光纖布拉格光柵脈搏傳感織物的設(shè)計(jì)

田新宇， 楊 昆， 張 誠(chéng)

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 天津 300387)

光纖布拉格光柵脈搏傳感織物的設(shè)計(jì)

田新宇1， 楊 昆1， 張 誠(chéng)2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 天津 300387)

為在服裝中實(shí)現(xiàn)人體脈搏監(jiān)測(cè)的功能，提出了將光纖布拉格光柵作為脈搏傳感器的方法，并以針織復(fù)合組織為基礎(chǔ)，采用空氣層與其他組織相結(jié)合的織物結(jié)構(gòu)，制作脈搏傳感織物。該織物采用棉紗在Stoll CMS-320型電腦橫機(jī)上進(jìn)行編織，并利用針織物延伸性好以及回彈性好的優(yōu)點(diǎn)，將光纖布拉格光柵傳感器植入到織物的空氣層中。為驗(yàn)證脈搏傳感織物的檢測(cè)效果，使用紅外脈搏傳感器與該脈搏傳感織物同時(shí)進(jìn)行脈搏檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該脈搏傳感織物可低失真度地檢測(cè)到脈搏波，可實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵傳感器的封裝，同時(shí)也可更換傳感器，滿(mǎn)足服裝洗滌要求，且不影響穿著舒適性。

脈搏檢測(cè)； 光纖布拉格光柵傳感器； 針織物； 空氣層復(fù)合組織

脈搏波信號(hào)能反映人體心血管系統(tǒng)中部分生理或病理特征，可作為臨床診斷和治療的依據(jù)[1]。將脈搏檢測(cè)與服裝結(jié)合可實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏波，對(duì)監(jiān)測(cè)人體健康具有重要意義。光纖光柵是一種新型光學(xué)器件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好、易與光纖連接、使用靈活、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。布拉格光柵是利用摻雜光纖的光敏特性，通過(guò)某種工藝方法使外界入射的光和纖芯內(nèi)的摻雜粒子相互作用，導(dǎo)致纖芯折射率呈現(xiàn)周期性分布條紋并產(chǎn)生光柵效應(yīng)，具有高波長(zhǎng)選擇、插入損耗低等性能[4]。近年來(lái)，由于光纖布拉格光柵傳感器體積小，質(zhì)量輕，與紗線(xiàn)兼容性好，將其作為傳感元件受到了廣泛的關(guān)注[5-6]。

目前應(yīng)用光纖光柵傳感器已開(kāi)發(fā)出多種人體溫度[7]、脈搏[8]、呼吸[9]和心跳[10]的檢測(cè)裝置，這些檢測(cè)裝置主要采用縫合、粘貼或者綁縛的方式將傳感器固定在織物上。這些方法雖然可固定傳感裝置，但傳感器與織物并沒(méi)有構(gòu)成相對(duì)統(tǒng)一的整體，在使用過(guò)程中不能保證傳感器位置的完全穩(wěn)定，并且其穿著舒適性差，不易更換傳感器。

本文利用針織物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將光纖布拉格光柵傳感器植入到織物中，形成傳感織物，用于腕部橈動(dòng)脈的脈搏檢測(cè)?？椢锊粌H對(duì)傳感器起到了保護(hù)作用，而且還可保證傳感器檢測(cè)位置的準(zhǔn)確和穩(wěn)定，為智能服裝的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供了1種實(shí)現(xiàn)方法。

1 光纖光柵傳感器

光纖布拉格光柵傳感器是將光纖光柵粘貼在敏感元件結(jié)構(gòu)表面或嵌于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，由于光纖光柵的反射或透射峰的波長(zhǎng)與介質(zhì)折射率有關(guān)，當(dāng)敏感元件因受應(yīng)力或熱負(fù)荷發(fā)生變形時(shí)，光纖光柵的反射或透射峰波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生漂移，通過(guò)對(duì)中心波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力或溫度的監(jiān)測(cè)[11-12]。由于脈搏振動(dòng)會(huì)對(duì)光纖光柵施加一定的壓力，使中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)檢測(cè)到的波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)濾波處理后可得到脈搏波。

