CN111150378A - 一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测***及方法，***包括床垫、若干体征光纤光栅传感器、解调仪、上位机；体征光纤光栅传感器包括若干分布式温度光纤光栅传感器、分布式压力光纤光栅传感器以及分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器；体征光纤光栅传感器均固定设置在埋入床垫内床网与面料中间的填充物中，并保持深度在同一水平面上；体征光纤光栅传感器均与解调仪连接，并通过串口将解调仪输出信号传输给上位机，对用户在睡眠时的健康状态进行监测，包括心率、呼吸、体温等体征参数；并根据用户睡眠状态下压力场监测情况，分析睡姿、离床情况。本发明通过分布式多参数光纤光栅传感器组网实现多体征及睡眠运动状态信息的监测。

Description

一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测***及方法

技术领域

本发明属于智能家居、医疗保健等技术领域，涉及一种睡眠状态多体征分布式光纤智能监测技术，具体涉及一种非侵入式多体征分布式光纤感知的智能床垫及感知方法。

背景技术

人口老龄化问题已成为当前全世界各国面临的共同话题。据相关资料统计分析，我国在2035年60岁以上的老年人口将达4亿，因此，如何保障老年人的健康将成为国家和社会的关注重点。通常，清醒状态老人体征突然产生变化时，其自身和旁人可及时察觉，以及时救治。但睡眠状态且无人陪护时，老人易出现如因急性病导致体温骤升或骤降、呼吸暂停、心率中断以及滚落床等突发状况。此时，老人处于自身护理存在难度或无人/错过护理状态，特别是养老院和ICU等场所的老人或病患，极易错过黄金救治时间。

对于老人或病患进行睡姿及离床监测的必要性在于：

1、睡姿监测：老人或病患长时间保持相同睡姿睡眠可能会影响正常呼吸、血液流通，从而导致呼吸暂停、心脏缺血骤停、身体局部麻痹等问题，严重影响老人或病患的健康。例如：在美国，每年有150万人因身体局部组织长期受到压迫，供血不足而导致褥疮，经济损失高达50亿美元。其中，老年人和四肢无力的病患就是褥疮患者的主要群体。在我国，人口老龄化问题日益严重，监测老年人的睡姿预防上述疾病发生，尤为重要。

2、离床监测：睡眠期间，老人或病患可能会因翻身、抽搐等原因产生突然跌落床的风险。正常离床步骤是用户从平躺状态到坐起再站立起身，与突然跌落的状态截然不同，通过床垫上分布的多体征光纤传感器感知压力场分布变化，判断用户的离床状态，从而使跌落后起身困难的用户得到及时救治。

目前，国内虽然有一些公司已研制了智能手环等体测产品，但它们对呼吸、心率等体征参量的测量灵敏度有限，易受电磁干扰(ICU病房其它电类医疗设备)，还难以实现人体多体征的分布式检测。

因此，提出一种对人体睡眠多体征的非侵入式分布式光纤监测***及方法极其重要，可对睡眠态下人体健康状态实现实时监测与预警，以提升老人/病患的睡眠质量与突发救治率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测***及方法，可实时检测用户的体温、心率、呼吸等体征和分析睡姿、离床等睡眠状态。

本发明的***所采用的技术方案是：一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测***，其特征在于：包括床垫、若干体征光纤光栅传感器、解调仪、上位机；

所述若干体征光纤光栅传感器包括若干分布式温度光纤光栅传感器、分布式压力光纤光栅传感器以及分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器；

所述若干体征光纤光栅传感器均固定设置在所述埋入床垫内床网与面料中间的填充物中，并保持深度在同一水平面上；

所述若干体征光纤光栅传感器均与所述解调仪连接，并通过网络将所述解调仪输出信号传输给所述上位机，对用户在睡眠时的健康状态进行监测。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测方法，其特征在于：通过分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器测量心率与呼吸体征参数；通过分布式压力光纤光栅传感器与分布式温度光纤光栅传感器监测人体的温度场、压力场情况，测量温度、分析睡姿、离床情况。

