一种基于光纤拍频技术的生物温度检测系统及方法与流程

1.本发明涉及生物温度检测技术领域，特别涉及一种基于光纤拍频技术的生物温度检测系统及方法。


背景技术：

2.生物温度检测一直以来都是研究的热点方向，生物温度信号的检测对生物医学，生物食品领域和临床手术都有着重大的意义。
3.随着科技的不断发展，随之产生的细胞、组织温度检测问题也愈见复杂，对生物温度传感器的测量精度、灵敏度及适用性等性能指标都提出了更高的要求，而现今常用的光纤光栅传感器已不能满足这些要求，因此找到一种更高质量的生物温度传感器就尤为重要。
4.光纤光栅传感器对电磁干扰、化学腐蚀、极热或极冷条件都具有很强的免疫能力，且具有很高的精度和灵敏度，在土木工程、航空航天、复合材料、医疗器械等领域都有着广泛的运用。
5.目前报道的利用光纤光栅传感器检测生物温度的方法，大都用的是光谱仪解调法，通过波长移动来检测温度的变化，如有学者将线性啁啾光纤布拉格光栅用作射频热消融(rfta)在线监测的温度传感器，通过监测波长的变化实现对温度的测量，其温度灵敏度为10.2pm/℃；有学者对基于光纤布拉格光栅(fbg)的传感器探头进行设计，使其在激光消融(la)的组织中获得分布式温度测量，其中使用的光纤光栅温度灵敏度为10pm/℃。该方法没有复杂的结构，是一种非常普遍的方案，然而该技术存在精度低，仪器体积大以及解调成本高等问题。
6.近年来，相较于上述较为复杂的光学解调方式，拍频传感技术以其结构简单、搭建方式、成本低等优点得到了广泛的认可和肯定。该方法仅需要一个光电探测器将光信号转化为电信号，大大降低了检测设备的成本。拍频传感技术通过检测拍频频率的变化可以解调拉力、压力、温度，振动等诸多参数。然而，对于这些物理量的测量，都是使用掺铒或者是谐振腔的某一段作为传感部分，通过改变谐振腔长度来进行测量的(比如yu x,dong x,chen x,et a l.po l ar imetr i c mu l t i l ongitud i na l mode f iber laser for simu ltaneous measurement of stra i n and temperature[j].journa l of lightwave techno l ogy,2016,34(21):4941
‑
4947.)，其不方便放入较小容器进行较小生物体的测量。因此，急需一种新的生物温度检测方案来解决上述问题。


技术实现要素：

[0007]
本发明要解决的技术问题是提供一种低成本、高精度的生物温度检测系统。
[0008]
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于光纤拍频技术的生物温度检测系统，其包括：激光器、波分复用器、光纤激光谐振腔、光电探测器、射频频谱分析仪、计算机，所述光纤激光谐振腔包括光纤放大器以及中心波长相匹配的第一光纤光栅和第二光纤光栅，所
述第一光纤光栅和第二光纤光栅通过光纤放大器连接，所述第二光纤光栅置于盛装生物体的容器中；
[0009]
所述激光器用于产生激光，激光由所述波分复用器进入光纤激光谐振腔，并在所述光纤激光谐振腔中发生谐振并产生多纵模，装有生物的容器中产生温度变化时，生物温度信号作用于所述第二光纤光栅并调制所述光纤激光谐振腔中的光信号，调制后的光信号反射回所述波分复用器并进入光电探测器，在所述光电探测器上产生多个调制有生物温度的拍频信号，多个拍频信号到达所述射频频谱分析仪，所述计算机用于采集所述射频频谱分析仪中的拍频信号并进行拍频解调得到生物温度信号。
[0010]
作为本发明的进一步改进，所述计算机通过python程序自动采集所述射频频谱分析仪中的拍频信号。
[0011]
