生命体征信号光电变换装置的制作方法

生命体征信号光电变换装置
1.技术领域：
2.本实用新型涉及光纤传感监测领域，特别是涉及光纤生命体征监测技术领域，尤其涉及一种基于光纤模式干涉的生命体征信号光电变换装置。
3.

背景技术：

4.典型的生命体征信号采集设备是心电图传感器，该传感器需要通过电极和导线黏附于人体皮肤表面，易受到皮肤表面毛发的影响，此外，长期使用电极片容易造成过敏或其它皮肤损伤的状况，影响用户使用体验。
5.电学传感器易受电磁干扰的影响，而基于光学原理的光纤传感器由于抗电磁干扰、体积小、重量轻，监测时无需光纤黏附皮肤，在需要长期生命体征监护的应用场所极具应用潜力，美国专利us 6,498,652 b1提出用传统的光纤干涉仪采集生命体征信号，监测人体呼吸率和心率；缺点是所提出的光纤干涉仪系统不够紧凑，参考臂和传感臂之间需要分开、隔离，而在单根光纤上构成的光纤干涉仪生命体征传感器（cn210144637u）比传统的光纤干涉仪生命体征传感器无论在结构简单性还是在抗环境干扰方面具有很大的优势，比如参考臂和传感臂不需要分开和隔离，缺点是需要破坏光纤原来的结构，可能影响光纤的长期可靠性。
6.论文“xu w，et al.，long modal interference in multimode fiber and its application in vital signs monitoring，optics communications，2020,474:126100”提出用光纤模式干涉仪进行生命体征监测，该传感器结构简单，成本低，但是其传感器的灵敏度很低，需要采用错位光纤熔接工艺；2022年1月报道的综述论文“w lyu, s chen, f tan, c yu，vitalsigns monitoring based on interferometric fiber optic sensors，photonics, 2022，9,50”比较全面总结了光纤干涉仪用于生命体征信号监测的研究进展；从该综述论文可以看出，为了提高基于光纤模式干涉仪传感器的灵敏度，通常釆用特别的纤熔接工艺和特殊的光纤，例如，采用错位光纤熔接工艺等，这增加了光功率预算和制造成本；许多研究还建议采用特殊的光纤，比如双模、四模、双芯和多芯光纤等，这增加了光纤传感器的成本。
7.综上所述，现有的技术中的缺点在于：基于光纤模式干涉的生命体征光纤传感器，如果没有采用特别的处理工艺（错位光纤熔接等）或采用特殊的光纤（双模、四模、双芯和多芯或小芯等特殊的光纤），传感器的灵敏度达不到一般实用的要求，比如，在应用中传感器要放在床垫上面，不能放在床垫下（因为灵敏度不够）或采集不到心跳信号。为了提高传感器的灵敏度、要釆用特别的光纤熔接工艺和特殊的光纤；比如采用错位光纤熔接等，这增加了光功率预算和制造成本；采用特殊的光纤，比如双模、四模、双芯和多芯或小芯光纤等，这也增加了光纤传感器的成本。
8.

技术实现要素：

9.本实用新型的目的即在于提供一种基于光纤模式干涉仪的生命体征信号光电变换方法与装置，该基于光纤模式干涉仪的生命体征信号光电变换方法与装置可以不采用错位光纤熔接，从而减少工艺难度，不用双模、四模、双芯和多芯或小芯等特殊的光纤，从而降
低成本。
10.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
11.本实用新型生命体征信号光电变换装置，其特征在于：包括依次设置的光源、输入光纤、光纤模式调控器、输出光纤、光电探测器和电信号处理终端，所述光纤模式调控器包括上、下相对设置的上盖片和下盖片，所述上盖片上设有至少一个向下盖片延伸的凸出结构，所述下盖片上对应设有与凸出结构相互插配的凹陷结构，所述上盖片与下盖片之间穿设有传感光纤，传感光纤的局部段穿过凸出结构与凹陷结构之间所形成的间隙。
12.进一步的，上述凸出结构的自由端与传感光纤之间设有薄片；所述薄片粘接在传感光纤上，或者薄片粘接在凹陷结构中。
13.进一步的，上述凸出结构为圆柱形、圆锥形、圆锥台形或正方体形；所述凹陷结构为圆柱形、圆锥形、圆锥台形或正方体形的凹陷槽。
14.进一步的，上述凹陷槽的两侧旁侧具有延伸槽道，延伸槽道与凹陷槽形成凹陷结构，该凹陷结构使传感光纤穿设在其中时形成夹角，该夹角在30-180度之间。
