一种基于混沌光纤环衰荡技术的类皮肤可穿戴传感器

1.本发明属于光纤传感器领域，涉及一种光纤环衰荡传感器，具体涉及一种基于混沌光纤环衰荡技术的类皮肤可穿戴传感器。


背景技术：

2.现如今，在医疗健康检测领域对柔性传感设备的需求不断增长。特别是类皮肤、可拉伸和可穿戴的应力传感器是多种潜在应用所必需的，包括个性化健康及康复监测、人体运动检测、软机器人等，能够进行实时和连续的监测，并为有效的健康跟踪和医疗保健质量改进提供新的机会。
3.许多导电纳米材料和聚合物，如石墨烯纳米壁，碳纳米管和ni聚合物复合材料，已被研究用于人体传感器的设计，受益于其优异的机械柔韧性和电传感性能。这些电子传感器能够精确和连续地监测体温，但由于使用金属部件，生物相容性较差。此外，电子传感器容易受到电磁干扰(emi)，难以小型化，并受到电气安全问题(例如电流泄漏)的影响。可穿戴式传感器设计的一种有前途的替代方法是使用类皮肤材料封装的光纤传感器，它具有类皮肤可穿戴的特性，以及灵敏度高、重量轻、体积小、emi抗扰度和固有的电气安全性。
4.光纤布拉格光栅(fbg)由于其独特的特性，如小尺寸、生物相容性、抗电磁干扰性、高灵敏度和多路复用能力，对医疗应用越来越有吸引力。光纤光栅已被用于开发手术工具，辅助设备，可穿戴设备和生物传感器，显示出巨大的医疗用途潜力。当前fbg传感器的原理主要是基于一宽带光源，经由fbg之后，利用光谱分析仪对fbg的反射光谱进行测量，得到fbg反射谱的中心波长与应力或温度之间的关系来进行传感。其存在的问题便是传感的分辨率取决于所使用的光谱分析仪的分辨率，而光谱分析仪的价格普遍较贵，分辨率越高，其价格便越高。使用高分辨率的光谱分析仪会提高实验成本。而对于需要进行光强差测量的传感单元，每个部位的检测都需要多个fbg才能实现。对于使用fbg进行应力传感，也常常会忽略环境温度所造成的影响。
5.近年来将一种新的光纤传感技术——光纤环衰荡技术与fbg结合在一起进行传感，产生了很好的传感效果。将fbg接入到光纤衰荡环中，测量由温度或应力引起的fbg中心波长的漂移转换为光在光纤环中的衰荡时间，即将波长域的变化转换到时域中，从而可以避免光谱仪的使用，既可以降低成本，也可以提高测量分辨率。当前的光纤环衰荡技术大多采用脉冲激光作为光源，以脉冲强度的衰荡时间作为被测量。这种基于脉冲光的光纤衰荡环系统在设计光纤环时需要考虑光纤环长，以避免脉冲信号之间产生串扰，长光纤环会增加环内的损耗，对测量分辨率和脉冲信号的形状产生一定的不利影响，且脉冲激光的产生装置较为复杂。
6.聚二甲基硅氧烷(pdms，其分子式为[si(ch3)2o]n)，俗称光硅胶，是一种重复性的交联弹性聚合物材料，一般有液态和固态两种状态。pdms具有光学透明性，且在一般情况下，无毒、不易燃，有良好的热学稳定性、结构可塑性、气体透过性、优良的绝缘性和化学惰性，耐腐蚀、高温、化学品等，而且成本低，因此价格也相对低廉，可以大量生产，且使用方法
简单，耗时短。基于种种优势，pdms材料常选用为增敏材料做包敷涂层或者基底。


技术实现要素：

[0007]
本发明针对现有技术的不足提供了一种基于混沌光纤环衰荡技术的类皮肤可穿戴传感器。
[0008]
一种基于混沌光纤环衰荡技术的类皮肤可穿戴传感器，包括光源部分、光纤衰荡环和数据处理装置；光源部分为混沌光纤激光器；光纤衰荡环包括光耦合器oc-2、光耦合器oc-3、光隔离器iso和传感单元；其中两个光耦合器的分光比均为95：5，传感单元由聚二甲基硅氧烷封装光纤布拉格光栅组成；
[0009]
数据处理装置pc内置算法包括解决体表温度对fbg应力传感的影响、pdms的温度增敏作用的影响、以及将所采集到的混沌信号进行自相关运算和拟合计算，获得人体运动相关数据。