本发明的有益效果为：

1、采用的光纤光栅(FBG)传感器具有尺寸小、抗电磁干扰、多参数动态分布式感知等优势，可实现多体征参量(如体温、心率、呼吸等)的协同解耦检测；

2、光纤光栅传感器均为非侵入式感知模式，对使用者具有良好的适应性；

3、通过调节曲梁尺寸(纤维弹性梁的凸起部)参数，可实现压力传感器和心跳传感器的灵敏度调整；

4、运用波分复用技术，可实现多传感信号单光纤传输与感知，有望共用单解调模块构建睡眠状态下多老人或病患、多体征(如体温、心率、呼吸等)分布式实时检测与预警***；

5、通过分布式体温和压力的感知数据，可再现睡眠状态下人体的温度分布情况，获取使用者睡姿和离床等信息，实现深层次多功能的监护；

6、对使用者睡眠状态下海量数据存储功能，可供使用者轻松读取睡眠下体征数据，同时可以为后续建立医学专家知识库提供数据源，以为使用者提供专业健康指导；

7、传感器及床垫制造简单，使用方便，通用性强，可广泛适用于不同场所，易于实现产品化，具有广阔的市场。

8、针对整个社会逐步老龄化、劳动力短缺的发展趋势，多个监测***可以集成在同一套数据采集方案中，可实现对多老人或病患的全天候监护，真正做到“无人陪护”，以达到释放劳动力、缓解人力短缺的目的。

附图说明

图1是本发明实施例的监测***示意图；

图2是本发明实施例的分布式温度光纤光栅传感器的示意图；

图3是本发明实施例的分布式压力光纤光栅传感器的示意图；

图4是本发明实施例的分布式压力光纤光栅传感器的工作原理图；

图5是本发明实施例的分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器的示意图；

图6是本发明实施例的分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器的工作原理图；其中(a)心跳/呼吸光纤光栅传感器结构简图；(b)FBG1工作原理图；(c)FBG2工作原理图；

图7是本发明实施例的多体征光纤光栅传感器分布的示意图；

图8是本发明实施例的单个床垫监测***示意图。

图中：

图2：101、第一光纤，102、第一光纤光栅FBG，103、铜管，104、第一粘接剂；

图3：201、第二光纤，202、第二碳纤维弹性梁，203、第二粘接剂，204、第二基底，205、第二光纤光栅FBG；

图5：301、第三光纤，302、第三碳纤维弹性梁，303、第三基底，304、第三光纤光栅FBG1，304、第四光纤光栅FBG2，306－挂部件，307、第三粘结剂，308、第四光纤。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测***，包括床垫、若干体征光纤光栅传感器、解调仪、上位机；

若干体征光纤光栅传感器包括若干分布式温度光纤光栅传感器、分布式压力光纤光栅传感器以及分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器；

若干体征光纤光栅传感器均固定设置在埋入床垫内床网与面料中间的填充物中，并保持深度在同一水平面上；

若干体征光纤光栅传感器均与解调仪连接，并通过串口将解调仪输出信号传输给上位机，对用户在睡眠时的健康状态进行监测。

请见图2，本实施例提供的分布式温度光纤光栅传感器由第一光纤101、第一光纤光栅FBG102，铜管103、第一粘接剂104组成；铜管103套设在第一光纤101上，两端通过第一粘接剂104封闭；第一光纤光栅FBG102设置在第一光纤101上，位于铜管103内部；第一光纤101在铜管103内呈松弛状态，以避免应变耦合，进而实现人体温度的测量。

请见图3，本实施例提供的分布式压力光纤光栅传感器由第二光纤201、第二碳纤维弹性梁202、第二粘接剂203、第二基底204、第二光纤光栅FBG205组成；第二碳纤维弹性梁202中部凸起，两端与第二基底204固定连接在一起；第二光纤201横穿第二碳纤维弹性梁202，并通过第二粘接剂203将第二光纤201与第二碳纤维弹性梁202连接处封闭；第二光纤光栅FBG205设置在第二光纤201上，位于第二碳纤维弹性梁202与第二基底204之间的空腔内。

曲梁(第二碳纤维弹性梁202凸起部)受压，使FBG发生轴向拉伸，通过FBG对应的波长漂移实现对压力进行测量，融合光纤光栅波分复用技术，实现床垫压力分布状态，以获得被监测人睡姿与离床情况。

