摘 要

光纤传感器作为一种新型传感器与传统的电信号传感器相比，具有很多优点和特性，使其在各个传感领域都具备很大的研究价值。本文提出了一种基于光纤传感的生命体征监测传感器，用来测量人体的心率和呼吸速率，该传感器使用单模—多模—单模光纤（SMS）结构，利用了其多模光纤内的模间干涉现象，当外界环境发产生变化从而影响到多模光纤时，通过检测SMS光纤输出光功率的变化并进行解调即可获得引起变化的外部因素，此外，还搭建了基于Sagnac环的传感器监测生命体征的系统光路，将Sagnac环与SMS光纤结合，增大了消光比和灵敏度，从而能以高精度测量人体的呼吸、心率，并对光路进行优化，减小呼吸与心率震动信号间的串扰，最终实现小尺寸、易携带、高精度生命体征监测设备的制作。

关键词：光纤传感；SMS光纤结构；Sagnac环；振动；生命体征监测

Abstract

As a new type of sensor, optical fiber sensor has many advantages and characteristics compared with the traditional electrical signal sensor, which makes it have great research value in various sensing fields. In this paper, a vital signs monitoring sensor based on optical fiber sensor is proposed to measure the heart rate and respiratory rate of human body. The sensor uses single-mode-multimode-single-mode optical fiber (SMS) structure, and uses the inter mode interference phenomenon in its multimode optical fiber. When the external environment changes and affects the multimode optical fiber, the change of output optical power of SMS optical fiber is detected The external factors that cause the change can be obtained by demodulation. In addition, a system optical path based on Sagnac ring sensor to monitor vital signs is built. The combination of Sagnac ring and SMS optical fiber increases the extinction ratio and sensitivity, so that the breath and heart rate of the human body can be measured with high accuracy, and the optical path is optimized to reduce the crosstalk between the breath and heart rate vibration signals, and finally realize small-scale Production of inch, portable and high-precision vital signs monitoring equipment.

Keywords: optical fiber sensing; SMS optical fiber structure; Sagnac ring; vibration; vital signs monitoring

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究意义 1

1.2 SMS结构和Sagnac环在光纤传感领域的研究现状 2

1.2.1 SMS光纤传感器研究进展 2

1.2.2 Sagnac干涉传感器研究进展 3

1.2.3 光纤传感在生命体征检测领域的发展现状 4

1.3 课题研究的背景和主要内容 5

1.3.1 本论文的研究背景 5

1.3.2 本论文的主要内容 5

第二章 基于生命体征监测的光纤传感原理及仿真 7

2.1 光纤传感系统概述 7

2.2 SMS光纤结构传感原理 8

2.3 SMS光纤结构仿真 10

2.4 Sagnac环干涉原理 14

2.5 Sagnac环与SMS光纤结合的传感结构原理 15

2.6 本章小结 16

第三章 基于生命体征监测的还原方法的研究 17

3.1 基于光纤传感的生命体征监测系统搭建 17

3.2 还原算法 18

3.2.1 体动信号与离床信号的处理算法 18

3.2.2 呼吸速率获取算法 19

3.2.3 心率获取算法 20

3.3 系统工作流程 22

3.4 本章小结 22

第四章 生命体征监测系统性能验证 23

4.1 床垫传感器中的光路设计 23

4.2 床垫型生命体征监测传感器的制备 24

4.3 实验信号分析 26

4.3.1 复合结构传感器与只使用SMS结构的传感器监测效果对比 26

4.3.2 传感器监测的各状态下生命体征信号分析 27

4.4 本章小结 30

第五章 总结与展望 32

5.1 总结 32

5.2 展望 32

致谢 34

参考文献 35

第一章 绪论

课题研究意义

光纤传感器是一种将被测对象状态转变为光信号的传感器，光源入射的光束经过光纤送入调制器中，在调制器内由于外界要素影响使得光束中光的强度、频率等参数发生了变动，再经光纤送入器件中进行解调便可以获得造成影响的外界环境参数。基于光纤的传感器与传统的电子传感器相比，能够不受外界环境中电磁波影响，同时还具有小尺寸、极轻重量、几乎无噪声、响应速度快、信号容量大、超高可靠性等优点，能很好的将生理信号从含噪环境中提取、分离出来。

介于以上优点，光纤传感取得巨大成功，被广泛应用于国防建设、建筑设计、通信网络、物联网、航空航天、工业生产、安全防控、医疗检测等领域，成为现代传感领域中不可缺少的重要模块，更优秀光纤传感器的研发将会极大的推动各个传感领域的发展。

光纤传感器大致上能够划分为两种：光纤本身作为传感结构的传感器和利用光纤的传感器。如今，一种属于这种光纤自身传感器的单模—多模—单模光纤（SMS）结构传感器引起了越来越多人的关注，它在传感领域拥有重要价值和巨大潜力，因此成为了各国学者关注的焦点。

SMS光纤结构是一种基于多模光纤内部模式干涉原理的新型光纤结构，具有结构简单、制作容易、使用灵活的优点，它由两段单模光纤分别与一段多模光纤的两端耦合所构成，光束经过输入单模光纤耦合进多模光纤，从而激励多模光纤产生众多高阶模式，这些相位不同的模式交汇时会产生干涉，从而导致多模光纤中模间干涉效应，最终通过输出单模光纤耦合局部区域的光强进行输出。在耦合条件不变时，若多模光纤的外界环境未发生变化，检测到光功率不会发生变化，当外界环境变化时，通过检测输出光功率的变动数值并进行处理即可得到模式之间相位差的改变，由此可以得到影响到多模光纤状态的外界环境的某个物理量。