宋大偉 周大猛 李廣武 劉 天

現(xiàn)代大型醫(yī)療檢測(cè)儀器多數(shù)使用高頻電流、微波和X射線(xiàn)，這對(duì)溫度測(cè)量傳感器具有很強(qiáng)的電磁干擾。在這種情況下，使用抗干擾能力極強(qiáng)的光纖光柵溫度測(cè)量具有重要意義。光纖光柵傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有很重要的應(yīng)用價(jià)值。在目前許多醫(yī)學(xué)測(cè)量應(yīng)用中，傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)(需要人工清零)和熱敏電阻體溫計(jì)(抗干擾能力差)已不適用。經(jīng)過(guò)聚合物等材料進(jìn)行特殊封裝的光纖光柵能夠精密測(cè)量溫度、應(yīng)變和壓力，光纖光柵溫度傳感器可用于體溫的測(cè)量[1-7]。應(yīng)用光纖光柵的測(cè)量技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)傳感器的不足，在醫(yī)療領(lǐng)域中屬于前沿的傳感技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景[8]。

本研究顯示，光纖光柵在醫(yī)學(xué)實(shí)際應(yīng)用中采用掃描激光解調(diào)技術(shù)和LabVIEW虛擬儀器相結(jié)合的技術(shù)是可取的，采用的高速光纖光柵解調(diào)儀是根據(jù)自身的需要而刻意設(shè)計(jì)服務(wù)于醫(yī)院醫(yī)療診治。

1 溫度傳感測(cè)試系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)以高速CPU為計(jì)算控制中心，控制高速波長(zhǎng)掃描激光的波長(zhǎng)變化。4個(gè)光纖傳感光路通過(guò)光纖分路器被注入了變化的激光，定義每個(gè)光路為一個(gè)醫(yī)用傳感儀，通過(guò)測(cè)量，每個(gè)光路的波長(zhǎng)范圍可達(dá)80 nm，可最大限度的接入40個(gè)以上的光纖光柵傳感器。4個(gè)通道可以無(wú)時(shí)間延遲的同步采集。由PIN光電探測(cè)器將光纖分路器返回的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。如果電信號(hào)是模擬信號(hào)，再通過(guò)轉(zhuǎn)換電路(?！獢?shù))轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，進(jìn)入解調(diào)儀內(nèi)CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過(guò)解調(diào)儀解調(diào)出的光纖光柵的中心波長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控計(jì)算機(jī)，通過(guò)專(zhuān)門(mén)為此設(shè)計(jì)的圖形分析軟件進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)[9-10]。傳感儀采集的是變化的信號(hào)，在此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)用來(lái)采集溫度變化致使返回波長(zhǎng)的改變，計(jì)算成數(shù)據(jù)輸出(如圖1所示)。

1.2 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定線(xiàn)性函數(shù)

根據(jù)光纖光柵溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的線(xiàn)性擬和函數(shù)[11-13]：Y=1546.79269＋0.01039×X

圖1 解調(diào)儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)函數(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)分析可以得出結(jié)論，布拉格光纖光柵波長(zhǎng)基于溫度的變化近似于線(xiàn)性變化，溫度補(bǔ)償?shù)目尚行栽趯?shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。本次實(shí)驗(yàn)中的8個(gè)傳感器有兩組數(shù)據(jù)很不理想，他的線(xiàn)性度極差，經(jīng)分析主要原因是產(chǎn)生不理想數(shù)據(jù)的傳感器是被固定在其他6個(gè)傳感器的中間，跟待測(cè)液體沒(méi)有完全直接的接觸，極大的影響了液體的熱量和傳感器之間的及時(shí)交換，從而造成了這些傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的不理想。據(jù)此，在實(shí)際測(cè)量環(huán)境當(dāng)中一定要保證傳感器與待測(cè)環(huán)境有充分的表面接觸，這些直接決定了測(cè)量的靈敏度和準(zhǔn)確度。

2 光纖光柵溫度傳感實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖2、圖3所示。采用聚合物封裝好的光纖光柵測(cè)量人體溫度變化，然后水銀溫度計(jì)進(jìn)行對(duì)照，分析出2個(gè)傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，初步得出光纖光柵溫度計(jì)能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度的變化，而水銀體溫計(jì)只能讀到某一時(shí)刻的溫度，且在一些特殊情況下只能用光纖光柵溫度計(jì)而不能應(yīng)用水銀體溫計(jì)。

圖2 醫(yī)用光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)顯示界面

圖3 醫(yī)用光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

圖2表明，光纖光柵能夠快速的跟人體達(dá)到一樣的溫度，比水銀體溫計(jì)更直觀而快速。

3 結(jié)論與展望

本實(shí)驗(yàn)研究的是醫(yī)用光纖光柵溫度傳感器，采用的是光纖布拉格光柵。當(dāng)外界某些因素作用在光柵上時(shí)引起中心反射波長(zhǎng)的變化，通過(guò)觀察波長(zhǎng)的變化來(lái)察覺(jué)一切作用在光纖光柵上的物理量的變化，這正是光纖光柵的傳感原理。其中，溫度和應(yīng)變是引起光柵中心反射波長(zhǎng)變化的兩個(gè)最基本的物理量，其他物理量都是基于這兩個(gè)物理量衍生出來(lái)的，由此可以設(shè)計(jì)多種類(lèi)型的光纖光柵傳感器。另外，在實(shí)驗(yàn)中也存在著一些問(wèn)題，如光柵所感應(yīng)的溫度不能如實(shí)準(zhǔn)確記錄，故不能準(zhǔn)確得出輸出反射波長(zhǎng)與溫度的響應(yīng)曲線(xiàn)，對(duì)這一問(wèn)題需要改進(jìn)。理論和實(shí)踐證明，將光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域切實(shí)可行，具有極好的現(xiàn)實(shí)意義。

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