请见图5，本实施例提供的分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器由第三光纤301、第三碳纤维弹性梁302、第三基底303、第三光纤光栅FBG1304、第四光纤光栅FBG2305、挂部件306、第三粘结剂307、第四光纤308组成；第三碳纤维弹性梁302中部凸起，两端与第三基底303固定连接在一起；第三光纤301横穿第三碳纤维弹性梁302，并通过第三粘接剂307将第三光纤301与第三碳纤维弹性梁302连接处封闭，第三光纤301在第三碳纤维弹性梁302与第三基底303之间的空腔内呈紧绷状态；第三基底303上设置有光纤安装槽，第四光纤308安装在光纤安装槽内，两端通过第三粘接剂307封闭，第四光纤308在第三基底303的光纤安装槽内呈紧绷状态；挂部件306设置在第三碳纤维弹性梁302的凸起部内腔上壁上，第三光纤301、第四光纤308均挂设在挂部件306上，使光纤形成弯曲紧绷状态；第三光纤光栅FBG1304设置在第三光纤301上，位于第三碳纤维弹性梁302与第三基底303之间的空腔内；第四光纤光栅FBG2305、设置在第四光纤308上，位于第三碳纤维弹性梁302与第三基底303之间的空腔内。

曲梁(第三碳纤维弹性梁302凸起部)受力向下变形，带动挂部件306拉动FBG，通过两个FBG的差分处理，可实现对人体呼吸与心率的检测的温度自补偿。分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器具有高灵敏度，心跳/呼吸产生作用力使曲梁受压，FBG发生轴向拉伸，通过FBG对应的波长漂移量实现对压力进行测量，以检测用户的心跳、呼吸体征数据。

请见图6和图7，本实施例的传感器均为非侵入式感知模式，将多个多体征光纤光栅传感器埋入床网与面料中间的填充物中，并保持埋入深度在同一水平面上。根据光纤分布原理，多个压力光纤光栅传感器与心率/呼吸光纤光栅传感器分布在同根光纤a上，在床垫***上形成压力场。多个温度光纤光栅传感器分布同根光纤b上，在床垫***上整体形成温度场。考虑床垫尺寸及人的正常平躺睡姿，将床垫分成A区和B区两个传感器布置区域。A区布置心率/呼吸光纤光栅传感器、压力光纤光栅传感器与温度光纤光栅传感器，B区布置压力光纤光栅传感器与温度光纤光栅传感器。床垫***中分布心率/呼吸光纤光栅传感器与温度光纤光栅传感器，可以直接测量心率与呼吸体征参数；分布压力光纤光栅传感器、温度光纤光栅传感器可以监测人体的温度场、压力场情况，用于测量温度、分析睡姿、离床情况。利用光纤波分复用技术，将两根光纤分别接入解调仪，实现单光纤传输与感知，在上位机(PC端)读取测量数据，对用户在睡眠时的健康状态进行监测。

本发明可以将多个光纤感知智能床垫集成一体化，通过网线连接或无线网络，将各个***的多组动态监测数据实时上传至大数据智能诊断平台，再调用平台中的数据库，获取使用者的健康监测数据，为使用者提供健康安全保障。

本发明还提供了一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测方法，通过分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器，测量心率与呼吸体征参数；通过分布式压力光纤光栅传感器与分布式温度光纤光栅传感器监测人体的温度场、压力场情况，测量温度、分析睡姿、离床情况。

本实施例的分布式温度光纤光栅传感器，将含有FBG的光纤两侧固定在铜管两端(两个粘接处的距离稍长于铜管长度)，此时光纤呈松弛状态，避免应变耦合的影响。当被测环境温度发生变化，第一光纤光栅FBG102中心波长产生漂移，通过漂移值获得温度变化量，从而实现温度监测；

根据光纤光栅传感原理，波长漂移与温度变化量关系如下：

其中，λ_B为初始状态下光纤光栅中心波长，K_T为光纤光栅对温度灵敏度系数，ΔT为温度变化量，Δλ_B为第一光纤光栅FBG102中心波长偏移值，ζ表示第一光纤101的热光系数，α表示第一光纤101的热膨胀系数。

由上式可通过FBG中心波长偏移值实时获取温度变化信息，进而获取整个智能光纤感知床垫温度场信息。

请见图4，本实施例的分布式压力光纤光栅传感器，将含有FBG的光纤依次穿过碳纤维弹性曲梁两端的孔，用粘接剂固定一端的光纤与孔后，用力拉伸光纤，使光纤处于紧绷状态，再将另一侧光纤与另一个孔粘接。将基底粘接在曲梁两端的下方，起到保护光纤的作用。当曲梁受力产生向下位移时，光纤产生轴向拉伸，即产生轴向应变，进而使FBG中心波长产生偏移，通过偏移值可以测量压力变化。多个压力传感器分布在***里形成压力场，再分析压力场中不同压力传感器的测量值，可获得睡姿和离床的情况。