[0010]
根据权利要求1所述的类皮肤可穿戴传感器，其特征在于，混沌光纤激光器采用环形腔结构，980nm的半导体激光器ld作为泵浦源通过波分复用器wdm输入掺铒光纤edf，6m长的掺铒光纤edf作为增益介质；腔中的可调滤波器tfgb用来改变激光器的输出波长，调节范围为1542—1560nm,通过偏振控制器pc来调节光的偏振态，光隔离器iso确定环形腔内光的单向传输；10％的光从光耦合器oc-1输出，90％的光继续在腔内循环。利用光纤的非线性克尔效应实现混沌激光的产生，通过调节泵浦源和偏振控制器来获得最好的混沌状态，输出的混沌序列由示波器实时进行观察。
[0011]
所述的类皮肤可穿戴传感器，混沌光纤激光器产生的混沌光由耦合器2的5％端口进入到光纤衰荡环中，每在衰荡环中循环一圈，光强都会因环内的损耗而产生一定的衰减，光电探测器pd与光耦合器oc-3的5％端口相连接，光电探测器pd将探测到的光信号转换为电信号，然后由示波器osc显示。
[0012]
所述的类皮肤可穿戴传感器，数据处理装置pc内置算法包括：
[0013]
pdms热膨胀系数为9.6
×
10-4
/℃，pdms温度从20℃升至40℃变化20℃，设σ
p
表示fbg受pdms热膨胀的应力，t表示体表温度，则
[0014]
c＝-13.16416
±
0.09479(4)
[0015]
d＝0.64408
±
0.0031(5)
[0016]
σ
p
＝c+dt(6)
[0017]
根据fbg的布拉格波长和栅格周期公式，设反射谱的布拉格波长(中心波长)为纤芯的有效折射率为n
eff
，bragg周期为λ，则
[0018]
λb＝2n
eff
λ(7)
[0019]
中心波长的漂移量δλb与轴向应力σ之间的线性关系如下述公式所示，其中，pe是有效光弹系数，ε是fbg的应变，e为光纤的弹性模量，取熔融石英中e＝7.0
×
10
10
pa；p
11
，p
12
是光学应力张量分量，ν是纤芯材料的泊松系数。在熔融石英中，p
11
＝0.121，p
12
＝0.270，n
eff
＝1.456，ν＝0.17；则
[0020]
δλb＝(1-pe)λbε＝(1-pe)λbσ/e(8)
[0021]
[0022]
中心波长的漂移量δλb与温度之间的线性关系如下述公式所示：
[0023]
δλb＝λbk
t
δt(10)
[0024]kt
＝ξ+α(11)
[0025]
其中k
t
是fbg的相对温度灵敏度系数，对于熔融石英光纤，热光系数ξ＝0.7
×
10-5
/℃，线性热膨胀系数α＝5.5
×
10-7
，则k
t
＝0.755
×
10-5
/℃；
[0026]
设fbg在20℃-40℃下的波长漂移变化为δλ
t
，t为体表温度，t0＝20℃，则
[0027]
δλ
t
＝λbk
t
(t-t0) (12)
[0028]
设fbg受pdms热膨胀应力产生波长漂移变化为δλ
p
，则
[0029]
δλ
p
＝(1-pe)λbσ
p
/e＝(1-pe)λb(c+dt)/e(13)
[0030]
设fbg仅受人体运动应力波长漂移变化为δλf，则
[0031]
δλf＝(1-pe)λbσf/e＝(1-pe)λb(a*x^b)/e(14)
[0032]
设传感单元内fbg受人体运动影响总体波长为λ，则
[0033]
λ＝λb+δλ
t
+δλ
p
+δλf(15)
[0034]
所以，假设体表温度为35℃时，t＝35℃,σ
p
＝9.38n/m2，δλ
t
＝0.176nm，设该体表温度下传感单元内fbg受人体运动影响总体波长为λ