15.进一步的，上述上盖片与下盖片的材料是塑料、金属、硅胶或纺织材料；所述光源是相干光源或非相干光源，如fp、dfb、vecel或led光源。
16.进一步的，上述输入光纤和输出光纤为单模光纤，如通信单模光纤；传感光纤为多模光纤，如通信多模光纤，输入输出光纤和与传感光纤两端直接用光纤熔接机熔接或用活动连接器连接，不需要采用错位光纤熔接工艺。
17.进一步的，上述上盖片与下盖片通过卡扣固定连接或粘接固定；下盖片表面上具有半圆形、u形或v形的槽道，该槽道沿着传感光纤的走向布局，该槽道经过凹陷结构用于放置传感光纤。
18.进一步的，上述位于上盖片与下盖片之间的凹陷结构和凸出结构分布为中间一组、两侧各两组，形成总共五组，每组的凹陷结构基本呈一字型，传感光纤依次穿过一侧两组后，迂回穿过中间的一组，而后再迂回穿过另一侧的两组；所述位于上盖片与下盖片之间的凹陷结构和凸出结构为单组，该单组凹陷结构基本呈“十”字型，即在凹陷槽的周围形成圆周整列的4个延伸槽道，传感光纤依次迂回穿过各延伸槽道；所述位于上盖片与下盖片之间的凹陷结构和凸出结构为单组，该单组凹陷结构基本呈“米”字型，即在凹陷槽的周围形成圆周整列的6个延伸槽道，传感光纤依次迂回穿过各延伸槽道；所述位于上盖片与下盖片之间的凹陷结构和凸出结构矩形整列有四组，每组凹陷结构基本呈“十”字型，即在凹陷槽的周围形成圆周整列的4个延伸槽道，传感光纤依次迂回穿过各延伸槽道。
19.本实用新型生命体征信号光电变换装置的光电变换方法，其特征在于：所述光源通过传输光纤输入到传感光纤，激励传感光纤中的基模与高阶导模，在输出光纤处，满足相位匹配条件的模式之间发生干涉，产生明暗相间的干涉图案，干涉图案部分区域的能量由输出光纤传输到光电探测器进行光电变换。
20.进一步的，上述传感光纤基模和高阶导模的强度分别为i1和i2，干涉信号的强度i为
21.其中表示传感光纤基模和高阶导模之间的相位差；采用光纤模式调控器中相
应的凸出结构和凹陷结构，高效地扰动传感光纤中基模和高阶导模之间的相位差，把生命体征信号的变化变成的变化，进而变成干涉信号强度i的变化；另一方面，光纤模式调控器中相应的凸出结构和凹陷结构，使传感光纤发生半径为r的弯曲，这样传感光纤中的导模耦合到包层模而损耗掉，这样生命体征信号的变化变成r的变化，从而使信号强度发生变化；在传感光纤中，弯曲损耗与模式有关，通过适当调整光纤模式调控器中相应的凸出结构尺寸大小以调整弯曲半径大小，结合传感光纤布线方式，在几乎不影响基模的情况下，为高阶导模引入显著损耗。
22.由上述对本实用新型结构的描述可知，与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
23.本实用新型装置的结构简单、设计合理，本实用新型的结构仅仅使用普通单模光纤和多模通信光纤即可，根本不需要采用错位光纤熔接工艺，从而简化了制作工艺，完全不需要用双模、四模、双芯、多芯或小芯等特殊的光纤来提高传感器的灵敏度，降低了制作成本；最重要的是本实用新型采用光纤模式调控器，既能调控传感光纤中传输模式的干涉相位也能调控包层模的损耗，从而在二个维度上同时进行光电变换确保生命体征信号光电变换的高灵敏度。
24.附图说明：
25.图1是本实用新型的系统装置图；
26.图2是传感光纤3置于光纤模式调控器6内的立体透视构造示意图；
27.图3是光纤模式调控器6中上盖片61的立体构造示意图；
28.图4 是光纤模式调控器6中下盖片62的立体构造示意图；
29.图5是典型下盖片62中传感光纤分布示意图；
30.图6是典型下盖片62中传感光纤分布示意图；
31.图7是典型下盖片62中传感光纤分布示意图；
32.图8是典型下盖片62中传感光纤分布示意图；
33.图9是图2的剖面构造示意图；
34.图10是电信号处理终端显示画面。
35.具体实施方式:
36.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
37.图1是本实用新型装置图，包括光源1、输入光纤2、传感光纤3、输出光纤4、光电探测器5、光纤模式调控器6、生命体征信号7和电信号处理终端8。