本文使用MOI—os3200非金屬光纖光柵傳感器，如圖1所示，其性能參數(shù)如表1所示。

性能特征參數(shù)應(yīng)變靈敏度/(pm·με-1)12傳感器標(biāo)距/mm10工作溫度范圍/℃-40～60(最高80)應(yīng)變范圍/με±5000最大漂移量/με<50中心波長(zhǎng)/nm154884(±1)峰值反射率/%>70FWHM(-3dB)半高寬/nm025(±01；切趾光柵)

os3200非金屬光纖光柵傳感器精度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，在惡劣環(huán)境下性能穩(wěn)定，具有抗機(jī)械疲勞等特性。該傳感器采用熱塑性橡膠材料作為敏感元件，使傳感器更易與織物相結(jié)合，也滿(mǎn)足穿用舒適性的要求。

2 傳感織物的設(shè)計(jì)與制作

2.1 總體設(shè)計(jì)

將光纖光柵傳感器植入到織物中，即不能損傷光纖光柵傳感部分和尾纖部分，并且要保證傳感器與織物的位置穩(wěn)定性，同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)傳感器更換的便利，因此本研究利用針織物彈性好的優(yōu)勢(shì)，采用空氣層復(fù)合織物結(jié)構(gòu)如圖2所示?？椢锓譃?部分，其中第1部分為提花組織，使用芝麻點(diǎn)反面；第2部分為空氣層組織，其中A、B 2部分分別由2根紗線(xiàn)編織而成，并且分別形成空氣層結(jié)構(gòu)，B部分是按照光纖光柵傳感器的形狀尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。在織物下機(jī)后，利用針織物延伸性好的優(yōu)勢(shì)，將光纖光柵傳感器穿入到B部分中，從而實(shí)現(xiàn)光纖光柵的封裝，將光纖光柵傳感器完全植入到織物中，構(gòu)成傳感織物。

2.2 編織設(shè)備及參數(shù)

采用德國(guó)Stoll公司CMS-320型電腦橫機(jī)編織織物。由于棉紗較柔軟，毛羽較多，摩擦因數(shù)較大，織物表面較粗糙，手感柔軟，彈性好，對(duì)光纖光柵傳感器靈敏度的影響較小，因此，使用棉紗進(jìn)行編織。為方便確定傳感器的位置，采用線(xiàn)密度為30 tex的湖藍(lán)色棉紗和綠色棉紗進(jìn)行編織，同時(shí)2種紗線(xiàn)分別使用2合股的編織方式，其工藝參數(shù)如表2所示。

表2 編織工藝參數(shù)Tab.2 Knitting parameters

2.3 編織工藝設(shè)計(jì)

織物的編織圖如圖3所示。圖中第1部分是提花組織，第2部分是空氣層組織。根據(jù)空氣層部分的織物密度(縱密為67 橫列/5 cm，橫密為32 縱行/5 cm)，以及光纖光柵傳感器的尺寸(3.0 cm×0.6 cm)，將空氣層部分設(shè)計(jì)為8個(gè)工藝行，其中光纖光柵傳感器部分為19針。

2.4 織物效果

傳感織物整體效果如圖4所示，圖中已將光纖光柵傳感器植入到織物中。織物正反面中光纖光柵傳感器部分分別是由綠色棉紗和湖藍(lán)色棉紗編織而成，并且結(jié)構(gòu)相同?？椢锿庥^(guān)平整光滑，與傳感器形成統(tǒng)一的整體，并對(duì)傳感器起到了保護(hù)作用。織物使用2種顏色的紗線(xiàn)，可在織物中標(biāo)記出傳感器的位置，對(duì)使用者進(jìn)行提示，便于使用。

