤布拉格光栅脉搏传感织物的设计

田新宇， 杨 昆， 张 诚

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 电子与信息工程学院， 天津 300387)

光纤布拉格光栅脉搏传感织物的设计

田新宇1， 杨 昆1， 张 诚2

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 电子与信息工程学院， 天津 300387)

为在服装中实现人体脉搏监测的功能，提出了将光纤布拉格光栅作为脉搏传感器的方法，并以针织复合组织为基础，采用空气层与其他组织相结合的织物结构，制作脉搏传感织物。该织物采用棉纱在Stoll CMS-320型电脑横机上进行编织，并利用针织物延伸性好以及回弹性好的优点，将光纤布拉格光栅传感器植入到织物的空气层中。为验证脉搏传感织物的检测效果，使用红外脉搏传感器与该脉搏传感织物同时进行脉搏检测，实验结果表明，该脉搏传感织物可低失真度地检测到脉搏波，可实现光纤布拉格光栅传感器的封装，同时也可更换传感器，满足服装洗涤要求，且不影响穿着舒适性。

脉搏检测； 光纤布拉格光栅传感器； 针织物； 空气层复合组织

脉搏波信号能反映人体心血管系统中部分生理或病理特征，可作为临床诊断和治疗的依据[1]。将脉搏检测与服装结合可实时检测脉搏波，对监测人体健康具有重要意义。光纤光栅是一种新型光学器件，具有结构简单、成本低、稳定性好、易与光纤连接、使用灵活、抗电磁干扰等优点[2-3]。布拉格光栅是利用掺杂光纤的光敏特性，通过某种工艺方法使外界入射的光和纤芯内的掺杂粒子相互作用，导致纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生光栅效应，具有高波长选择、插入损耗低等性能[4]。近年来，由于光纤布拉格光栅传感器体积小，质量轻，与纱线兼容性好，将其作为传感元件受到了广泛的关注[5-6]。

目前应用光纤光栅传感器已开发出多种人体温度[7]、脉搏[8]、呼吸[9]和心跳[10]的检测装置，这些检测装置主要采用缝合、粘贴或者绑缚的方式将传感器固定在织物上。这些方法虽然可固定传感装置，但传感器与织物并没有构成相对统一的整体，在使用过程中不能保证传感器位置的完全稳定，并且其穿着舒适性差，不易更换传感器。

本文利用针织物的结构特点，将光纤布拉格光栅传感器植入到织物中，形成传感织物，用于腕部桡动脉的脉搏检测。织物不仅对传感器起到了保护作用，而且还可保证传感器检测位置的准确和稳定，为智能服装的进一步开发提供了1种实现方法。

1 光纤光栅传感器

光纤布拉格光栅传感器是将光纤光栅粘贴在敏感元件结构表面或嵌于结构内部，由于光纤光栅的反射或透射峰的波长与介质折射率有关，当敏感元件因受应力或热负荷发生变形时，光纤光栅的反射或透射峰波长会发生漂移，通过对中心波长监测可实现对应力或温度的监测[11-12]。由于脉搏振动会对光纤光栅施加一定的压力，使中心波长发生变化，通过对检测到的波长信号进行解调滤波处理后可得到脉搏波。

本文使用MOI—os3200非金属光纤光栅传感器，如图1所示，其性能参数如表1所示。

性能特征参数应变灵敏度/(pm·με-1)12传感器标距/mm10工作温度范围/℃-40～60(最高80)应变范围/με±5000最大漂移量/με<50中心波长/nm154884(±1)峰值反射率/%>70FWHM(-3dB)半高宽/nm025(±01；切趾光栅)

os3200非金属光纤光栅传感器精度高，长期稳定性好，在恶劣环境下性能稳定，具有抗机械疲劳等特性。该传感器采用热塑性橡胶材料作为敏感元件，使传感器更易与织物相结合，也满足穿用舒适性的要求。

2 传感织物的设计与制作

2.1 总体设计

将光纤光栅传感器植入到织物中，即不能损伤光纤光栅传感部分和尾纤部分，并且要保证传感器与织物的位置稳定性，同时也要实现传感器更换的便利，因此本研究利用针织物弹性好的优势，采用空气层复合织物结构如图2所示。织物分为2部分，其中第1部分为提花组织，使用芝麻点反面；第2部分为空气层组织，其中A、B 2部分分别由2根纱线编织而成，并且分别形成空气层结构，B部分是按照光纤光栅传感器的形状尺寸进行设计。在织物下机后，利用针织物延伸性好的优势，将光纤光栅传感器穿入到B部分中，从而实现光纤光栅的封装，将光纤光栅传感器完全植入到织物中，构成传感织物。

2.2 编织设备及参数

采用德国Stoll公司CMS-320型电脑横机编织织物。由于棉纱较柔软，毛羽较多，摩擦因数较大，织物表面较粗糙，手感柔软，弹性好，对光纤光栅传感器灵敏度的影响较小，因此，使用棉纱进行编织。为方便确定传感器的位置，采用线密度为30 tex的湖蓝色棉纱和绿色棉纱进行编织，同时2种纱线分别使用2合股的编织方式，其工艺参数如表2所示。