其中，分布式压力光纤光栅传感器受压时其轴向应变变化量为：

式中：L为光纤原长，ΔL为光纤的纵向伸缩量；

其中，ΔL求解方法如下：

取第二碳纤维弹性梁202左半部分为求解对象，建立以A点为原点，AB方向为x轴正方向，与AB垂直的向上为y轴正方向的坐标系，通过几何关系转化，可得到AOB弧段上某点在x轴，y轴上的分量：

当

时：

其中，R是第二碳纤维弹性梁的初始半径，θ为第二碳纤维弹性梁与第二光纤之间形成的AOB弧段圆心角；f为拱形顶点O距光纤中心竖直方向距离；

为角θ的自变量。

拱形顶点O处受力F引起的弯矩：

运用单位载荷法求解ΔL：

其中，E为杨氏模量，I为弹性梁惯性矩。

令

式5简化为：

应力引起光栅波长偏移由下式描述：

其中，λ₀为光栅初始状态下中心波长，Δλ₀光栅中心波长变化量，ρ_e为有效弹光系数，α_f为第二光纤(201)的热光系数，ξ_f为第二光纤(201)热膨胀系数，ΔT为温度变化量。

根据光纤的轴对称性：ε_x＝ε_z，将式6带入式7中，可得：

其中，K_ε为压力灵敏度系数，K_t为温度灵敏度系数；

当温度和压力同时作用于传感器时，温度和压力的波长漂移由下面的矩阵给出：

其中，Δλ₀和Δλ_B分别表示分布式压力光纤光栅传感器和分布式温度光纤光栅传感器的波长漂移量；K_ΔT，0和K_ΔT，B分别表示分布式压力光纤光栅传感器和分布式温度光纤光栅传感器对温度的感应系数；K_F，0和K_F，B分别表示分布式压力光纤光栅传感器和分布式温度光纤光栅传感器对压力的感应系数；

由式得到：

通过结合式1、2、8和10，即解耦计算出对应区域压力值；

通过监测若干分布式压力光纤光栅传感器形成的压力场，再分析压力场中不同分布式压力光纤光栅传感器的测量值，获得睡姿和离床的情况。

请见图本实施例的分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器，将一根刻写FBG1的光纤依次穿过分布在碳纤维弹性梁两端至曲梁顶竖直向距离f的孔，用粘接剂固定一端的光纤与孔后，用力拉伸光纤，使光纤处于水平紧绷状态，将另一侧光纤与另一个孔粘接。将另一根刻有FBG2的光纤穿过基底上的槽内，用粘接剂将光纤一端和槽粘接，用力拉伸光纤，使光纤保持水平紧绷状态，将光纤另外一端与槽粘接。将基底两端与曲梁两端粘接，将两根光纤的中间部位放入连接杆挂钩/开放孔处，再将连接杆上端推入曲梁上方尺寸配套的T形槽中。使光纤形成弯曲状态，FBG1产生高度差H₁。FBG2产生高度差H₂。曲梁受压，带动连接杆下移，光纤产生轴向拉伸，即产生轴向应变，使FBG1、FBG2中心波长产生偏移，利用波长偏移量与压力对应关系，检测呼吸和心率等体征参数。其中，两个FBG通过差分，避免了温度解耦的影响，提高了传感器对于压力测量的精度。

本实施例中，第三光纤301、第四光纤308均呈弯曲状态，使第三光纤光栅FBG1304产生高度差H₁，第四光纤光栅FBG2305产生高度差H₂；当第三碳纤维弹性梁202凸起部受力产生向下位移时，带动挂部件306下移，光纤产生轴向拉伸，即产生轴向应变，使FBG1、FBG2中心波长产生偏移，利用波长偏移量与压力对应关系，检测呼吸和心率参数；

