CN111317481A - 柔性可穿戴光纤传感器及人动态全形体分布式监测方法 - Google Patents

柔性可穿戴光纤传感器及人动态全形体分布式监测方法 Download PDF

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CN111317481A CN202010243135.6A CN202010243135A CN111317481A CN 111317481 A CN111317481 A CN 111317481A CN 202010243135 A CN202010243135 A CN 202010243135A CN 111317481 A CN111317481 A CN 111317481A
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苏轶飞
郭文卓
谭跃刚
周祖德
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Abstract

本发明公开了一种柔性可穿戴光纤传感器及人动态全形体分布式监测方法，人动态全形体监测***包括解调仪、上位机、若干柔性可穿戴光纤传感器；其中柔性可穿戴光纤传感器由柔性弯曲光纤模块、第一光纤光栅、第二光纤光栅以及光纤光栅保护结构构成。运用光纤光栅波分复用技术，将若干柔性可穿戴光纤传感器串联，通过魔术贴和松紧带固定于用户身体，对用户运动状态进行监测，包括关节弯曲角、肌肉拉伸量，呼吸率等生理参数。本发明通过检测光纤光栅光谱信号中心波长对应光强的变化实现对拉伸和弯曲程度的识别，实时监测人体活动时的关节弯曲角、肌肉拉伸量，呼吸率等生理参数，具有高精度和灵敏度，且结构简单、可自由穿戴而不影响用户的运动自由度。

Description

柔性可穿戴光纤传感器及人动态全形体分布式监测方法
技术领域
本发明属于传感器技术、可穿戴设备等相关领域，特别是涉及一种柔性可穿戴光纤传感器及人动态全形体分布式监测方法。
背景技术
近年来，随着社会生活节奏的加快和人们作息的不规则，使大量人群处于亚健康状态，导致人们免疫下降而使患病概率有所增加。对人体的运动监测可实时获得人活动时的关节弯曲角、肌肉拉伸量，呼吸率等多项生理参数，为疾病预防和制定合理的运动计划及其方式提供原始数据，也可以为医生对患者的治疗和后续康复训练计划的制定提供数据技术支撑。
目前，国内外工业界和学术界不少学者提出了诸如电磁式、机械式、光学式运动监测传感器，对人体活动参数进行监测，但这些监测***存在体积大，对用户运动阻碍较大，尚无法对人体全身形态监测等缺点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多场合适用、能够对人体全身形态监测的、运动自由度高且小型化的柔性可穿戴光纤传感器，可灵活穿戴于用户身上实时获得人体运动数据并进行反馈，具有较高的实际应用价值。
本发明提供了一种柔性可穿戴光纤传感器，其特征在于：包括第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、第二固化模具、毛细钢管、第一光纤光栅、第二光纤光栅、单模石英光纤、魔术贴；
所述第一柔性薄膜中设置有若干半径为R0的弯曲单模石英光纤安装槽；所述第二柔性薄膜为一片面积与所述第二固化模具表面契合的柔性薄膜；
所述第二固化模具为一“工”字型3D打印结构，其上表面有一“工字型”凹槽，凹槽底面中间部位有一长方形凸起结构用于设置所述第一柔性薄膜，凹槽底面左右两端各有两个圆柱体凸起结构用于套挂魔术贴，模具两边开有直径为d的圆形槽使套有所述毛细钢管的单模石英光纤能从中穿过。
所述单模石英光纤上有第一光纤光栅、第二光纤光栅，所述第一光纤光栅、第二光纤光栅上均套设有所述毛细钢管；
所述第一柔性薄膜固定设置在所述第二固化模具内，所述单模石英光纤设置在弯曲的单模石英光纤安装槽内，所述单模石英光纤一端与外界解调仪连接；
