一種用于人體測溫的高精度FBG傳感器

于海鷹，秦旭輝，劉耀東，王艷艷，王 猛

（山東建筑大學(xué)，濟(jì)南250101）

一種用于人體測溫的高精度FBG傳感器

于海鷹，秦旭輝，劉耀東，王艷艷，王 猛

（山東建筑大學(xué)，濟(jì)南250101）

設(shè)計(jì)并制作出一種用于人體測溫的高精度光纖布喇格光柵（FBG）傳感器，介紹了FBG溫度傳感的原理，描述了該傳感器的性能。為測試不同封裝材料和形式對FBG傳感精度的影響，另外制作了3種FBG溫度傳感器，并進(jìn)行了對比試驗(yàn)。

光纖布喇格光柵；人體測溫；溫度傳感器；增敏封裝

0 引言

在醫(yī)療領(lǐng)域，對人體溫度的準(zhǔn)確測量是非常重要的[1]，有些治療手段（如腫瘤熱療）需要在強(qiáng)電磁或超聲波環(huán)境下獲得精確的體溫[2～5]，但在強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，常規(guī)儀器很難準(zhǔn)確測出體溫。溫度傳感器可以對溫度進(jìn)行較精確的測量，但目前同時(shí)具備抗電磁干擾和高精度特性的溫度傳感器并不多。光纖布喇格光柵（FBG）傳感器可以解決電磁干擾的問題，但裸光纖FBG的靈敏度系數(shù)在室溫下僅為11.15pm/℃，不能滿足人體測溫的要求，需要對其進(jìn)行增敏封裝。因此，本文提出一種用于人體測溫的、能抗電磁干擾且分辨率和測量精度都較高的聚丙烯（PP）-FBG傳感器[6]。

1 FBG溫度傳感原理

FBG是一種等周期的光纖光柵，光柵通過相位掩膜法制備。在制備過程中光柵柵區(qū)內(nèi)的光纖折射率會發(fā)生規(guī)律性變化。FBG傳感光路圖如圖1所示，當(dāng)入射光從光纖的一端進(jìn)入光柵后，滿足特定波長的光會發(fā)生反射，其余的光會透射出光纖成為透射光。這個(gè)特定波長稱為該FBG的布喇格波長，用λB表示。由光纖波導(dǎo)理論可知，當(dāng)滿足相位匹配條件時(shí)，λB由纖芯折射率n和光柵周期[7]Λ決定，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

圖1 FBG傳感光路圖

由于n和Λ相互獨(dú)立，λB的增量ΔλB可以表示為：

因?yàn)闇囟然驊?yīng)變的變化會引起FBG的Λ和n變化，所以我們在一定條件下檢測出ΔλB即可計(jì)算得到應(yīng)變或溫度的變化。在應(yīng)變?yōu)槌?shù)的情況下，溫度的改變會使FBG延軸向發(fā)生變化，設(shè)溫度變化ΔT引起的光柵周期變化量為ΔΛ，熱光效應(yīng)引起的折射率變化量為Δn，則ΔΛ和Δn的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為：

其中，α為光纖材料的熱膨脹系數(shù)，ξ為熱光系數(shù)。將式（3）、式（4）代入式（2）中整理得：

確定FBG的材料后，在一定范圍內(nèi)α和ξ為常數(shù)。由式（5）可知，ΔλB/λB與ΔT間呈線性變化，通過測量FBG的ΔλB，即可以計(jì)算出ΔT，這就是FBG溫度傳感器的原理。FBG溫度靈敏度系數(shù)KT描述了FBG溫度變化的靈敏度，將KT=(α+ξ)λB代入式（5）整得：

2 新型FBG溫度傳感器

2.1 PP-FBG溫度傳感器的結(jié)構(gòu)

由于PP板具有增敏效果好、抗電磁干擾能力強(qiáng)和穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，因此，本文設(shè)計(jì)的PP-FBG溫度傳感器采用雙層聚丙烯基底封裝，尺寸為40mm×16mm× 2mm(×2)。其中一層基底上刻有橫截面為0.5mm× 0.5mm的矩形槽，用于放置光纖光柵。封裝前對光纖施加一定的預(yù)應(yīng)力，采用環(huán)氧樹脂 （穩(wěn)定溫度為-50℃～65℃）粘連兩層基底。PP-FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PP-FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)

2.2 PP-FBG溫度傳感器測試

本文采用水浴法對PP-FBG溫度傳感器的精度和線性度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)圖如圖3所示。將光纖FBG溫度傳感器放入恒溫水浴箱中測量升溫過程中溫度的變化，低溫恒溫箱的精度為0.01℃，調(diào)溫范圍為0℃～100℃，以中心波長變化0.1nm為間隔，每次溫度穩(wěn)定20min。同時(shí)，通過FBG解調(diào)儀測量出不同溫度對應(yīng)的中心波長，解調(diào)儀的精度為0.1nm，解調(diào)范圍為1500～1600nm。實(shí)驗(yàn)得到了溫度為15℃～45℃時(shí)對應(yīng)的FBG中心波長，具體數(shù)據(jù)如圖4所示。我們通過式（5）計(jì)算PP-FBG傳感器的溫度靈敏度系數(shù)，其中 α=10.37×10-5/℃，ξ=6.67×10-6/℃,中心波長為1547.4nm,得到的溫度靈敏度系數(shù)理論值為170.1pm/℃,實(shí)測靈敏度系數(shù)為166.7pm/℃，與理論值相差不大。裸光纖FBG靈敏度系數(shù)為11.15pm/℃，PP-FBG傳感器的靈敏度為裸光纖FBG的15倍，在解調(diào)設(shè)備分辨力為1pm的情況下，溫度分辨力為0.006℃。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖4 PP-FBG溫度傳感器測試結(jié)果