第三光纤301初始状态下处于水平位置，当挂设在挂部件306上之后，第三光纤301处于A₀O₀B₀位置，此时距初始无扰状态下应变变化量为：

其中，H₁为挂设在挂部件306上之后第三光纤301中心段下移距离，L为无扰状态下光纤长度，b为挂部件宽度一半宽度；

当第三碳纤维弹性梁302受力产生形变后，向下带动挂部件306，将第三光纤301向下位移d，带动第三光纤301产生应变；则第三光纤301处于A₁C₁B₁位置时，第三光纤301较A₀O₀B₀位置应变变化量：

其中，第三碳纤维弹性梁302A₀点水平位置位移ΔL由单位载荷法求得：

1求解原载荷作用下的弯矩方程

建立以A₀点为原点，A₀B₀方向为x轴正方向，与A₀B₀垂直的向上为y轴正方向的坐标系，通过几何关系转化，可得到A₀O₀B₀弧段上某点在x轴，y轴上的分量：

当

时：

当

时：

其中，θ为A₀OB₀段圆弧曲率；R为A₀OB₀段圆弧半径；f为第三碳纤维弹性梁302顶点O距FBG1水平状态的距离；L为FBG1水平状态长度；

为角θ的自变量。

当

时，拱形顶点O处受力F作用下的弯矩方程为：

2撤除载荷F，沿水平轴向施加单位载荷为：

3单位载荷下的下弯矩方程

其中，E为杨氏模量，I为弹性梁惯性矩；

令

式17表示为：

18A₀O₀B₀和A₁C₁B₁位置的FBG1中心波长λ₀₁和λ_ω1可描述为：

其中，λ₁是水平状态下的FBG1初始中心波长；p_e为光纤光栅有效弾光系数，ε₀₁和ε₁为A₀O₀B₀和A₁C₁B₁位置的应变；

将Δε₁带入，由泰勒展开公式知：

其中，S₁为FBG1的压力灵敏度，Δλ_FBG1为FBG1中心波长变化量；

第四光纤308初始状态下处于水平位置，当挂设在挂部件306上之后处于A₂O₂B₂位置，此时距初始无扰状态下应变变化量为：

其中，H₂为挂设在挂部件306上之后第四光纤308中心段上移距离，L₂为无扰状态下第四光纤308长度；b为挂部件宽度的一半。

当第三碳纤维弹性梁302受力产生形变后，向下带动挂部件306，将第四光纤308向下位移d，带动第四光纤308产生应变；则第三光纤301处于处于A₂C₂B₂位置时，应变变化量较A₂O₂B₂位置为：

其中，竖直方向位移d可由单位载荷法求得：

当

时，得受力点O的转角

其中，θ为整个第三碳纤维弹性梁302弧段的圆心角；M_O为受力状态下O点转矩。

由转角

求得M_O，即求得原载荷作用下的下弯矩方程：

计算单位载荷下的下弯矩方程：

结合式23～25，运用单位载荷法求得竖直位移d(F)表达式：

处于A₂O₂B₂和A₂C₂B₂位置的FBG2中心波长λ₀₂和λ_ω2描述为：

其中，λ₂为第四光纤308无扰状态下中心波长，p_e为有效弾光系数，ε₀₂和ε₂分别为第四光纤308处于A₂O₂B₂和A₂C₂B₂位置的应变；

将式22带入，简化得：

Δλ_FBG2＝λ_ω2-λ₀₂＝S₂·d(F) 28

式中：S₂为FBG2光纤传感器的压力灵敏度，d(F)由式26给出；

Δλ_FBG1-Δλ_FBG2＝S₁·ΔL(F)+S₂·d(F) 29

综上，对于单个心跳/呼吸光纤光栅传感器，通过FBG中心波长偏移值与传感器受力关系，检测压力变化；对于多个分布在人体背部的心跳/呼吸光纤光栅传感器，测得因心跳、呼吸对传感器产生的压力，即心率、呼吸参数。

与传统的电测传感器相比，光纤光栅(FBG)传感器具有尺寸小、抗电磁干扰、耐腐蚀性，易于实现动态分布式检测和远距离信号传输等优点。鉴于此，本发明采用光纤光栅波分复用技术，提出了一种非侵入式多体征分布式光纤智能监测***和方法，可实现监测体温、心率、呼吸等人体体征和分析睡姿、离床等睡眠运动状态，有望形成智能床垫，以提升老人/病患的睡眠质量与突发救治率。