所述第一柔性薄膜固化于所述第二柔性薄膜内；所述魔术贴分别固定设置在所述第二柔性薄膜左右两端。
本发明还提供了第一柔性薄膜制作模具，其特征在于：所述第一柔性薄膜制作模具为初次固化模具，用于制作弯曲光纤单排布置的柔性薄膜，所述初次固化模具为一长方体形3D打印结构，上表面有一长方体形凹槽，在凹槽底面设置用于形成所述第一柔性薄膜中单排单模石英光纤安装槽的凸起结构。
本发明还提供了第一柔性薄膜制作模具，其特征在于：所述第一柔性薄膜制作模具为初次固化模具，用于制作弯曲光纤多排布置的柔性薄膜，所述初次固化模具为一长方体形3D打印结构，上表面有一长方体形凹槽，在凹槽内部设置用于形成所述第一柔性薄膜中多排单模石英光纤安装槽的凸起结构。
本发明还提供了一种柔性可穿戴光纤传感器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将Ecoflex系列硅橡胶材料中A、B两种材料以1:1的质量比配比好的液态硅橡胶材料注入初次固化模具中，在预设温度T1环境中静置预设M1小时，取出带有布线纹路的第一柔性薄膜；
步骤2：将第一柔性薄膜固定设置在第二固化模具内，单模石英光纤设置在弯曲的单模石英光纤安装槽内，所述单模石英光纤与外界解调仪连接；
步骤3：将魔术贴分别固定设置在第二固化模具左右两端，使魔术贴可被封装在固化后的第二柔性薄膜内。
步骤4：将Ecoflex系列硅橡胶材料中A、B两种材料以1:1的质量比配比好的液态硅橡胶均匀浇筑入二次固化模具中，使液面与二次固化模具上表面齐平，在预设温度T2环境中静置预设M2小时，形成第二柔性薄膜。
本发明还提供了一种腰带分布式的柔性可穿戴光纤传感器，其特征在于：将弯曲光纤三排设置的柔性可穿戴光纤传感器用魔术贴(208)固定在普通弹性腰带(602)中，制成智能运动腰带在运动时通过魔术贴(208)捆扎在用户的腹部，用以监测人在运动时的呼吸率。
本发明还提供了一种利用柔性可穿戴光纤传感器进行人动态全形体分布式监测方法，其特征在于：将若干柔性可穿戴光纤传感器通过魔术贴和腰带分布式固定设置在用户预设位置。
本发明还提供了一种人动态全形体监测***，其特征在于：包括解调仪、上位机和若干柔性可穿戴光纤传感器；所述若干柔性可穿戴光纤传感器均通过解调仪与所述上位机连接通信
本发明通过检测光纤光栅(FBG)光谱信号中中心波长对应光强的变化实现对拉伸和弯曲程度的识别，可实时监测人体活动时的关节弯曲角、肌肉拉伸量，呼吸率等生理参数，具有较高的精度和灵敏度，且结构简单、可自由穿戴而不影响用户的运动自由度。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
1、采用的光纤光栅传感器具有尺寸小、多参数动态分布式感知等优势，实现对人全身形态监测。
2、传感器结构简单，采用柔性结构，可灵活布置于用户的衣物表面而不影响其运动自由度，以提高用户活动的舒适性。
3、传感器正向或反向拉伸/弯曲时，拉伸/弯曲的幅度越大，所检测光强损耗增加或减小的幅度也越大，不仅具有较高的精度和灵敏度，而且可实现拉伸/弯曲监测的同时也能识别拉伸/弯曲的方向。
4、可通过调整制备时所述柔性弯曲光纤模块内光纤的初始弯曲半径，来实现对传感器灵敏度进行不同的配置。
5、通过解调光纤光栅光谱信号中心波长对应光强的变化实现对拉伸和弯曲程度的识别，解调电路简单、成本低且精度较高。
6、所述传感器具有制造简单、成本低、使用方便、通用性强等优势，可广泛适用于不同场所，易于实现产品化，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1是本发明实施例的弯曲光纤单排布置的柔性可穿戴光纤传感器制备流程图；
图2是本发明实施例的弯曲光纤多排布置的柔性可穿戴光纤传感器制备流程图；
图3是本发明实施例的柔性可穿戴光纤传感器示意图；
图4是本发明实施例的柔性可穿戴光纤传感器检测拉伸工况的工作原理图；
