[发明专利]基于光纤布拉格光栅的智能服装人体测温模型

说明书

技术领域

本发明属于智能服装技术领域，具体涉及到用于智能服装中光纤布拉格光栅温度场的数学模型和人体温度加权模型建模。

背景技术

智能服装是电子信息学科、材料学科、纺织学科及其它相关学科结合与交叉的产物。它是指对环境条件或因素有感知并能做出响应的服装，即不仅能够感知人体外部环境或内部状态的变化，而且通过反馈机制，能实时地对这种变化做出反应，具有实时监测等特点。

在国外，智能服装的研究始于二十世纪八十年代初，由于当时电子信息技术比较落后，所以智能服装的发展十分缓慢，其体积庞大而累赘，且功能单一，因此智能服装的应用受到限制，主要应用在航空航天、军事军工等特殊领域。近几年来，随着电子信息科学的发展，智能服装已成为国外的重要研究课题。

2000年美国佐治亚科技研究公司研究了一种织物。该织物中可埋入光纤传感器，用于监视穿衣人的生理信息，如脉搏、呼吸速率、体温等。2003年美国佐治亚理工学院Sundaresan Jayaraman教授将光纤光栅传感器植入衬衣来探测心率的变化，并根据光纤断裂后光输出信号的变化来判断士兵受伤的部位和程度。

目前国内对智能服装的研究和开发还处在起步阶段。2006年香港理工大学陶肖明提出了一种交互式的织物和智能纺织品，其中提到以聚合物光子纤维为基础的传输和传感网络能够感知力、温度、变形等智能纺织品的应用。2007年东华大学丁永生提出了基于ZigBee和蓝牙技术的嵌入式可穿戴智能服装，在服装中嵌入生物传感器来检测人体生理信号。国内已有智能服装的研究侧重于聚合物光纤结构、分立传感元件或处理电路搭建的智能织物或智能服装。

光纤光栅是一种新型的光无源器件，具有制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、可织入服装等诸多优点。由于光纤布拉格光栅体积小而重量轻，与纱线兼容并可织入织物内部，因此是构成智能服装最有潜力的传感元件材料。

发热是许多疾病的早期症状，因此人体体温测量在疾病早期发现、及时诊断与治疗上具有重要意义。本发明以温度智能服装为切入点，公开温度智能服装中光纤布拉格光栅温度场的数学模型、人体温度加权模型的实现方法，根据解剖学原理将人体划分成若干解剖结构相同、温度分布相似的部位，放置光纤布拉格光栅传感器，实现适用于智能服装的光纤布拉格光栅温度场数学模型和人体温度加权模型等，从而得到人体实际体温值。

发明内容

本发明的目的是根据热量传递机理建立智能服装中光纤布拉格光栅温度场的数学模型，确定光纤布拉格光栅所测温度与实际温度之间的关系，利用该结果对光纤布拉格光栅所测温度值进行修正，得到人体皮肤的实际温度。在多点加权皮肤平均温度的基础上，建立由左右胸、左右腋和后背五处皮肤温度构成的智能服装人体温度加权模型。

本发明所采用的技术方案是：从人体生理学基础理论、人体热平衡及服装热传递理论等方面研究智能服装在穿着过程中的热传递机理，从微观和宏观上对智能服装热传递过程进行分析和研究，并从理论上对人体皮肤-空气-服装(传感器)三者之间的热传递进行公式推导，给出人体皮肤-空气-服装(传感器)之间热传递的计算公式，用ANSYS软件将微小气候空气层分解为有限数目的网格单元，将温度场各微分方程变换为节点方程，通过数值计算求得各网格单元节点的温度。在多点加权皮肤平均温度的基础上，建立由左右胸、左右腋和后背五处皮肤温度构成的智能服装人体温度加权模型。根据实际人体温度和修正过的光纤布拉格光栅测量温度数据，建立和求解加权系数C1、C2、C3、C4、C5。

本发明的效果和益处是：利用此加权系数计算得到的人体温度测量误差在±0.2℃，并考虑了光纤布拉格光栅传感器损坏等特殊情况下的加权系数调整。据此可以得出智能服装中分布式光纤布拉格光栅传感器所测温度经加权处理后可以作为临床医学人体腋下温度使用。

附图说明

图1是人体、空气层和服装之间的热传递物理模型示意图；

图2是筒状微元体示意图；

图3是智能服装人体测温实验系统构成示意图。

其中：

1：光纤光栅传感器    2：人体

3：空气层            4：服装

5：环境              6：半径r

7：厚度dr            8：长1

9：1×2耦合器        10：FP滤波器

11：隔离器           12：SLED光源

13：驱动电压         14：光电探测器