在实际实施中，本发明中多体征光纤传感器材料选择、心跳/呼吸光纤传感器中曲梁的尺寸、连接杆设定位置等可改善多体征光纤传感器性能；多体征光纤传感器的分布密度也可以影响温度-压力场的分布；本发明的传感器监测原理不局限于光纤光栅原理，若在本发明的启示下，其他人员也可以做出与本发明相似的设计或对本发明做出修改例如法布里-珀罗原理，也可实现压力、温度的监测。特别需要指出的是，只要不脱离本发明的设计宗旨和该配置下的光纤光栅监测方式，所有显而易见的改变以及具有等同替换的相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测***，其特征在于：包括床垫、若干体征光纤光栅传感器、解调仪、上位机；

所述若干体征光纤光栅传感器包括若干分布式温度光纤光栅传感器、分布式压力光纤光栅传感器以及分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器；

所述若干体征光纤光栅传感器均固定设置在所述埋入床垫内床网与面料中间的填充物中，并保持深度在同一水平面上；

所述若干体征光纤光栅传感器均与所述解调仪连接，并通过串口将所述解调仪输出信号传输给所述上位机，对用户在睡眠时的健康状态进行监测。

2.根据权利要求1所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测***，其特征在于：所述分布式温度光纤光栅传感器由第一光纤(101)、第一光纤光栅FBG(102)，铜管(103)、第一粘接剂(104)组成；

所述铜管(103)套设在所述第一光纤(101)上，两端通过所述第一粘接剂(104)封闭；所述第一光纤光栅FBG(102)设置在所述第一光纤(101)上，位于所述铜管(103)内部；所述第一光纤(101)在所述铜管(103)内呈松弛状态，以避免应变耦合，进而实现人体温度的测量。

3.根据权利要求1所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测***，其特征在于：所述分布式压力光纤光栅传感器由第二光纤(201)、第二碳纤维弹性梁(202)、第二粘接剂(203)、第二基底(204)、第二光纤光栅FBG(205)组成；

所述第二碳纤维弹性梁(202)中部凸起，两端与所述第二基底(204)固定连接在一起；所述第二光纤(201)横穿所述第二碳纤维弹性梁(202)，并通过所述第二粘接剂(203)将第二光纤(201)与第二碳纤维弹性梁(202)连接处封闭；

所述第二光纤光栅FBG(205)设置在所述第二光纤(201)上，位于所述第二碳纤维弹性梁(202)与所述第二基底(204)之间的空腔内；所述第二光纤(201)在所述第二碳纤维弹性梁(202)与所述第二基底(204)之间的空腔内呈紧绷状态。

4.根据权利要求1所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测***，其特征在于：所述分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器由第三光纤(301)、第三碳纤维弹性梁(302)、第三基底(303)、第三光纤光栅FBG1(304)、第四光纤光栅FBG2(305)、挂部件(306)、第三粘结剂(307)、第四光纤(308)组成；

所述第三碳纤维弹性梁(302)中部凸起，两端与所述第三基底(303)固定连接在一起；所述第三光纤(301)横穿所述第三碳纤维弹性梁(302)，并通过所述第三粘接剂(307)将第三光纤(301)与第三碳纤维弹性梁(302)连接处封闭，所述第三光纤(301)在所述第三碳纤维弹性梁(302)与所述第三基底(303)之间的空腔内呈紧绷状态；

所述第三基底(303)上设置有光纤安装槽，所述第四光纤(308)安装在所述光纤安装槽内，两端通过所述第三粘接剂(307)封闭，所述第四光纤(308)在所述第三基底(303)的光纤安装槽内呈紧绷状态；

所述挂部件(306)设置在所述第三碳纤维弹性梁(302)的凸起部内腔上壁上，所述第三光纤(301)、第四光纤(308)均挂设在所述挂部件(306)上，使光纤形成弯曲紧绷状态；

所述第三光纤光栅FBG1(304)设置在所述第三光纤(301)上，位于所述第三碳纤维弹性梁(302)与所述第三基底(303)之间的空腔内；所述第四光纤光栅FBG2(305)、设置在所述第四光纤(308)上，位于所述第三碳纤维弹性梁(302)与所述第三基底(303)之间的空腔内。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测***，其特征在于：所述床垫分成A区和B区两个传感器布置区域；所述A区布置分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器、分布式温度光纤光栅传感器及分布式压力光纤光栅传感器，其中，分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器用于测量心率与呼吸体征参数；所述B区并排布置分布式压力光纤光栅传感器、分布式温度光纤光栅传感器，和所述A区布置的分布式温度光纤光栅传感器、分布式压力光纤光栅传感器共同监测人体的温度场、压力场情况，用于测量温度、分析睡姿、离床情况。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测***，其特征在于：所述床垫若干，每个所述床垫中均固定设置有若干体征光纤光栅传感器；所述若干体征光纤光栅传感器均与所述解调仪连接，并通过串口将所述解调仪输出信号传输给所述上位机，对用户在睡眠时的健康状态进行监测。