38.所述光纤模式调控器6包括上、下相对设置的上盖片61和下盖片62，所述上盖片61上设有至少一个向下盖片延伸的凸出结构61-1，所述下盖片上对应设有与凸出结构相互插配的凹陷结构62-1，所述上盖片与下盖片之间穿设有传感光纤3，传感光纤3的局部段穿过凸出结构与凹陷结构之间所形成的间隙。
39.光源1可以是相干光源或非相干光源，如fp、dfb、vecel或led光源等，在本实施例中采用fp光源，光源1和输入光纤2的连接处12用活动连接器的方式连接。如果光源1有尾纤，也可以用光纤熔接机熔接的方式连接。输入光纤2和输出光纤4采用标准、低成本的通信单模光纤但不限于单模光纤。传感光纤3为多模光纤但不限于多模光纤。输入光纤2和传感
光纤3的连接处23用活动连接器的方式连接，也可以用光纤熔接机熔接的方式连接。输出光纤4和传感光纤3的连接34用活动连接器的方式连接，也可以用光纤熔接机熔接的方式连接。连接处23和34不需要采用错位光纤熔接工艺。输出光纤4和光电探测器5的连接处45用活动连接器的方式连接。如果光电探测器5有尾纤，也可以用光纤熔接机熔接的方式连接。
40.在本实施中，传感光纤3是裸纤，置于光纤模式调控器6内，如图2所示。光纤模式调控器6由上盖片61(图3）和下盖片62（图4）构成。上盖片61和下盖片62在本实施例中用的材料都是塑料。也可选用金属、硅胶和纺织材料等。上盖片61和下盖片62也可以采用不同的材料，比如上盖片用纺织材料，下盖片用塑料。所述上盖片61和下盖片62有至少一组卡扣10-1和卡扣槽10-2，较佳采用四组，且分布在四个角部用于连接上盖片61和下盖片62，也可用粘合剂粘合上盖片61和下盖片62，该卡扣10-1和卡扣槽10-2可以保持上盖片61与下盖片62之间的间距，上盖片61至少有一个凸出结构61-1，比如直径为d，高度为h的圆柱形凸出结构。上盖片61和下盖片62有多个凸出结构61-1至61-n（n》=2）和多个凹陷结构62-1至62-n，凸出结构61-1至61-n和凹陷结构62-1至62-n相应配对，以增加模式调控的协同效应；在本实施例子中，有5个圆柱形凸出结构，每个圆柱形凸出结构是活动的，可以取出，以方便调整凸出结构61-1的高度h或调整凸出结构的数目和位置，最终调整光纤模式调控的效果。下盖片62至少有一个凹陷结构62-1，比如直径略大于d，有足够深度的凹陷深度（该凹陷深度大于高度h和传感光纤3的直径）以配对上盖片上直径为d，高度为h的圆柱形凸出结构61-1。为了保护裸纤不受凸出结构61-1的破坏，凹陷结构有一长方形宽带为w深度为h细长的凹槽（即凹陷槽的旁侧具有延伸槽道63，该延伸槽道的形状可以为一字形、十字形、米字形等，如图5、6、7和8）。
41.在凹槽内放置一薄塑料片9或其它材料的薄片，传感光纤3置于薄塑料片朝向光纤模式调控器下盖片这面，上盖片凸出结构只接触没有传感光纤的薄塑料片一面，不接触有传感光纤的薄塑料片这面。当然也有可能直接接触有传感光纤的薄塑料片这面。为了防止传感光纤与薄塑料片之间发生移动，传感光纤3与薄塑料片9可以用胶粘结，或薄塑料9用胶与下盖片的凹陷结构62-1处粘结。在本实施例子中，传感光纤3是裸纤，但是，也可以采用有护套的光缆，比如，0.9毫米、2毫米或3毫米的光缆。在这种情况下，就不需要用薄塑料片。结构61-1至61-5与62-1至62-5相应配对。为了降低制造精度要求和调整传感区域大小，通常只要5个圆柱形凸出结构即可，其分布见图5。在本实施例中，凸出结构选用圆柱形，也可选用圆锥形、圆锥台形、正方体形等其它结构形状。此时凹陷结构形状应与凸出结构形状配对。
42.传感光纤3可以一定夹角，比如45度、90度等来回置于上盖片圆柱形凸出结构61-1和下盖片凹陷结构62-1之间以增加模式调控的协同效应；这样传感光纤3的不同位置可以感知同一地点的生命体征信号，具体如下述实施例所示。
43.图5-8是几种典型的传感光纤3在光纤模式调控器中的布线图，传感光纤不同位置通过单个凹陷结构（如图6-7），这样传感光纤的不同位置可以感知同一地点的生命体征信号；或传感光纤通过多个凹陷结构，以增加模式调控的协同效应（如图5，图8）。如图5所示，上述位于上盖片与下盖片之间的凹陷结构和凸出结构分布为中间一组、两侧各两组，形成总共五组，每组的凹陷结构基本呈一字型，传感光纤依次穿过一侧两组后，迂回穿过中间的一组，而后再迂回穿过另一侧的两组；如图6所示，所述位于上盖片与下盖片之间的凹陷结