35
，则
[0035]
λ
35
＝1550.176nm+(1-pe)λb(a*xb+c+dt)/e(16)
[0036]
fbg的反射谱和混沌激光光谱的数学表达式分别为：
[0037]
p(λ)＝p
0 exp[-α1(λ-λ0)2] (17)
[0038]
r(λ)＝r
b exp[-α2(λ-λb)2] (18)
[0039]
这里λ0和λb分别是混沌激光和fbg反射谱的中心波长，p0和rb分别是混沌激光和fbg在中心波长处的功率和反射率。α1和α2是混沌激光光谱和fbg反射谱的半高全宽。
[0040]
两者的重叠面积为：
[0041][0042]
两者重叠面积所占混沌激光光谱面积的比例即为所引起的损耗，损耗b的表达式为：
[0043][0044]
混沌自相关峰的衰荡时间为：
[0045][0046]
此时fbg中心波长为运动时受人体运动影响总体波长λ，体表温度为t，结合公式(15)、公式(21)即可根据传感所得衰荡时间结果得出此时人体运动的程度，得
[0047]
[0048]
本发明所述的一种基于混沌自相关光纤环衰荡技术的类皮肤可穿戴传感器，实现传感的装置由混沌光纤激光器和光纤衰荡环两部分组成。其中混沌光纤激光器采用环形腔结构，用波长980nm的半导体激光器作为泵浦源，6m的掺铒光纤作为增益介质，利用光纤的非线性克尔效应产生混沌激光，混沌激光通过光耦合器进入到光纤衰荡环中，光纤衰荡环由两个光耦合器、光隔离器和传感单元组成，传感单元为一个由pdms封装的fbg，pdms的弹性模量可以通过调整pdms预聚物与固化剂的质量比来改变，根据人体皮肤的弹性模量与柔韧程度，本发明中pdms为采用10：1的预聚物和固化剂配比搅拌固化制成。光纤环输出端接到一个光电探测器上，光电探测器再连到示波器上，通过电脑采集示波器上的数据并进行处理。通过建立光纤衰荡环中混沌自相关峰的衰荡时间与人体运动程度之间的关系来实现传感及对fbg中心波长的解调。
[0049]
本发明的有益效果是：(1)混沌光纤激光器产生的混沌激光有很强的抗干扰能力，可以减小实验中外界噪声的影响。(2)混沌序列自相关呈δ函数，有极窄的宽度，设计光纤环时无需考虑环长度对信号的限制，可以选择更短的环长，环长越短灵敏度越高。(3)使用fbg作为传感单元，无需使用光谱仪来进行解调，从而可以有较高的分辨率。(4)利用衰荡环进行传感，无需测量传感单元光强差，减少fbg使用个数。(5)进行人体运动时，解决体表温度对fbg应力传感的影响。(6)采用pdms对fbg进行封装，保护了传感单元并具备类皮肤可拉伸的特性，利用pdms的温度增敏作用更易于测得体表温度。
附图说明
[0050]
图1是本发明所采用的混沌光纤激光器的结构示意图。
[0051]
图2是本发明所采用的混沌光纤激光器的输出时序图。
[0052]
图3是本发明所采用的混沌光纤激光器的输出光谱图。
[0053]
图4是本发明所采用的混沌光纤激光器输出的混沌序列自相关图。
[0054]
图5是本发明所采用的光纤衰荡环的结构示意图。
[0055]
图6是光纤衰荡环中的混沌自相关峰衰荡图。
[0056]
图7是comsol中传感单元仿真模型。
[0057]
图8是comsol中域探针fbg位置图。
[0058]
图9是comsol中仿真各等级下fbg所受应力变化。
[0059]
图10是手臂示意图(标黑处为传感单元)。
[0060]
图11是腹部示意图(标黑处为传感单元)。
[0061]
图12是颈部示意图(标黑处为传感单元)。
[0062]