7.一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测方法，其特征在于：通过分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器，测量心率与呼吸体征参数；通过分布式压力光纤光栅传感器与分布式温度光纤光栅传感器监测人体的温度场、压力场情况，测量温度、分析睡姿、离床情况。

8.根据权利要求7所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测方法，其特征在于：所述分布式温度光纤光栅传感器，当被测环境温度发生变化，第一光纤光栅FBG(102)中心波长产生漂移，通过漂移值获得温度变化量，从而实现温度监测；

其中，根据光纤光栅传感原理，波长漂移与温度变化量关系如下：

其中，λ_B为初始状态下光纤光栅中心波长，K_T为光纤光栅对温度灵敏度系数，ΔT为温度变化量，Δλ_B为第一光纤光栅FBG(102)中心波长偏移值，ζ表示第一光纤(101)的热光系数，α表示第一光纤(101)的热膨胀系数。

9.根据权利要求8所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测方法，其特征在于：所述分布式压力光纤光栅传感器，当第二碳纤维弹性梁(202)凸起部受力产生向下位移时，第二光纤(201)产生轴向拉伸，即产生轴向应变，进而使第二光纤光栅FBG(205)中心波长产生偏移，通过偏移值测量压力变化；

其中，分布式压力光纤光栅传感器受压时其轴向应变变化量为：

式中：L为光纤原长，ΔL为光纤的纵向伸缩量；

其中，ΔL求解方法如下：

取第二碳纤维弹性梁(202)左半部分为求解对象，建立以A点为原点，AB方向为x轴正方向，与AB垂直的向上为y轴正方向的坐标系，通过几何关系转化，可得到AOB弧段上某点在x轴，y轴上的分量：

当

时：

其中，R是第二碳纤维弹性梁的初始半径，θ为第二碳纤维弹性梁与第二光纤之间形成的AOB弧段圆心角；f为拱形顶点O距光纤中心竖直方向距离；

为角θ自变量；

拱形顶点O处受力F引起的弯矩：

运用单位载荷法求解ΔL：

其中，E为杨氏模量，I为弹性梁惯性矩；

令

式(5)简化为：

应力引起光栅波长偏移由下式描述：

其中，λ₀为光栅初始状态下中心波长，Δλ₀光栅中心波长变化量，ρ_e为有效弹光系数，α_f为第二光纤(201)的热光系数，ξ_f为第二光纤(201)热膨胀系数，ΔT为温度变化量；

根据光纤的轴对称性：ε_x＝ε_z，将式(6)带入式(7)中，可得：

其中，K_ε为压力灵敏度系数，K_t为温度灵敏度系数；

当温度和压力同时作用于传感器时，温度和压力的波长漂移由下面的矩阵给出：

其中，Δλ₀和Δλ_B分别表示分布式压力光纤光栅传感器和分布式温度光纤光栅传感器的波长漂移量；K_ΔT，0和K_ΔT，B分别表示分布式压力光纤光栅传感器和分布式温度光纤光栅传感器对温度的感应系数；K_F，0和K_F，B分别表示分布式压力光纤光栅传感器和分布式温度光纤光栅传感器对压力的感应系数；

由式得到：

通过结合式(1)、(2)、(8)和(10)，即解耦计算出对应区域压力值；

通过监测若干分布式压力光纤光栅传感器形成的压力场，再分析压力场中不同分布式压力光纤光栅传感器的测量值，获得睡姿和离床的情况。

10.根据权利要求8所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测方法，其特征在于：所述分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器，第三光纤(301)、第四光纤(308)均呈弯曲紧绷状态，使第三光纤光栅FBG1(304)产生高度差H₁，第四光纤光栅FBG2(305)产生高度差H₂；当第三碳纤维弹性梁(202)凸起部受力产生向下位移时，带动挂部件(306)下移，光纤产生轴向拉伸，即产生轴向应变，使FBG1、FBG2中心波长产生偏移，利用波长偏移量与压力对应关系，检测呼吸和心率参数；

