基于模间干涉的生命体征监测传感器的设计

论文摘要

近年来,光纤传感器凭借其抗电磁干扰能力强、灵敏度高、动态范围大和质量轻等优点在传感领域占据了一席之地。基于模间干涉的光纤传感器的出现更是进一步推动了光纤传感器的发展,它打破了传统干涉型光纤传感器的束缚,利用模式之间的干涉实现传感。本文着重研究了两模光纤（Dual-mode Fiber,DMF）与多模光纤（Multi-mode Fiber,MMF）中的模式激发理论,并利用模式激发理论制作了基于两模光纤的生命体征监测传感器和基于多模光纤的生命体征监测传感器,实现呼吸与心率的同时监测。在本文中,两种传感器均利用错位熔接方式制作,即在两段单模光纤（Single-mode Fiber,SMF）中错位熔接一段两模光纤或多模光纤。为了保证制作出的传感器具有最优的传感性能,文中采用理论与实验结合的方式选择传感器制作参数。首先研究两模光纤和多模光纤中的模式激发理论,并根据模式激发理论进行数值仿真,找到理论上最优的错位熔接参数,并用实验验证。然后通过实验方式选择最佳的传感光纤长度和合适的光纤布局方式。最后根据以上参数制作传感垫子,对不同体型志愿者进行呼吸与心率监测,并与医用参考传感器进行实时对比,分析准确性。本文设计的两种生命体征监测传感器是首次利用模间干涉原理实现呼吸和心率信号的同时监测,且与医用参考传感器相比,呼吸信号的相关性均超过了 0.9,心率信号的相关性均超过了 0.82,由此可见,这两种传感器具有很好的监测效果。除此之外,这两种生命体征监测传感器属于非接触式监测,在很大程度上提高了监测过程的舒适性。

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Abstract

第1章绪论

1.1 光纤传感技术

1.1.1 光纤传感技术概述

1.1.2 光纤传感器的原理

1.1.3 光纤传感器的分类

1.1.4 光纤传感器的优点以及应用

1.2 生命体征监测

1.2.1 生命体征概述

1.2.2 生命体征监测技术研究现状

1.3 本文研究的主要内容以及创新点

第2章模间干涉型光纤传感技术

2.1 引言

2.2 光的干涉理论

2.3 典型的干涉型光纤传感器

2.3.1 迈克尔逊光纤干涉仪

2.3.2 马赫-泽德尔光纤干涉仪

2.3.3 萨格纳克光纤干涉仪

2.3.4 法布里-泊罗光纤干涉仪

2.4 基于模间干涉的光纤传感器

2.4.1 线偏振模式介绍

2.4.2 基于模场不匹配的模间干涉模型

2.4.3 基于错位熔接的模间干涉模型

2.4.4 基于上凸型或下锥型熔接的模间干涉模型

2.5 本章小结

第3章基于两模光纤的生命体征监测传感器的设计

3.1 引言

3.2 两模光纤模式激发理论与数值仿真

3.3 传感器参数选择与制作

3.3.1 纤芯偏移量选择

3.3.2 两模光纤长度选择

3.3.3 传感器制作

3.3.4 传感器排布

3.4 生命体征信号采集与结果分析

3.4.1 小波变换

3.4.2 呼吸与心率信号采集与处理

3.4.3 传感器的准确性分析

3.5 本章小结

第4章基于多模光纤的生命体征监测传感器的设计

4.1 引言

4.2 多模光纤模式激发理论与数值仿真

4.3 传感器参数选择

4.3.1 纤芯偏移量选择

4.3.2 多模光纤长度选择

4.3.3 传感器制作

4.3.4 传感器排布

4.4 生命体征信号采集与结果分析

4.4.1 呼吸和心率信号采集与处理

4.4.2 传感器的准确性分析

4.5 本章小结

第5章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

缩略语对照表

攻读硕士期间的学术成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 沈盈

导师: 游善红,余长源

关键词: 光纤传感器,模间干涉,非接触式,生命体征监测

来源: 苏州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 苏州大学

分类号: TP212;TN253

DOI: 10.27351/d.cnki.gszhu.2019.001250

总页数: 67

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