3 4種傳感器的對比測試

3.1 實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果分析

為了與PP-FBG溫度傳感器做對比試驗(yàn)，我們制作了防啁啾FBG溫度傳感器、全注膠FBG溫度傳感器和紫銅中空管狀傳感器3種溫度傳感器，傳感器的結(jié)構(gòu)和材料特性如表1所示。本文采用與測試PPFBG溫度傳感器相同的測試方法對這3種傳感器進(jìn)行了測試，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 4種傳感器的結(jié)構(gòu)和材料特性

表2 4種傳感器的測試數(shù)據(jù)

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

從表2可以看出，在線性度方面，15℃～45℃范圍內(nèi)，全注膠FBG溫度傳感器的相關(guān)系數(shù)較低，為0.74，另外3個(gè)傳感器的相關(guān)系數(shù)都接近1，說明防啁啾FBG傳感器、紫銅中空管狀傳感器和PP-FBG溫度傳感器的線性度較好。但是，金屬材質(zhì)封裝的傳感器導(dǎo)熱率高，在一些特殊場合會產(chǎn)生溫度測不準(zhǔn)現(xiàn)象，如在磁流體熱療中檢測溫度會受到交變磁場的影響。因此，PP-FBG溫度傳感器較其它3種傳感器更適用于人體溫度的測量。

在靈敏度方面，4種傳感器中PP-FBG溫度傳感器的靈敏度最高，為裸光纖FBG的15倍，而另外3種傳感器的靈敏度系數(shù)僅為裸光纖的2倍左右，達(dá)不到人體高精度溫度傳感器的靈敏度要求。另外，PP-FBG溫度傳感器靈敏度系數(shù)的理論值和實(shí)驗(yàn)值之間存在微小差異，這是因?yàn)楣饫w光柵的硬度比聚合物大，兩者之間是非剛性連接，熱膨脹不同步。

PP-FBG溫度傳感器的靈敏度與基底尺寸呈正相關(guān)，其響應(yīng)時(shí)間與基底的尺寸呈負(fù)相關(guān)。因此，在光纖光柵溫度傳感器的制作過程中可以通過改變傳感器基底尺寸的大小滿足不同的測量需求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種PP-FBG傳感器，該傳感器采用聚丙烯進(jìn)行增敏封裝，在15℃～45℃擁有完美的線性度，分辨力達(dá)到0.006℃，靈敏度為裸光纖的15倍，傳感器整體抗電磁干擾、無毒、耐腐蝕，比較適合人體測溫領(lǐng)域。我們對PP-FBG傳感器及另外3種采用不同封裝材料的傳感器做了性能測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于其它3種傳感器，PP-FBG溫度傳感器的線性度和靈敏度都更好。本研究的不足之處在于PP-FBG傳感器不適用于環(huán)境溫度高于45℃的測量，溫度高于45℃后傳感器的線性度會明顯降低，今后的研究可著重解決此問題。

[1]虞倩.高精度醫(yī)用光纖溫度傳感器的研制及其特性研究[D].杭州：中國計(jì)量學(xué)院,2012.

[2]任新穎.腫瘤熱療中組織溫度場測量方法及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué),2008.

[3]陳樹湛.腫瘤熱療的溫度測控技術(shù)及應(yīng)用研究[D].上海：上海交通大學(xué),2008.

[4]盛磊.微波熱療超聲監(jiān)測系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué),2013.

[5]郭中華.腫瘤熱療中交變磁場測量系統(tǒng)的研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué),2006.

[6]馬曉川,周振安,劉愛春,等.高靈敏度穩(wěn)定光纖光柵溫度傳感器的研究[J].光電子.激光,2013(7)：1245-1250.

High-precision FBG sensor for human body temperature detection

YU Hai-ying，QIN Xu-hui，LIU Yao-dong，WANG Yan-yan，WANG Meng
(Shandong Jianzhu University，Jinan 250101,China)

The paper designs and produces a high-precision FBG sensor for body temperature detection,and introduces the temperature sensing principle of FBG,describes the performance of the sensor.The paper presentes another three FBG temperature sensor with different structures and conductes the tests for testing effect of different materials and packages on FBG sensing accuracy.

FBG,body temperature detection,temperature sensor,sensitizing package

TP212

A

1002-5561（2016）04-0033-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.011

2015-10-13。

山東省自然科學(xué)基金（Y2007G54）資助；住房與城鄉(xiāng)建設(shè)項(xiàng)目（2013K826，2013K145）資助。

于海鷹（1961-），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑到y(tǒng)、建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)、光纖耦合與傳感等。