构和凸出结构为单组，该单组凹陷结构基本呈“十”字型，即在凹陷槽的周围形成圆周整列的4个延伸槽道，传感光纤依次迂回穿过各延伸槽道。
44.如图7所示，所述位于上盖片与下盖片之间的凹陷结构和凸出结构为单组，该单组凹陷结构基本呈“米”字型，即在凹陷槽的周围形成圆周整列的6个延伸槽道，传感光纤依次迂回穿过各延伸槽道；如图8所示，所述位于上盖片与下盖片之间的凹陷结构和凸出结构矩形整列有四组，每组凹陷结构基本呈“十”字型，即在凹陷槽的周围形成圆周整列的4个延伸槽道，传感光纤依次迂回穿过各延伸槽道。
45.为了更好的传感光纤布线，所述下盖片62表面上具有半圆形、u形或v形的槽道，该槽道沿着传感光纤的走向布局，该槽道经过凹陷结构62-1或62-1至62-n（n》=1），即用于放置传感光纤3。
46.在本实施例中，来自人或动物的生命体征信号7通过衣服、床垫等媒介传输到光纤模式调控器6，光纤模式调控器6就会跟着振动，接收到生命体征信号7的光纤模式调控器6上盖片和下盖片之间的位移会随着生命体征信号7的变化而变化。这个位移变化，一使传感光纤3中传输的模式之间干涉的相位发生变化，二使导模与包层模之间的耦合发生变化。这样，在输出光纤4处产生的干涉图案变化以及包层模的损耗变化，通过输出光纤4到达光电探测器5变成电信号幅度的变化，其中光电探测器5采用半导体光电二极管。所述光电探测器5也可以是摄像头、光电倍增管、热电探测器等。
47.所述电信号处理终端8，处理来自所述光电探测器5的电信号，通过放大、去噪声、模数变换，生命体征信号提取算法等以标准接口方式输出数字化生命体征原始幅度信号、呼吸率、心率和体动信号等。
48.图10是用于人的测量的结果。图10中最上面的图形是数字化原始幅度数据，可以清晰看到心跳信号；第二个图形（从最上面数），是呼吸图；第三个图（从最上面数）是心冲击图；第四个图（从最上面数）是fft图。电信号处理终端8显示呼吸率是10次/分钟，心率是59次/分钟。
49.与以前发明创造不同，本实用新型采用光纤模式调控器，既能调控传感光纤中传输模式的干涉相位也能调控包层模的损耗，结合这二个维度模式调控的协同效应，从方法上确保生命体征信号进行高灵敏的光电变换。
50.本实用新型的工作原理如下：
51.光源1通过传输光纤2输入到传感光纤3，激励传感光纤中的基模与高阶导模，在输出光纤4处，满足相位匹配条件的模式之间发生干涉，产生明暗相间的干涉图案，干涉图案部分区域的能量由输出光纤4传输到光电探测器5进行光电变换。为了显式简单地解释，用一个高阶导模做例子，其基模和高阶导模的强度分别为i1和i2，那么干涉信号的强度i可以近似表示成（1）
52.其中表示传感光纤基模和高阶导模之间的相位差。采用光纤模式调控器中相应的凸出结构和凹陷结构，可以高效地扰动传感光纤中基模和高阶导模之间的相位差，把生命体征信号的变化变成的变化，进而变成干涉信号强度i的变化。在另一方面，光纤模式调控器中相应的凸出结构和凹陷结构，使传感光纤发生半径为r的弯曲，这样传感光
纤中的导模可能耦合到包层模而损耗掉。这样生命体征信号的变化变成r的变化，从而使信号强度发生变化。在传感光纤中，弯曲损耗与模式有关。通过适当调整光纤模式调控器中相应的凸出结构尺寸大小以调整弯曲半径大小，结合传感光纤布线方式，可以在几乎不影响基模的情况下，为高阶导模引入显著损耗。总的来说，通过本实用新型装置可以高效地扰动传感光纤中基模和高阶导模之间的相位差，高效地扰动传感光纤中基模和包层模的耦合。通过这二个维度模式调控的协同效应，从方法上确保生命体征信号能够进行高灵敏的光电变换。
53.与现有技术相比，本技术技术优点：
54.1、本实用新型结构简单，由普通单模光纤和多模通信光纤组成，制作成本低。
55.2、根本不需要采用错位光纤熔接工艺，完全不需要用双模、四模、双芯和多芯或小芯等特殊的光纤来提高传感器的灵敏度，降低了制作难度。
56.3、采用光纤模式调控器，既能调控传感光纤中传输模式的干涉相位也能调控导模耦合导包层模的损耗，从而从方法上确保生命体征信号光电变换的高灵敏度。
57.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。