图中，ld：半导体激光器，wdm：波分复用器，edf：掺铒光纤，smf：单模光纤，tfbg：可调滤波器，oc：光耦合器，pc：偏振控制器，iso：光隔离器，fbg：光纤布拉格光栅，pdms：聚二甲基硅氧烷，pd：光电探测器，osc：示波器。
具体实施方式
[0063]
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0064]
基于混沌光纤环衰荡技术的类皮肤可穿戴传感器包括光源部分、光纤衰荡环和数据处理装置。
[0065]
参考图1，为本发明的光源部分：混沌光纤激光器的结构示意图，混沌光纤激光器采用环形腔结构，980nm的半导体激光器ld作为泵浦源通过波分复用器wdm输入掺铒光纤edf，6m长的掺铒光纤edf作为增益介质。腔中的可调滤波器tfgb用来改变激光器的输出波长，调节范围为1542—1560nm,通过偏振控制器pc来调节光的偏振态，光隔离器iso确定环形腔内光的单向传输。10％的光从光耦合器oc-1输出，90％的光继续在腔内循环。利用光纤的非线性克尔效应实现混沌激光的产生，通过调节泵浦源和偏振控制器来获得最好的混沌状态，输出的混沌序列可由示波器实时进行观察。
[0066]
参考图2，为本发明所采用的光源—混沌光纤激光器的输出时序图，通过调节泵浦电流和偏振控制器，由示波器上的时序图可以看出混沌光纤激光器的输出逐渐的进入混沌状态，呈现出杂乱无章的类噪声的时序。基于混沌序列的这一特性，对其进行自相关运算之后，会呈现出一个类δ函数的形状，且其宽度极窄，如参考图4所示，这使得混沌光的应用变的更加广泛。
[0067]
参考图3，为本发明所采用的混沌光纤激光器的光谱图。通过调节滤波器，可以得到不同的混沌激光输出波长。
[0068]
参考图5，为本发明所采用的光纤衰荡环结构示意图，光纤衰荡环包括光耦合器oc-2、光耦合器oc-3、光隔离器iso和传感单元。其中两个光耦合器的分光比均为95：5，传感单元由聚二甲基硅氧烷封装光纤布拉格光栅组成。混沌光纤激光器产生的混沌光由耦合器2的5％端口进入到光纤衰荡环中，每在衰荡环中循环一圈，光强都会因环内的损耗而产生一定的衰减，光电探测器pd与光耦合器oc-3的5％端口相连接，光电探测器pd将探测到的光信号转换为电信号，然后由示波器osc显示。
[0069]
数据处理装置内置算法包括解决体表温度对fbg应力传感的影响、pdms的温度增敏作用的影响、以及将所采集到的混沌信号进行相关和拟合计算，获得人体运动相关数据。在本装置中所得到的混沌自相关峰衰荡如图6所示，从图中可以看出混沌自相关峰呈e指数衰减，峰值衰减到e-1
的时间即为所需衰荡时间。图中两个相邻的自相关峰间的距离即为光在衰荡环中走一圈所用的时间,基于此可以得到所采用的光纤衰荡环的长度为5.26m。
[0070]
通过comsol模拟传感单元进行仿真。将整个含fbg光纤作为一个光纤粗细的石英圆柱体，表面包覆有材料为pdms的长方体，添加圆柱体作为人体部位并设置其运动，传感单元仿真模型参考图7所示。设置光纤、pdms及人体皮肤骨骼材料参数，包括杨氏模量、泊松比及主要皮肤摩擦系数等。设置域探针模拟fbg并导出其受力及位移等仿真数据，fbg位置参考图8中箭头所指部位，其并不位于直接发生弯曲处。设置传感单元两端为固定约束，模拟将传感单元穿戴于皮肤上使发生运动时fbg受到拉伸应力。设置人体部位为指定位移，沿z轴向下0.2mm/s速度移动挤压传感单元，直至光纤被拉伸到最大理想范围停止，以此模拟人体运动时，关节或肌肉对传感单元产生挤压及拉伸应力。因指定位移的仿真过程为0mm至4mm，故以位移距离将人体部位的不断向下挤压产生弯曲拉伸模拟均匀分为从0级到4级的9个弯曲等级，0级为初始状态不施加应力即传感单元不发生弯曲的平直状态，4级为产生最大弯曲应变即传感单元可被拉伸的最大理想程度，仿真可得各等级下fbg所受应力变化参考图9所示,σf表示fbg所受拉伸应力，x表示等级，设其变化函数关系拟合为σf＝f(x),则