图5是本发明实施例的柔性可穿戴光纤传感器检测弯曲工况的工作原理图；
图6是本发明实施例的柔性可穿戴光纤传感器监测呼吸率的工作原理图；
图7是本发明实施例的柔性可穿戴光纤传感器对于人体分布的示意图；
图中：
图1：101-初次固化模具，102-二次固化模具，103-毛细钢管，104-第一光纤光栅，105-第二光纤光栅，106-单模石英光纤，107-焊接点，108-魔术贴。
图2：201-初次固化模具，202-毛细钢管，203-第一光纤光栅，204-第二光纤光栅，205-单模石英光纤，206-焊接点，207-二次固化模具，208-魔术贴。
图6:601-弯曲光纤三排设置的柔性可穿戴光纤传感器，602-普通弹性腰带。
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，为本发明实施例提供的一种柔性可穿戴光纤传感器，为弯曲光纤单排布置的柔性可穿戴光纤传感器；包括第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、第二固化模具102、毛细钢管103、第一光纤光栅104、第二光纤光栅105、单模石英光纤106、魔术贴108；第一柔性薄膜中设置有若干半径为R0的弯曲单模石英光纤106安装槽；第二柔性薄膜为一片面积与第二固化模具102表面契合的柔性薄膜；
第二固化模具102为一“工”字型3D打印结构，其上表面有一“工字型”凹槽，凹槽底面中间部位有一长方形凸起结构用于设置所述第一柔性薄膜，凹槽底面左右两端各有两个圆柱体凸起结构用于套挂魔术贴，模具两边开有直径为d的圆形槽使套有所述毛细钢管的单模石英光纤能从中穿过。
单模石英光纤106上有第一光纤光栅104、第二光纤光栅105，第一光纤光栅104、第二光纤光栅105上均套设有毛细钢管103；
第一柔性薄膜固定设置在第二固化模具102内，单模石英光纤106设置在弯曲的单模石英光纤106安装槽内，单模石英光纤106一端与外界解调仪连接；
第一柔性薄膜包含于第二柔性薄膜中；魔术贴108分别固定设置在第二柔性薄膜左右两端。
第一柔性薄膜制作模具为初次固化模具101，用于制作弯曲光纤单排布置的柔性薄膜，所述初次固化模具为一长方体形3D打印结构，上表面有一长方体形凹槽，在凹槽底面设置用于形成第一柔性薄膜中单排单模石英光纤安装槽的凸起结构。
本实施例的弯曲光纤单排布置的柔性可穿戴光纤传感器的制作方法为：请见图1(a)，首先将Ecoflex系列硅橡胶材料中A、B两种材料以1:1的质量比配比好的液态硅橡胶材料迅速注入初次固化模具101中，静置6-8小时(或45℃温度加热1小时)，取出带有布线纹路的柔性薄膜请见图(b)。请见图(c)，将柔性薄膜置于二次固化模具102的合理位置上，为在缩小标距的同时不增加布线难度，两端各有一柔性薄膜段悬空布置。请见图(d)，将第一光纤光栅104和第二光纤光栅105通过焊接方式连接为一体，中间留有一定间距的单模石英光纤106用于弯曲布置于前述柔性薄膜中，将焊接点107、第一光纤光栅104、第二光纤光栅105均固定于毛细钢管103中，使其得到有效保护，亦可防止在监测过程中光栅受载荷作用影响监测结果。请见图(e)，将焊接和保护好的光纤光栅沿路径布置于前述柔性薄膜内，之后将魔术贴108套挂在两端夹持区域柱形体上使魔术贴被封装在固化后的第二柔性薄膜内，魔术贴下表面开有凹槽通道使光纤可穿过，上表面略高出模具一定高度，使柔性传感器可粘接在衣物表面。请见图(f)，将配比好的液态硅橡胶均匀浇筑入前述二次固化模具102中，使液面与模具上表面齐平，常温固化6-8小时或45℃固化1小时即可得到所设计的柔性可穿戴光纤传感器。
请见图2，为本发明实施例提供的一种柔性可穿戴光纤传感器，为弯曲光纤多排布置的柔性可穿戴光纤传感器；其与弯曲光纤单排布置的柔性可穿戴光纤传感器仅仅是弯曲光纤布置结构不一致，原理一致，故不再此做累述。
