基于光纤湿度传感器的湿度监测系统

胡练华，李杰夫，程书辉

(1.四川卫生康复职业学院,四川 自贡 643000;2.云南经济管理学院,云南 昆明 650000)

0 引言

我国对卧床老人、婴幼儿尿液的处理主要依赖于尿不湿。尿不湿选型不合理引起尿液侧漏,更换不及时导致尿液回渗,回渗所造成的尿不湿表面湿度最高可达57.1%RH。尿不湿长时间不更换会造成使用者下体肌肤细菌滋生,甚至引发皮肤溃烂,而传统运用肉眼观察尿显和触摸的监测手段具有明显的迟滞性。所以,对尿不湿吸收尿液情况的快速监测就具有现实意义。针对这个问题,黄锐等人利用温湿度传感器与STC89C52控制器实现对患者的监测及失禁时的多层报警机制,并对服装结构优化与测试,完成对特护失禁患者的失禁内裤研究与设计,研究表明失禁内裤可以提高护工的二次更换效率和实际看护效率[1]。张萃珍等人设计了具有远程监测婴儿尿不湿的温湿度功能的装置,当温度或者湿度超过预设值时就会通过声光报警提醒监护人及时帮助婴儿跟换纸尿裤,避免长时间的接触排泄物对婴儿皮肤造成伤害[2]。

光纤具有耐腐蚀、抗电磁干扰、高灵敏度等特点,不会出现电容、电阻式传感器带来的易老化、易短路等问题[3-4]。本文设计了一种光纤湿度传感器的湿度监测系统,通过对传感器封装改进,并通过COMSOL软件进行仿真实验,实验结果表明,在压力为0～60 KN时,光纤湿度传感器波长未明显偏移,对压力不敏感;在相对湿度为10%RH～60%RH时,中心波长和相对湿度呈线性分布,重复性较好,监测系统能够有效监测相对湿度的轻微波动。

1 系统设计

监测系统总体设计包括光纤湿度传感器、上位机、光谱仪、光纤组成,其结构图如图1所示。

图1 监测系统整体结构图

激光器发射提供不同中心波长的激光信号。湿度传感器用于信号采集,可布设于病床床单下方,也可粘贴于尿不湿外表面,监测尿不湿周围环境湿度值。光谱仪用于光信号解析,提取回传激光中心波长。光纤用于传输激光信号。上位机进行数据记录,也可根据需要设置相应波长阈值发出告警。

2 监测原理

光在光纤内部利用全反射原理传播,当外界湿度发生变化时,光纤材料会受环境影响发生形变,微量形变都会影响光的反射率,反射率的变化会引起波长偏移,通过偏移量与湿度的拟合关系即可计算出外界湿度值。传感器选用文献[5]中对温度不敏感的光纤湿度传感器。考虑到光纤传感器可布设于床上,要解决压力对光纤湿度传感器带来的交叉敏感问题,需对传感器进行封装改进。将光纤传感器放入镂空钢槽中固定封装,当传感器受到压力时由传感器两侧的钢结构受力,传感器本身不会因为受力发生形变。其传感器改进后的结构图如图2所示:

图2 改进后的传感器结构图

在相对湿度10%～80%之间,传感器具有较好的拟合度。激光器发射波长为1 520～1 580 nm时,相对湿度和波长拟合关系为:

(1)

式中,RH为相对湿度,λ为波长。

传感器灵敏度可表示为:

(2)

式中,Δλ波长变化值;ΔRH为相对湿度变化值;n为F-P腔有效折射率;L为F-P腔长度。

3 系统仿真与数据分析

为验证监测系统的可行性,本文通过COMSOL建立监测系统模型进行仿真实验。先仿真压力对监测系统性能的影响,湿度为25%RH,光源波长为1 545 nm,给传感器施加向下不同的压力。光谱仪解析中心波长与压力的关系结果如图3所示。

图3 压力仿真结果图

图3看出经过多次测试,在0～60 KN之间,当外界压力发生变化,光谱仪解析的中心波长与光源波长相比未发生明显偏移,所改进的光纤湿度传感器对压力不敏感。

设置光源波长为1 545 nm,给传感器设置不同大小的相对湿度值来验证监测系统监测湿度变化效果。光谱仪解析中心波长与相对湿度仿真结果如图4所示。

图4 相对湿度测试图

通过相对湿度的重复性实验可以发现:在相对湿度为10%RH-60%RH之间,中心波长和相对湿度近乎呈线性分布,且重复性较好,该监测系统能够有效监测相对湿度的轻微波动。此外,可根据实际需要,在上位机中设置波长偏移阈值,波长偏移量超过阈值上位机即可发出告警。

4 结论

本文设计了一种基于光纤湿度传感器的湿度监测系统实现尿不湿侧漏、回渗情况的监测,通过对传感器封装改进,避免压力影响监测性能。运用COMSOL进行仿真实验,结果表明,在压力为0-60 KN时,光谱仪中心波长未明显偏移,监测系统对压力不敏感;在相对湿度为10%RH-60%RH湿度范围内,中心波长和相对湿度近乎呈线性分布,重复性较好,具有了良好的监测性能。监测系统布设简单、监测灵敏度高,具备现实生产的可能。