[0071]
a＝15597900
±
46939.90744(1)
[0072]
b＝1.88608
±
0.00247(2)
[0073]
σf＝f(x)＝a*x^b(3)
[0074]
对pdms温度传感增敏进行仿真，pdms热膨胀系数为9.6
×
10-4
/℃，pdms温度从20℃升至40℃变化20℃，设σ
p
表示fbg受pdms热膨胀的应力，t表示体表温度，则
[0075]
c＝-13.16416
±
0.09479(4)
[0076]
d＝0.64408
±
0.0031(5)
[0077]
σ
p
＝c+dt(6)
[0078]
根据fbg的布拉格波长和栅格周期公式，设反射谱的布拉格波长(中心波长)为纤芯的有效折射率为n
eff
，bragg周期为λ，则
[0079]
λb＝2n
eff
λ(7)
[0080]
中心波长的漂移量δλb与轴向应力σ之间的线性关系如下述公式所示，其中，pe是有效光弹系数，ε是fbg的应变，e为光纤的弹性模量(取熔融石英中e＝7.0
×
10
10
pa)。p
11
，p
12
是光学应力张量分量，ν是纤芯材料的泊松系数。在熔融石英中，p
11
＝0.121，p
12
＝0.270，n
eff
＝1.456，ν＝0.17。则
[0081]
δλb＝(1-pe)λbε＝(1-pe)λbσ/e(8)
[0082][0083]
中心波长的漂移量δλb与温度之间的线性关系如下述公式所示：
[0084]
δλb＝λbk
t
δt(10)
[0085]kt
＝ξ+α(11)
[0086]
其中k
t
是fbg的相对温度灵敏度系数，对于熔融石英光纤，热光系数ξ＝0.7
×
10-5
/℃，线性热膨胀系数α＝5.5
×
10-7
，则k
t
＝0.755
×
10-5
/℃。
[0087]
根据以上传感原理，结合comsol模拟的传感模型所仿真应力等数据，由matlab进行仿真，选用中心波长λb＝1550.000nm，即可得出如下仿真结果：
[0088]
设fbg在20℃-40℃下的波长漂移变化为δλ
t
，t为体表温度，t0＝20℃，则
[0089]
δλ
t
＝λbk
t
(t-t0) (12)
[0090]
设fbg受pdms热膨胀应力产生波长漂移变化为δλ
p
，则
[0091]
δλ
p
＝(1-pe)λbσ
p
/e＝(1-pe)λb(c+dt)/e(13)
[0092]
设fbg仅受人体运动应力波长漂移变化为δλf，则
[0093]
δλf＝(1-pe)λbσf/e＝(1-pe)λb(a*x^b)/e(14)
[0094]
设传感单元内fbg受人体运动影响总体波长为λ，则
[0095]
λ＝λb+δλ
t
+δλ
p
+δλf(15)
[0096]
所以，假设体表温度为35℃时，t＝35℃,σ
p
＝9.38n/m2，δλ
t
＝0.176nm，设该体表温度下传感单元内fbg受人体运动影响总体波长为λ
35
，则
[0097]
λ
35
＝1550.176nm+(1-pe)λb(a*xb+c+dt)/e(16)
[0098]
对于本发明所采用的实验装置中，fbg中心波长与光纤环衰荡时间关系仿真如下：
[0099]
fbg的反射谱和混沌激光光谱的数学表达式分别为：
[0100]
p(λ)＝p
0 exp[-α1(λ-λ0)2] (17)
[0101]
r(λ)＝r
b exp[-α2(λ-λb)2] (18)
[0102]