本实施例的第一柔性薄膜制作模具为初次固化模具201，用于制作弯曲光纤多排布置的柔性薄膜，所述初次固化模具为一长方体形3D打印结构，上表面有一长方体形凹槽，在凹槽内部设置用于形成第一柔性薄膜中多排单模石英光纤安装槽的凸起结构。
本实施例的弯曲光纤多排布置的柔性可穿戴光纤传感器制作方法为：请见图2(a)：首先将Ecoflex系列硅橡胶材料中A、B两种材料以1:1的质量比配比好的液态硅橡胶材料迅速注入初次固化模具201中，静置6-8小时(或45℃温度加热1小时)，取出带有布线纹路的柔性薄膜，并将柔性薄膜置于二次固化模具的合理位置上，为在缩小标距的同时不增加布线难度，两端各有一柔性薄膜段悬空布置。请见图(b)，将第一光纤光栅203和第二光纤光栅204通过焊接方式连接为一体，中间留有一定间距的单模石英光纤205用于弯曲布置于前述柔性薄膜中，将焊接点206、第一光纤光栅203、第二光纤光栅204均固定于毛细钢管202中，使其得到有效保护，亦可防止在监测过程中光栅受载荷作用影响监测结果。请见图(c)，将焊接和保护好的光纤光栅沿路径布置于前述柔性薄膜内，之后将魔术贴208放置在两端夹持区域合理位置上使魔术贴被封装在固化后的第二柔性薄膜内，魔术贴下表面开有凹槽通道使光纤可穿过，上表面略高出模具一定高度，使柔性传感器可粘接在衣物表面。将配比好的液态硅橡胶均匀浇筑入前述二次固化模具207中，使液面与模具上表面齐平，常温固化6-8小时或45℃固化1小时即可得到所设计的柔性可穿戴光纤传感器请见图(d)。
请见图3，为本发明实施例的柔性可穿戴光纤传感器示意图。本发明设计柔性薄膜中弯曲光纤单排布置(图(a))和多排布置(图(b))两种情况，弯曲光纤多排布置的柔性可穿戴光纤传感器的灵敏度较弯曲光纤单排布置的柔性可穿戴光纤传感器得到大幅提升，更适应于诸如呼吸等人体体征中微小参量的测量。传感器运用光纤弯曲时光强损耗原理来检测所受拉伸长度或弯曲角度。光纤光强损耗是指光纤每单位长度上的衰减，单位为dB/km。当传感器受到正向拉伸或弯曲时，柔性薄膜内光纤弯曲半径增大，导致所测弯曲损耗减小；当传感器受到反向拉伸或弯曲时，柔性薄膜内光纤弯曲半径减小，导致所测弯曲损耗增大。根据弯曲损耗与拉伸长度或弯曲角度的映射关系可获得此时的拉伸长度或弯曲角度值。运用魔术贴将两端延伸段紧固于衣物表面，从而将传感器穿戴于人体。
请见图4，为本发明实施例柔性可穿戴光纤传感器检测拉伸工况的工作原理图。将柔性可穿戴光纤传感器粘贴于人肌肉部位，可监测人拉伸运动时的肌肉拉伸量。拉伸量的变化会使传感器柔性薄膜中光纤弯曲半径发生变化，进而使光通过传感器的光强损耗发生改变，通过经损耗后的FBG2的实时光强获得拉伸值，从而实现对运动人体肌肉拉伸量的监测。
根据Marcuse理论，可将弯曲光纤通过修正折射率转化为等效直光纤来计算光纤弯曲损耗，可得出光纤弯曲半径为R时纯光纤的弯曲损耗系数：
Figure BDA0002433217890000071
其中：
Figure BDA0002433217890000072
为归一化相位常数，即波矢在光纤径向或横向的分量与纤芯半径的乘积，是光在光纤纤芯内横向的相位变化；
Figure BDA0002433217890000073
为径向归一化常数，即波矢在光纤包层径向或横向的分量与纤芯半径的乘积，反映光能量衰减的快慢；
Figure BDA0002433217890000074
为归一化频率，反映光纤传播能够模式的多少，当归一化频率值小于2.4时，光纤只能传播一个基模，即单模光纤；
式中：n1为纤芯折射率；n2为包层折射率；Kv为第二类贝塞尔函数的v阶修正，对于单模光纤v＝0，ev＝2，a为纤芯芯径；
Figure BDA0002433217890000075
为真空中的波数，λ为光纤波长。
β为传播常量，正常情况下β取值为：kn2≤β≤kn1。
总的弯曲损耗可近似为：
α＝2αcL＝4παcR (2)
式中：L为弯曲段光纤长度，R为光纤弯曲半径。
