一种用于人体测温的高精度FBG传感器

于海鹰，秦旭辉，刘耀东，王艳艳，王 猛

（山东建筑大学，济南250101）

一种用于人体测温的高精度FBG传感器

于海鹰，秦旭辉，刘耀东，王艳艳，王 猛

（山东建筑大学，济南250101）

设计并制作出一种用于人体测温的高精度光纤布喇格光栅（FBG）传感器，介绍了FBG温度传感的原理，描述了该传感器的性能。为测试不同封装材料和形式对FBG传感精度的影响，另外制作了3种FBG温度传感器，并进行了对比试验。

光纤布喇格光栅；人体测温；温度传感器；增敏封装

0 引言

在医疗领域，对人体温度的准确测量是非常重要的[1]，有些治疗手段（如肿瘤热疗）需要在强电磁或超声波环境下获得精确的体温[2～5]，但在强电磁干扰的环境中，常规仪器很难准确测出体温。温度传感器可以对温度进行较精确的测量，但目前同时具备抗电磁干扰和高精度特性的温度传感器并不多。光纤布喇格光栅（FBG）传感器可以解决电磁干扰的问题，但裸光纤FBG的灵敏度系数在室温下仅为11.15pm/℃，不能满足人体测温的要求，需要对其进行增敏封装。因此，本文提出一种用于人体测温的、能抗电磁干扰且分辨率和测量精度都较高的聚丙烯（PP）-FBG传感器[6]。

1 FBG温度传感原理

FBG是一种等周期的光纤光栅，光栅通过相位掩膜法制备。在制备过程中光栅栅区内的光纤折射率会发生规律性变化。FBG传感光路图如图1所示，当入射光从光纤的一端进入光栅后，满足特定波长的光会发生反射，其余的光会透射出光纤成为透射光。这个特定波长称为该FBG的布喇格波长，用λB表示。由光纤波导理论可知，当满足相位匹配条件时，λB由纤芯折射率n和光栅周期[7]Λ决定，其数学表达式为：

图1 FBG传感光路图

由于n和Λ相互独立，λB的增量ΔλB可以表示为：

因为温度或应变的变化会引起FBG的Λ和n变化，所以我们在一定条件下检测出ΔλB即可计算得到应变或温度的变化。在应变为常数的情况下，温度的改变会使FBG延轴向发生变化，设温度变化ΔT引起的光栅周期变化量为ΔΛ，热光效应引起的折射率变化量为Δn，则ΔΛ和Δn的数学表达式分别为：

其中，α为光纤材料的热膨胀系数，ξ为热光系数。将式（3）、式（4）代入式（2）中整理得：

确定FBG的材料后，在一定范围内α和ξ为常数。由式（5）可知，ΔλB/λB与ΔT间呈线性变化，通过测量FBG的ΔλB，即可以计算出ΔT，这就是FBG温度传感器的原理。FBG温度灵敏度系数KT描述了FBG温度变化的灵敏度，将KT=(α+ξ)λB代入式（5）整得：

2 新型FBG温度传感器

2.1 PP-FBG温度传感器的结构

由于PP板具有增敏效果好、抗电磁干扰能力强和稳定性高的优点，因此，本文设计的PP-FBG温度传感器采用双层聚丙烯基底封装，尺寸为40mm×16mm× 2mm(×2)。其中一层基底上刻有横截面为0.5mm× 0.5mm的矩形槽，用于放置光纤光栅。封装前对光纤施加一定的预应力，采用环氧树脂 （稳定温度为-50℃～65℃）粘连两层基底。PP-FBG温度传感器结构如图2所示。

图2 PP-FBG温度传感器结构

2.2 PP-FBG温度传感器测试

本文采用水浴法对PP-FBG温度传感器的精度和线性度进行了实验，实验的系统图如图3所示。将光纤FBG温度传感器放入恒温水浴箱中测量升温过程中温度的变化，低温恒温箱的精度为0.01℃，调温范围为0℃～100℃，以中心波长变化0.1nm为间隔，每次温度稳定20min。同时，通过FBG解调仪测量出不同温度对应的中心波长，解调仪的精度为0.1nm，解调范围为1500～1600nm。实验得到了温度为15℃～45℃时对应的FBG中心波长，具体数据如图4所示。我们通过式（5）计算PP-FBG传感器的温度灵敏度系数，其中 α=10.37×10-5/℃，ξ=6.67×10-6/℃,中心波长为1547.4nm,得到的温度灵敏度系数理论值为170.1pm/℃,实测灵敏度系数为166.7pm/℃，与理论值相差不大。裸光纤FBG灵敏度系数为11.15pm/℃，PP-FBG传感器的灵敏度为裸光纤FBG的15倍，在解调设备分辨力为1pm的情况下，温度分辨力为0.006℃。