这里λ0和λb分别是混沌激光和fbg反射谱的中心波长，p0和rb分别是混沌激光和
fbg在中心波长处的功率和反射率。α1和α2是混沌激光光谱和fbg反射谱的半高全宽。
[0103]
两者的重叠面积为：
[0104][0105]
两者重叠面积所占混沌激光光谱面积的比例即为所引起的损耗，损耗b的表达式为：
[0106][0107]
混沌自相关峰的衰荡时间为：
[0108][0109]
综上，实验中所采用的fbg的初始中心波长λb为1550.000nm，反射率为12％，半高全宽≤0.25nm。将混沌激光波长设定为1549.998nm，光纤衰荡环的长度为5.26m；
[0110]
此时fbg中心波长为运动时受人体运动影响总体波长λ，体表温度为t，结合公式(15)公式(21)即可根据传感所得衰荡时间结果得出此时人体运动的程度，得
[0111][0112]
在进行人体运动传感时，使用医用胶布将传感单元贴于所测部位皮肤上后，无运动情况下fbg只受温度影响，此时可根据衰荡时间结果得出fbg波长漂移结果，并根据波长漂移结果得出此时体表温度，以此来校准已穿戴传感单元时的fbg中心波长，然后再进行运动检测，这样既可测得传感部位的体表温度，也避免了温度对fbg应力传感的影响。参考图10所示穿戴，可进行握拳发力时小臂肌肉运动的传感检测；参考图11所示穿戴，通过对腹部涨缩运动的检测可实现对呼吸频率的传感；参考图12所示穿戴，将传感单元竖直贴于颈部后可实现脖颈弯曲传感，从而可对长时间的低头伏案工作进行检测提示。
[0113]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种基于混沌光纤环衰荡技术的类皮肤可穿戴传感器，其特征在于，包括光源部分、光纤衰荡环和数据处理装置；光源部分为混沌光纤激光器；光纤衰荡环包括光耦合器oc-2、光耦合器oc-3、光隔离器iso和传感单元；其中两个光耦合器的分光比均为95：5，传感单元由聚二甲基硅氧烷封装光纤布拉格光栅组成；数据处理装置pc内置算法包括解决体表温度对fbg应力传感的影响、pdms的温度增敏作用的影响、以及将所采集到的混沌信号进行自相关运算和拟合计算，获得人体运动相关数据。2.根据权利要求1所述的类皮肤可穿戴传感器，其特征在于，混沌光纤激光器采用环形腔结构，980nm的半导体激光器ld作为泵浦源通过波分复用器wdm输入掺铒光纤edf，6m长的掺铒光纤edf作为增益介质；腔中的可调滤波器tfgb用来改变激光器的输出波长，调节范围为1542—1560nm,通过偏振控制器pc来调节光的偏振态，光隔离器iso确定环形腔内光的单向传输；10％的光从光耦合器oc-1输出，90％的光继续在腔内循环。利用光纤的非线性克尔效应实现混沌激光的产生，通过调节泵浦源和偏振控制器来获得最好的混沌状态，输出的混沌序列由示波器实时进行观察。3.根据权利要求1所述的类皮肤可穿戴传感器，其特征在于，混沌光纤激光器产生的混沌光由耦合器2的5％端口进入到光纤衰荡环中，每在衰荡环中循环一圈，光强都会因环内的损耗而产生一定的衰减，光电探测器pd与光耦合器oc-3的5％端口相连接，光电探测器pd将探测到的光信号转换为电信号，然后由示波器osc显示。4.根据权利要求1所述的类皮肤可穿戴传感器，其特征在于，数据处理装置pc内置算法包括：pdms热膨胀系数为9.6
×
10-4
/℃，pdms温度从20℃升至40℃变化20℃，设σ
p
表示fbg受pdms热膨胀的应力，t表示体表温度，则c＝-13.16416
±
0.09479(4)d＝0.64408
±
0.0031(5)σ
p
＝c+dt(6)根据fbg的布拉格波长和栅格周期公式，设反射谱的布拉格波长(中心波长)为纤芯的有效折射率为n