表2 编织工艺参数Tab.2 Knitting parameters

2.3 编织工艺设计

织物的编织图如图3所示。图中第1部分是提花组织，第2部分是空气层组织。根据空气层部分的织物密度(纵密为67 横列/5 cm，横密为32 纵行/5 cm)，以及光纤光栅传感器的尺寸(3.0 cm×0.6 cm)，将空气层部分设计为8个工艺行，其中光纤光栅传感器部分为19针。

2.4 织物效果

传感织物整体效果如图4所示，图中已将光纤光栅传感器植入到织物中。织物正反面中光纤光栅传感器部分分别是由绿色棉纱和湖蓝色棉纱编织而成，并且结构相同。织物外观平整光滑，与传感器形成统一的整体，并对传感器起到了保护作用。织物使用2种颜色的纱线，可在织物中标记出传感器的位置，对使用者进行提示，便于使用。

3 脉搏检测及其分析

3.1 脉搏检测

光纤光栅传感器是利用光纤光栅检测血管壁压力的变化，经过信号处理输出与脉搏跳动同步的脉冲信号，同时，在临床上用于脉率计数和监测的指夹式HKG-07B红外脉搏传感器，是通过红外检测脉冲信号。因此，为验证光纤光栅传感织物的灵敏度，使用指夹式HKG-07B红外脉搏传感器与该光纤光栅传感织物进行对比试验。测试时，将传感织物放于腕部桡动脉处，并将光纤光栅与桡动脉平行放置，在光纤光栅传感器上方施加一定的压力；然后将红外传感器佩戴在食指上进行测试。将光纤光栅传感器的一端接入SM130波长解调仪，对检测到的脉搏波信号进行解调并采集数据。将红外脉搏传感器连接信号采集板，然后接入电脑中进行数据采集。

3.2 测试结果与分析

使用MatLab对检测到的脉搏信号进行绘图分析，将数据导入MatLab绘制出脉搏波，如图5所示。将脉搏信号进行低通滤波和高通滤波处理，分别得到纯净的脉搏波信号和叠加在采样信号中的噪声幅度，计算出脉搏波的平均幅度、幅度的变异系数(CV值)以及噪声幅度与波形幅度比(f)，测试结果如表3所示。

传感器幅度CV值f红外脉搏传感器0174685∗00495520029744光纤光栅传感织物0051073#00498240023347

注：*红外脉搏传感器的幅度，单位为V；#光纤光栅传感织物的幅度，单位为nm。

由检测到的脉搏波可看出，红外脉搏传感器和光纤光栅脉搏传感器均可检测出脉搏波信号。二者的脉搏波形有所不同，是由于二者分别是通过电压和波长反映脉搏波，从而造成二者在幅度上产生区别。由于光纤光栅传感器检测的脉搏波的幅度变异系数、噪声/幅度均与红外脉搏传感器相近似，并且脉搏波的整体形状和趋势都基本相同，符合人体正常脉搏波，因此该光纤光栅传感器织物可低失真度的检测到脉搏波。

4 结 论

本文通过采用空气层组织和提花组织相结合的针织结构，设计实现了光纤光栅传感器在织物中的封装，并通过脉搏检测验证了该传感织物可正常检测脉搏波。这样的设计既方便更换传感器，又保证了传感器的位置稳定，同时也满足了穿着舒适性的要求。

将光纤光栅脉搏传感器封装到织物中与织物形成统一整体，有利于将光纤光栅传感器集成到服装中，从而制作成智能服装，用于人体生理指标的检测。在此研究的基础上，还可将人体生理检测进一步完善，实现对呼吸、心跳、血压等生理参数的检测，为人体健康监测工作和智能服装领域提供更多的方法。

FZXB

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Design of pulse sensing fabric based on fiber Bragg grating

TIAN Xinyu1, YANG Kun1, ZHANG Cheng2

(1.SchoolofTextile,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China;2.SchoolofElectronicandInformationEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to monitor the pulse of the wearer in the garment, in this study, a way was proposed to produce a fabric sensor by integrating fiber Bragg grating sensor into a composed knitted structure, which was specially designed by combining the air layer stitch with jacquard stitches. The composite structure is knitted from cotton yarns on a Stoll CMS-320 computerized flat knitting machine. Then, by taking advantages of good extensibility and elasticity of knitted structures, the fiber Bragg grating sensor was implanted into the structure and a sensing fabric was produced finally. For evaluating the effectiveness of the pulse sensing fabric, a test was conducted and the infrared pulse sensor was also involved for comparison. Analysis of test results reveals that the pulse sensing fabric has good stability and reliability in detecting wearers′ pulse, and it is also washable and comfortable.

pulse detection; fiber Bragg grating sensor; knitted fabric; air layer composite stitch

2015-09-14

2016-03-04

国家自然科学基金青年基金项目(61307094)；天津市高等学校科技发展基金项目(20140713)

田新宇(1991—)，女，硕士生。主要研究方向为光纤智能纺织品。杨昆，通信作者，E-mail：tjkyang@126.com。

10.13475/j.fzxb.20150902704

TS 186.9；TS 106.5

A