作为本发明的进一步改进，所述计算机采用寻矩形框中心点位置法进行拍频解调得到生物温度信号。
[0012]
作为本发明的进一步改进，所述计算机还用于对矩形框采集的中心点进行数据平滑处理。
[0013]
作为本发明的进一步改进，所述光纤放大器为掺铒光纤。
[0014]
本发明还提供了一种基于光纤拍频技术的生物温度检测方法，基于上述任一所述的基于光纤拍频技术的生物温度检测系统，其包括以下步骤：
[0015]
a、所述激光器产生激光；
[0016]
b、所述波分复用器将激光导入光纤激光谐振腔，在所述光纤激光谐振腔中发生谐振并产生多纵模；
[0017]
c、装有生物的容器中产生温度变化时，生物温度信号作用于所述第二光纤光栅并调制所述光纤激光谐振腔中的光信号；
[0018]
d、调制后的光信号反射回所述波分复用器并进入光电探测器，在所述光电探测器上产生多个调制有生物温度的拍频信号；
[0019]
e、多个拍频信号传输至所述射频频谱分析仪；
[0020]
f、计算机采集所述射频频谱分析仪中的拍频信号并进行拍频解调得到生物温度信号。
[0021]
作为本发明的进一步改进，步骤a之前还包括步骤：s、对系统进行校准。
[0022]
作为本发明的进一步改进，步骤s具体包括：
[0023]
s1、选择所需要频率的拍频信号；
[0024]
s2、对系统的灵敏度和稳定性进行校准。
[0025]
作为本发明的进一步改进，步骤s2具体包括：对校准时的拍频信号进行平滑预处理，并进行数据拟合得到稳定时的灵敏度，并对系统的稳定性进行校准。
[0026]
作为本发明的进一步改进，步骤f具体包括：
[0027]
f1、计算机通过python程序自动采集所述射频频谱分析仪中的拍频信号；
[0028]
f2、计算机采用寻矩形框中心点位置法进行拍频解调，并对矩形框采集的中心点进行数据平滑处理得到生物温度信号。
[0029]
本发明的有益效果：
[0030]
本发明基于光纤拍频技术的生物温度检测系统可以实现对小体积生物进行温度
测量，具有结构简单、成本低、测量精度高、稳定性好等优点。
[0031]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
[0032]
图1是本发明优选实施例中基于光纤拍频技术的生物温度检测系统的示意图；
[0033]
图2是本发明优选实施例中光纤激光谐振腔的结构示意图；
[0034]
图3是本发明优选实施例中校准装置的结构示意图；
[0035]
图4是本发明优选实施例中对于675mhz拍频信号中心点位置示意图；
[0036]
图5是本发明优选实施例中矩形框中心点位置随温度变化时间的示意图；
[0037]
图6是本发明优选实施例中基于光纤拍频技术的生物温度检测系统的灵敏度示意图；
[0038]
图7是本发明优选实施例中光纤激光谐振腔不同长度下的灵敏度和频率波动间隔图；
[0039]
图8本发明优选实施例中基于光纤拍频技术的生物温度检测系统检测到的加毒素时线虫温度变化结果图。
[0040]
标记说明：1、激光器；2、波分复用器；3、光纤激光谐振腔；31、第一光纤光栅；32、光纤放大器；33、第二光纤光栅；4、容器；5、光电探测器；6、射频频谱分析仪；7、计算机；8、铂电阻温度计；81、铂电阻；82、万用表。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0042]
如图1所示，为本发明优选实施例中的基于光纤拍频技术的生物温度检测系统，其包括：激光器1、波分复用器2、光纤激光谐振腔3、光电探测器5、射频频谱分析仪6、计算机7，所述光纤激光谐振腔3包括光纤放大器32以及中心波长相匹配的第一光纤光栅31和第二光纤光栅33，所述第一光纤光栅31和第二光纤光栅33通过光纤放大器32连接，所述第二光纤光栅33置于盛装生物体的容器4中。参照图2，其中，第二光纤光栅33为温度检测的传感元件，第一光纤光栅31起到选频作用。
