[发明专利]一种人体有创压力温度多参量实时光纤检测方法与系统

权利要求书

1.一种人体有创压力温度多参量实时光纤检测系统，其特征在于：该系统包括：

微泡光纤F-P压力传感器，用于检测人体血液或颅内的压力；

解调仪，与所述微泡光纤F-P压力传感器连接，用于接收微泡光纤F-P压力传感器输出的光信号，并对其进行解调转化为电信号；

上位机，与所述解调仪连接，用于接收解调仪输出的电信号，显示人体血液或颅内的压力情况；

其中，微泡光纤F-P压力传感器包括相互连接的单模光纤和多模光纤，所述单模光纤通过光纤跳线与所述解调仪连接，且设置有光纤光栅FBG；所述多模光纤一端与单模光纤连接，另一端设置有微泡F-P腔；由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构固定于内管中；内管固定于外管中；

当所述微泡光纤F-P压力传感器置于人体内时，因受到压力影响，微泡F-P腔的腔长发生变化，微泡光纤F-P压力传感器外部压力与微泡F-P腔的腔长关系如下：

式中，ΔP为微泡光纤F-P压力传感器外部所受压力与微泡F-P腔内部压力的压力差，ΔL为微泡F-P腔的腔长变化量，R为微泡F-P腔内径，t为微泡F-P腔壁厚，θ为外界压力方向与微泡F-P腔横截面所夹锐角，E为多模光纤的杨氏模量，v为多模光纤的泊松比；

所述单模光纤与多模光纤连接方式如下：

将所述单模光纤和多模光纤固定在一光纤熔接机的固定端，利用光纤熔接机的电极放电使单模光纤和多模光纤相互熔接；

所述微泡F-P腔形成方法如下：

将多模光纤远离单模光纤的一端使用光纤切割机切平，以减短多模光纤的长度，并将切平的一端浸入氢氟酸溶液中，至多模光纤纤芯处形成凹陷；

随后将连接的多模光纤和单模光纤放入光纤熔接机，并夹持住单模光纤一端，电极调整放电时间和强度后在多模光纤凹陷一端放电，直至形成微泡F-P腔。

2.根据权利要求1所述的人体有创压力温度多参量实时光纤检测系统，其特征在于：所述单模光纤和多模光纤均为石英材质，便于进行加工处理。

3.根据权利要求1所述的人体有创压力温度多参量实时光纤检测系统，其特征在于：所述内管为毛细玻璃管，所述外管为不锈钢管，使微泡光纤F-P压力传感器具有良好的生物兼容性。

4.根据权利要求1所述的人体有创压力温度多参量实时光纤检测系统，其特征在于：所述光纤结构与内管固定方式如下：

在内管一端的内侧涂抹粘结剂，将单模光纤一端由此端套入内管，使粘结剂均匀地粘接在微泡F-P腔的底部，并在内管的另一端使用粘结剂固定单模光纤；待粘结剂固化后利用电极放电焊接微泡F-P腔与内管。

5.根据权利要求1所述的人体有创压力温度多参量实时光纤检测系统，其特征在于：所述光纤光栅FBG在内管中呈松弛状态，以避免受到应变影响。

6.根据权利要求1所述的人体有创压力温度多参量实时光纤检测系统，其特征在于：所述微泡F-P腔的顶端距离所述外管一端的端面缩进设置2～2.5mm，以避免微泡F-P腔受到破坏。

7.根据权利要求1-6任一所述的人体有创压力温度多参量实时光纤检测系统实现的人体有创压力温度多参量实时光纤检测方法，其特征在于：该方法具体为：

当所述微泡光纤F-P压力传感器置于人体内时，因受到压力影响，微泡F-P腔的腔长发生变化，微泡光纤F-P压力传感器外部压力与微泡F-P腔的腔长关系如下：

式中，ΔP为微泡光纤F-P压力传感器外部所受压力与微泡F-P腔内部压力的压力差，ΔL为微泡F-P腔的腔长变化量，R为微泡F-P腔内径，t为微泡F-P腔壁厚，θ为外界压力方向与微泡F-P腔横截面所夹锐角，E为多模光纤的杨氏模量，v为多模光纤的泊松比；

利用相位解调方法，得到微泡F-P腔的腔长变化量与光的特征参量的对应关系；具体采用宽带光源进行相位解调，微泡光纤F-P压力传感器输出光谱I(λ)表示为：

I(λ)＝a(λ)+b(λ)cos(Φ)

式中a(λ)为系统背景光信号，b(λ)为白光干涉信号的对比度，Φ为干涉光谱的相位，Φ表示为：

对应波长λ₁和波长λ₂的相位差ΔΦ表示为：

归一化干涉光谱中某个特定级次m的波谷λ_m满足条件：

微泡F-P腔的腔长与干涉光谱的波长与相位关系如下：

其中，L为微泡F-P腔的腔长，λ为干涉光谱波长，为干涉光谱相位，m为单一波峰的干涉级次；干涉级次m表示为：

通过光纤光栅FBG的中心波长漂移与温度变化的关系，实现对微泡光纤F-P压力传感器的温度补偿；光纤光栅FBG同时受到应变和温度变化的影响，光纤光栅FBG中心波长漂移与温度和应变变化的关系为：

其中，Δλ是光纤光栅FBG中心波长的变化量，λ是光纤光栅FBG在自然状态下的中心波长，ρ_e是有弹光系数，Δε是光纤光栅FBG的应变变化量，α是光纤光栅FBG的热膨胀系数，η是热光系数，ΔT是温度变化量；光纤光栅FBG中心波长漂移与温度变化关系表示为：

Δλ＝K₁ΔT

其中，常数K₁＝λ(α+η)为所述光纤光栅FBG的温度测量灵敏度；微泡F-P腔的腔长受温度和压力的共同影响，表达式为：

ΔL＝K₂ΔP+K₃ΔT

其中，K₂为微泡光纤F-P压力传感器的压力灵敏度，K₃为微泡F-P腔的温度系数；实际压力变化ΔP、温度变化ΔT与光纤光栅FBG中心波长漂移量Δλ、微泡F-P腔的腔长变化量ΔL的关系为：

根据上式，获取光纤光栅FBG的中心波长漂移量则得出微泡光纤F-P压力传感器的实际压力变化以及温度变化，从而得到人体内有创压力及温度参数。