第三光纤(301)初始状态下处于水平位置，当挂设在挂部件(306)上之后，第三光纤(301)处于A₀O₀B₀位置，此时距初始无扰状态下应变变化量为：

其中，H₁为挂设在挂部件(306)上之后第三光纤(301)中心段下移距离，L为无扰状态下光纤长度，b为挂部件宽度的一半；

当第三碳纤维弹性梁(302)受力产生形变后，向下带动挂部件(306)，将第三光纤(301)向下位移d，带动第三光纤(301)产生应变；则第三光纤(301)处于A₁C₁B₁位置时，第三光纤(301)较A₀O₀B₀位置应变变化量：

其中，第三碳纤维弹性梁(302)A₀点水平位置位移ΔL由单位载荷法求得：

1)求解原载荷作用下的弯矩方程

建立以A₀点为原点，A₀B₀方向为x轴正方向，与A₀B₀垂直的向上为y轴正方向的坐标系，通过几何关系转化，可得到A₀O₀B₀弧段上某点在x轴，y轴上的分量：

当

时：

当

时：

其中，θ为A₀OB₀段圆弧曲率；R为A₀OB₀段圆弧半径；f为第三碳纤维弹性梁(302)顶点O距FBG1水平状态的距离；L为FBG1水平状态长度；

为角θ的自变量；

当

时，拱形顶点O处受力F作用下的弯矩方程为：

2)撤除载荷F，沿水平轴向施加单位载荷为：

3)单位载荷下的下弯矩方程

其中，E为杨氏模量，I为弹性梁惯性矩；

令

表示为：

A₀O₀B₀和A₁C₁B₁位置的FBG1中心波长λ₀₁和λ_ω1可描述为：

其中，λ₁是水平状态下的FBG1初始中心波长；p_e为光纤光栅有效弾光系数系数，ε₀₁和ε₁为A₀O₀B₀和A₁C₁B₁位置的应变；

将Δε₁带入，由泰勒展开公式知：

其中，S₁为FBG1的压力灵敏度；Δλ_FBG1为FBG1中心波长变化量；

第四光纤(308)初始状态下处于水平位置，当挂设在挂部件(306)上之后处于A₂O₂B₂位置，此时距初始无扰状态下应变变化量为：

其中，H₂为挂设在挂部件(306)上之后第四光纤(308)中心段上移距离，L₂为无扰状态下第四光纤(308)长度；b为挂部件宽度的一半；

当第三碳纤维弹性梁(302)受力产生形变后，向下带动挂部件(306)，将第四光纤(308)向下位移d，带动第四光纤(308)产生应变；则第三光纤(301)处于处于A₂C₂B₂位置时，应变变化量较A₂O₂B₂位置为：

其中，竖直方向位移d可由单位载荷法求得：

当

时，得受力点O的转角

其中，θ为整个第三碳纤维弹性梁(302)弧段的圆心角；M_O为受力状态下O点转矩；

由转角

求得M_O，即求得原载荷作用下的下弯矩方程：

计算单位载荷下的下弯矩方程：

结合式(23)～(25)，运用单位载荷法求得竖直位移d(F)表达式：

处于A₂O₂B₂和A₂C₂B₂位置的FBG2中心波长λ₀₂和λ_ω2描述为：

其中，λ₂为第四光纤(308)无扰状态下中心波长，p_e为有效弾光系数，ε₀₂和ε₂分别为第四光纤(308)处于A₂O₂B₂和A₂C₂B₂位置的应变；

将式(22)带入，简化得：

Δλ_FBG2＝λ_ω2-λ₀₂＝S₂·d(F) (28)

式中：S₂为FBG2光纤传感器的压力灵敏度，d(F)由式(26)给出；

Δλ_FBG1-Δλ_FBG2＝S₁·ΔL(F)+S₂·d(F) (29)

综上，对于单个心跳/呼吸光纤光栅传感器，通过FBG中心波长偏移值与传感器受力关系，检测压力变化；对于多个分布在人体背部的心跳/呼吸光纤光栅传感器，测得因心跳、呼吸对传感器产生的压力，即心率、呼吸参数。

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