3 脈搏檢測(cè)及其分析

3.1 脈搏檢測(cè)

光纖光柵傳感器是利用光纖光柵檢測(cè)血管壁壓力的變化，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理輸出與脈搏跳動(dòng)同步的脈沖信號(hào)，同時(shí)，在臨床上用于脈率計(jì)數(shù)和監(jiān)測(cè)的指夾式HKG-07B紅外脈搏傳感器，是通過(guò)紅外檢測(cè)脈沖信號(hào)。因此，為驗(yàn)證光纖光柵傳感織物的靈敏度，使用指夾式HKG-07B紅外脈搏傳感器與該光纖光柵傳感織物進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。測(cè)試時(shí)，將傳感織物放于腕部橈動(dòng)脈處，并將光纖光柵與橈動(dòng)脈平行放置，在光纖光柵傳感器上方施加一定的壓力；然后將紅外傳感器佩戴在食指上進(jìn)行測(cè)試。將光纖光柵傳感器的一端接入SM130波長(zhǎng)解調(diào)儀，對(duì)檢測(cè)到的脈搏波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并采集數(shù)據(jù)。將紅外脈搏傳感器連接信號(hào)采集板，然后接入電腦中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

使用MatLab對(duì)檢測(cè)到的脈搏信號(hào)進(jìn)行繪圖分析，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MatLab繪制出脈搏波，如圖5所示。將脈搏信號(hào)進(jìn)行低通濾波和高通濾波處理，分別得到純凈的脈搏波信號(hào)和疊加在采樣信號(hào)中的噪聲幅度，計(jì)算出脈搏波的平均幅度、幅度的變異系數(shù)(CV值)以及噪聲幅度與波形幅度比(f)，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

傳感器幅度CV值f紅外脈搏傳感器0174685?00495520029744光纖光柵傳感織物0051073#00498240023347

注：*紅外脈搏傳感器的幅度，單位為V；#光纖光柵傳感織物的幅度，單位為nm。

由檢測(cè)到的脈搏波可看出，紅外脈搏傳感器和光纖光柵脈搏傳感器均可檢測(cè)出脈搏波信號(hào)。二者的脈搏波形有所不同，是由于二者分別是通過(guò)電壓和波長(zhǎng)反映脈搏波，從而造成二者在幅度上產(chǎn)生區(qū)別。由于光纖光柵傳感器檢測(cè)的脈搏波的幅度變異系數(shù)、噪聲/幅度均與紅外脈搏傳感器相近似，并且脈搏波的整體形狀和趨勢(shì)都基本相同，符合人體正常脈搏波，因此該光纖光柵傳感器織物可低失真度的檢測(cè)到脈搏波。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)采用空氣層組織和提花組織相結(jié)合的針織結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了光纖光柵傳感器在織物中的封裝，并通過(guò)脈搏檢測(cè)驗(yàn)證了該傳感織物可正常檢測(cè)脈搏波。這樣的設(shè)計(jì)既方便更換傳感器，又保證了傳感器的位置穩(wěn)定，同時(shí)也滿(mǎn)足了穿著舒適性的要求。

將光纖光柵脈搏傳感器封裝到織物中與織物形成統(tǒng)一整體，有利于將光纖光柵傳感器集成到服裝中，從而制作成智能服裝，用于人體生理指標(biāo)的檢測(cè)。在此研究的基礎(chǔ)上，還可將人體生理檢測(cè)進(jìn)一步完善，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸、心跳、血壓等生理參數(shù)的檢測(cè)，為人體健康監(jiān)測(cè)工作和智能服裝領(lǐng)域提供更多的方法。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(61307094)；天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金項(xiàng)目(20140713)

田新宇(1991—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)楣饫w智能紡織品。楊昆，通信作者，E-mail：tjkyang@126.com。

10.13475/j.fzxb.20150902704

TS 186.9；TS 106.5

A