[0043]
所述激光器1用于产生激光，激光由所述波分复用器2进入光纤激光谐振腔3，并在所述光纤激光谐振腔3中发生谐振并产生多纵模，装有生物的容器4中产生温度变化时，生物温度信号作用于所述第二光纤光栅33并调制光纤激光谐振腔3中的光信号，调制后的光信号反射回所述波分复用器2并进入光电探测器5，在所述光电探测器5上产生多个调制有生物温度的拍频信号，多个拍频信号到达所述射频频谱分析仪6，所述计算机7用于采集所述射频频谱分析仪6中的拍频信号并进行拍频解调得到生物温度信号。
[0044]
在其中一实施例中，激光器1输出1480nm波长的激光，激光通过1480nm&1550nm波长的波分复用器2进入到光纤激光谐振腔3中，通过光纤激光谐振腔3产生多纵模激光，同时，光纤激光谐振腔3接收生物温度信号，生物温度信号作用于第二光纤光栅33，使光纤激
光谐振腔中的光信号被调制，得到调制后的光信号。在其他实施例中，激光器1和波分复用器2可以使用其他参数，如980nm波长的泵浦源，980nm&1550nm波长的波分复用器等。
[0045]
在其中一实施例中，第一光纤光栅31和第二光纤光栅33为两个中心波长相匹配且反射率为92％左右的光纤光栅(fbg)，其中fbg中心波长和3db带宽分别为1552.067nm、1552.098nm和0.221nm、0.214nm；长度为0.6m且吸收系数为37.8db/m的掺铒光纤。
[0046]
可选的，所述光纤放大器32为掺铒光纤。
[0047]
可选的，所述计算机7通过python程序自动采集所述射频频谱分析仪6中的拍频信号。
[0048]
可选的，所述计算机7采用寻矩形框中心点位置法进行拍频解调得到生物温度信号。
[0049]
可选的，所述计算机7还用于对矩形框采集的中心点进行数据平滑处理。
[0050]
在其中一实施例中，该发明还包括温度校准装置，用于在检测之前对系统进行校准。如图3所示，温度校准装置包括由铂电阻81和万用表82构成的铂电阻温度计8以及计算机7，将光纤激光谐振腔3中第二光纤光栅33放在温度水杯中检测温度变化，通过对系统进行校准，可以得到稳定时的灵敏度和稳定性。在实际运用中，其他可用于高精度测温的结构均可替换该温度校准装置。
[0051]
解调时，若用直接寻峰法，存在一个峰值对应多个频率点或者是一个拍频中存在多个极大值，为了减小实验误差，采用矩形框中心点位置法代替直接寻峰法进行拍频解调得到温度信号。如图4所示，自动采集程序中设定中心频率为675mhz，带宽为1mhz时，采4001个点，每个点都对应有相应的频率刻度，用*标记的矩形框中心点位置的移动刻度代替峰值变化，可提高精确度。图5是当温度时间变化时，自动采集程序中设定中心频率为675mhz，带宽为2mhz时，采8001个点矩形框的中心点位置随温度时间变化示意图。图6是根据图5得到的校准自动采集系统灵敏度示意图。
[0052]
在其中一实施例中，采用三组不同长度的光纤激光谐振腔，分别为0.5m，1.4m和5.4m。组成0.5m谐振腔的两个中心波长相匹配的fbg中心波长，3db带宽和反射率分别为1549.990nm、1549.986nm，0.226nm、0.225nm和90.00％、91.09％，以及长度为0.2m且吸收系数为37.8db/m的掺铒光纤；组成1.4m谐振腔的两个中心波长相匹配的fbg中心波长，3db带宽和反射率分别为1552.067nm、1552.098nm，0.221nm、0.214nm和92.02％、92.06％，以及长度为0.6m且吸收系数为37.8db/m的掺铒光纤；组成5.4m光纤激光谐振腔的两个中心波长相匹配的反射率都为93.69％的fbg中心波长，3db带宽分别为1552.051nm、1552.066nm和0.221nm、0.224nm，以及长度为1m且吸收系数为37.8db/m的掺铒光纤。