eff
，bragg周期为λ，则λ
b
＝2n
eff
λ(7)中心波长的漂移量δλ
b
与轴向应力σ之间的线性关系如下述公式所示，其中，p
e
是有效光弹系数，ε是fbg的应变，e为光纤的弹性模量，取熔融石英中e＝7.0
×
10
10
pa；p
11
，p
12
是光学应力张量分量，ν是纤芯材料的泊松系数；在熔融石英中，p
11
＝0.121，p
12
＝0.270，n
eff
＝1.456，ν＝0.17；则δλ
b
＝(1-p
e
)λ
b
ε＝(1-p
e
)λ
b
σ/e(8)中心波长的漂移量δλ
b
与温度之间的线性关系如下述公式所示：δλ
b
＝λ
b
k
t
δt(10)k
t
＝ξ+α(11)其中k
t
是fbg的相对温度灵敏度系数，对于熔融石英光纤，热光系数ξ＝0.7
×
10-5
/℃，
线性热膨胀系数α＝5.5
×
10-7
，则k
t
＝0.755
×
10-5
/℃；设fbg在20℃-40℃下的波长漂移变化为δλ
t
，t为体表温度，t0＝20℃，则δλ
t
＝λ
b
k
t
(t-t0) (12)设fbg受pdms热膨胀应力产生波长漂移变化为δλ
p
，则δλ
p
＝(1-p
e
)λ
b
σ
p
/e＝(1-p
e
)λ
b
(c+dt)/e(13)设fbg仅受人体运动应力波长漂移变化为δλ
f
，则δλ
f
＝(1-p
e
)λ
b
σ
f
/e＝(1-p
e
)λ
b
(a*x^b)/e(14)设传感单元内fbg受人体运动影响总体波长为λ，则λ＝λ
b
+δλ
t
+δλ
p
+δλ
f
(15)所以，假设体表温度为35℃时，t＝35℃,σ
p
＝9.38n/m2，δλ
t
＝0.176nm，设该体表温度下传感单元内fbg受人体运动影响总体波长为λ
35
，则λ
35
＝1550.176nm+(1-p
e
)λ
b
(a*x
b
+c+dt)/e(16)fbg的反射谱和混沌激光光谱的数学表达式分别为：p(λ)＝p0exp[-α1(λ-λ0)2] (17)r(λ)＝r
b
exp[-α2(λ-λ
b
)2] (18)λ0和λ
b
分别是混沌激光和fbg反射谱的中心波长，p0和r
b
分别是混沌激光和fbg在中心波长处的功率和反射率；α1和α2是混沌激光光谱和fbg反射谱的半高全宽；两者的重叠面积为：两者重叠面积所占混沌激光光谱面积的比例即为所引起的损耗，损耗b的表达式为：混沌自相关峰的衰荡时间为：此时fbg中心波长为运动时受人体运动影响总体波长λ，体表温度为t，结合公式(15)、公式(21)即可根据传感所得衰荡时间结果得出此时人体运动的程度，得

技术总结
本发明公开了一种基于混沌光纤环衰荡技术的类皮肤可穿戴传感器，包括光源部分、光纤衰荡环和数据处理装置；光源部分为混沌光纤激光器；光纤衰荡环包括光耦合器OC-2、光耦合器OC-3、光隔离器ISO和传感单元；其中两个光耦合器的分光比均为95：5，传感单元由聚二甲基硅氧烷封装光纤布拉格光栅组成；数据处理装置PC内置算法包括解决体表温度对FBG应力传感的影响、PDMS的温度增敏作用的影响、以及将所采集到的混沌信号进行自相关运算和拟合计算，获得人体运动相关数据。进行人体运动检测时，解决体表温度对FBG应力传感的影响。采用PDMS对FBG进行封装，保护了传感单元并具备类皮肤可拉伸的特性，利用PDMS的温度增敏作用更易于测得体表温度。表温度。表温度。


技术研发人员：杨玲珍 李一潇 樊林林 王娟芬 曹书玮
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/8/28