图3 实验系统图

图4 PP-FBG温度传感器测试结果

3 4种传感器的对比测试

3.1 实验方法和结果分析

为了与PP-FBG温度传感器做对比试验，我们制作了防啁啾FBG温度传感器、全注胶FBG温度传感器和紫铜中空管状传感器3种温度传感器，传感器的结构和材料特性如表1所示。本文采用与测试PPFBG温度传感器相同的测试方法对这3种传感器进行了测试，得到的实验数据如表2所示。

表1 4种传感器的结构和材料特性

表2 4种传感器的测试数据

3.2 实验分析

从表2可以看出，在线性度方面，15℃～45℃范围内，全注胶FBG温度传感器的相关系数较低，为0.74，另外3个传感器的相关系数都接近1，说明防啁啾FBG传感器、紫铜中空管状传感器和PP-FBG温度传感器的线性度较好。但是，金属材质封装的传感器导热率高，在一些特殊场合会产生温度测不准现象，如在磁流体热疗中检测温度会受到交变磁场的影响。因此，PP-FBG温度传感器较其它3种传感器更适用于人体温度的测量。

在灵敏度方面，4种传感器中PP-FBG温度传感器的灵敏度最高，为裸光纤FBG的15倍，而另外3种传感器的灵敏度系数仅为裸光纤的2倍左右，达不到人体高精度温度传感器的灵敏度要求。另外，PP-FBG温度传感器灵敏度系数的理论值和实验值之间存在微小差异，这是因为光纤光栅的硬度比聚合物大，两者之间是非刚性连接，热膨胀不同步。

PP-FBG温度传感器的灵敏度与基底尺寸呈正相关，其响应时间与基底的尺寸呈负相关。因此，在光纤光栅温度传感器的制作过程中可以通过改变传感器基底尺寸的大小满足不同的测量需求。

4 结束语

本文设计了一种PP-FBG传感器，该传感器采用聚丙烯进行增敏封装，在15℃～45℃拥有完美的线性度，分辨力达到0.006℃，灵敏度为裸光纤的15倍，传感器整体抗电磁干扰、无毒、耐腐蚀，比较适合人体测温领域。我们对PP-FBG传感器及另外3种采用不同封装材料的传感器做了性能测试，实验结果表明，相比于其它3种传感器，PP-FBG温度传感器的线性度和灵敏度都更好。本研究的不足之处在于PP-FBG传感器不适用于环境温度高于45℃的测量，温度高于45℃后传感器的线性度会明显降低，今后的研究可着重解决此问题。

[1]虞倩.高精度医用光纤温度传感器的研制及其特性研究[D].杭州：中国计量学院,2012.

[2]任新颖.肿瘤热疗中组织温度场测量方法及关键技术研究[D].北京：北京工业大学,2008.

[3]陈树湛.肿瘤热疗的温度测控技术及应用研究[D].上海：上海交通大学,2008.

[4]盛磊.微波热疗超声监测系统及关键技术研究[D].北京：北京工业大学,2013.

[5]郭中华.肿瘤热疗中交变磁场测量系统的研究[D].广州：广东工业大学,2006.

[6]马晓川,周振安,刘爱春,等.高灵敏度稳定光纤光栅温度传感器的研究[J].光电子.激光,2013(7)：1245-1250.

High-precision FBG sensor for human body temperature detection

YU Hai-ying，QIN Xu-hui，LIU Yao-dong，WANG Yan-yan，WANG Meng
(Shandong Jianzhu University，Jinan 250101,China)

The paper designs and produces a high-precision FBG sensor for body temperature detection,and introduces the temperature sensing principle of FBG,describes the performance of the sensor.The paper presentes another three FBG temperature sensor with different structures and conductes the tests for testing effect of different materials and packages on FBG sensing accuracy.

FBG,body temperature detection,temperature sensor,sensitizing package

TP212

A

1002-5561（2016）04-0033-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.011

2015-10-13。

山东省自然科学基金（Y2007G54）资助；住房与城乡建设项目（2013K826，2013K145）资助。

于海鹰（1961-），男，教授，博士，主要研究方向为建筑智能化系统、建筑能耗监测系统、光纤耦合与传感等。