[0053]
具体的光纤激光谐振腔3长度与灵敏度和频率波动间隔关系如图7所示。在进行生物温度检测时可根据不同光纤激光谐振腔长度对灵敏度和频率波动间隔的影响，选择合适腔长的光纤激光谐振腔。
[0054]
本发明将用传感光纤光栅fbg检测生物温度信号的解调结果处理过程如下：
[0055]
光纤光栅谐振腔采用多纵模光纤激光传感器，其中用于检测温度信号的第二光纤光栅，其光栅波长对于外界温度的响应为：
[0056]
[0057]
其中λ为光栅波长，ξ为光纤光栅折射率温度系数，n
eff
是光纤芯区的有效折射率，α为光纤热膨胀系数，δt为在光栅检测到的温度变化。
[0058]
而拍频信号频率与光栅波长的关系为：
[0059][0060]
其中f
q
为拍频信号频率，q为纵模位置，n
eff
为有效折射率，λ
m
为激光器中的波长。
[0061]
两拍频频率的间隔为:
[0062][0063]
当腔长变短时，谐振腔形成的拍频间隔将会变大，因此拍频频率波动范围也变大。
[0064]
因此，光纤光栅谐振腔与外界温度的响应为：
[0065][0066]
通过对系统灵敏度进行校准可以得到系统的灵敏度为：
[0067][0068]
该测温方案的灵敏度与所取拍频信号频率成正比，用稳定的系统检测处于不同浓度毒素时线虫温度变化，可以得到t时间时的线虫温度t：
[0069][0070]
其中t0为待测线虫的初始温度，δt'为检测线虫的温度变化。
[0071]
如图8所示，使用本发明中的系统对加毒素情况下线虫温度的变化。证明本发明提供的基于光纤拍频的生物温度信号检测系统具有很高的稳定性，能够解调出稳定的生物温度信号。
[0072]
本发明优选实施例中还公开了一种基于光纤拍频技术的生物温度检测方法，基于任一实施例中的基于光纤拍频技术的生物温度检测系统，该方法包括以下步骤：
[0073]
a、所述激光器1产生激光；
[0074]
b、所述波分复用器2将激光导入光纤激光谐振腔3，并在所述光纤激光谐振腔3中发生谐振并产生多纵模；
[0075]
c、装有生物的容器4中产生温度变化时，生物温度信号作用于所述第二光纤光栅33并调制光纤激光谐振腔3中的光信号；
[0076]
d、调制后的光信号反射回所述波分复用器2并进入光电探测器5，在所述光电探测器5上产生多个调制有生物温度的拍频信号；
[0077]
e、多个拍频信号传输至所述射频频谱分析仪6；
[0078]
f、计算机7采集所述射频频谱分析仪6中的拍频信号并进行拍频解调得到生物温度信号。
[0079]
可选的，步骤a之前还包括步骤：s、对系统进行校准。具体的，利用温度校准装置进行校准。
[0080]
可选的，步骤s具体包括：
[0081]
s1、选择所需要频率的拍频信号；
[0082]
s2、对系统的灵敏度和稳定性进行校准。
[0083]
进一步的，步骤s2具体包括：对校准时的拍频信号进行平滑预处理，并进行数据拟合得到稳定时的灵敏度，并对系统的稳定性进行校准。
[0084]
进一步的，步骤f具体包括：
[0085]
f1、计算机7通过python程序自动采集所述射频频谱分析仪6中的拍频信号；
[0086]
f2、计算机7采用寻矩形框中心点位置法进行拍频解调，并对矩形框采集的中心点进行数据平滑处理得到生物温度信号。
[0087]
本发明基于光纤拍频技术的生物温度检测系统可以实现对小体积生物进行温度测量，具有结构简单、成本低、测量精度高、稳定性好等优点。
[0088]
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。