设每排设置有n个弯曲半圆，当柔性薄膜受到拉伸ΔL时，均分到每个弧形的拉伸长度为
Figure BDA0002433217890000076
取每半个圆弧为研究对象。
可得：
Figure BDA0002433217890000077
式中：R0为初始状态下光纤弯曲半径，R′为薄膜受到拉伸后光纤弯曲半径。
设
Figure BDA0002433217890000078
为S1，可得到：
Figure BDA0002433217890000079
由此可知当拉伸长度ΔL增大时，光纤弯曲半径也随之增大。将(4)式带入光强损耗系数公式(1)中，可得到柔性可穿戴光纤传感器受到拉伸ΔL时的光强损耗系数用αc(△L)表示，进而得到理论总损耗：
α1＝nπR0·2αc＝nπR0·2αc(△L) (5)
柔性薄膜两端设置有2个不同中心波长的光纤光栅(FBG)，分别记为FBG1和FBG2，FBG1的峰值光强I1起到校准作用，当传感器与解调仪的连接段产生弯曲损耗时入射到传感器的光强会发生变化，导致FBG1的光强距初始状态存在一定的差值，计算FBG2的光强损耗时要加上此差值以减小误差。
设初始状态下FBG1和FBG2的峰值光强分别为I1和I2，在受到拉伸时各拉伸情况下FBG1和FBG2的峰值光强分别记为I1x和I2x(下标x代表第x次拉伸)，这时光纤光强的弯曲损耗αx可以表示为：
I2x-I2+(I1-I1x)＝αR-αx (6)
式中：αR为初始状态下的光强损耗。设第x次拉伸长度为ΔLx，将初始状态下的弯曲损耗系数用αcR表示，将式(5)带入式(6)可得到此时FBG2峰值光强与拉伸长度的映射模型：
I2x-I2-(I1-I1x)＝nπ·R0·2αcR-nπ·R0·2αc(ΔLx)
即：I2x＝I2+(I1-I1x)+[nπ·R0·2αcR-nπ·R0·2αc(ΔLx)] (7)
请见图5，为本发明实施例的柔性可穿戴光纤传感器检测弯曲工况的工作原理图。柔性传感器布置于人体肘、腕等关节上时，亦会随着关节的转动而产生一个转角变化，将关节简化成一个半径为r的柱形如图所示，柔性传感器在为转动时原长为传感器标距L0，随关节弯曲产生伸长量△L，此伸长量由于柔性薄膜绕柱形转动产生一个同样长为△L的弧段所导致。
根据几何关系，此时传感器转角数值上等于△L弧长的圆弧所对应的圆心角，可建立转角与伸长量的对应关系：
Figure BDA0002433217890000081
将式(8)带入式(7)中，即可得FBG2的实时光强与关节转角θ的映射模型：
I2x＝I2+(I1-I1x)+[nπ·R0·2αcR-nπ·R0·2αc(θ)] (9)
本发明的柔性可穿戴光纤传感器还可以应用在监测人呼吸率上，可将弯曲光纤三排设置的高灵敏度柔性可穿戴光纤传感器601用魔术贴208固定在普通弹性腰带602中，制成智能运动腰带在运动时通过魔术贴208捆扎在用户的腹部，用以监测人在运动时的呼吸率。
请见图6，为本发明实施例的柔性可穿戴光纤传感器监测呼吸率的工作原理图。设用户处于呼出状态时为初始状态，附着于腹部的传感器柔性薄膜长度为L0，围绕腹部的柔性薄膜呈弧形，初始半径为r0，圆心角为θ0。吸气后腹部膨胀拖动柔性薄膜弧形半径增大△r0，由此产生拉伸，长度增大为L0+△L，可得到拉伸长度随运动时间t变化的变化关系：
Figure BDA0002433217890000091
其中：L(t)为运动时随时间t变化的薄膜长度，L0为附着于腹部的传感器柔性薄膜的初始长度；r0为围绕腹部的弧形状态柔性薄膜的初始半径；θ0为围绕腹部的弧形状态柔性薄膜的初始圆心角；△r0为吸气后腹部膨胀拖动柔性薄膜弧形半径增大量。将式(10)带入式(7)中即可得到呼吸率监测的理论模型。
请见图7，为本发明实施例的柔性可穿戴光纤传感器对于人体分布的示意图。将多个柔性可穿戴光纤传感器通过魔术贴和腰带分布式固定设置在用户的肌肉、关节、腹部等位置，布置时调整传感器，使其当用户身体处于直立状态时的传感器为初始状态。通过若干弯曲光纤单排布置的柔性可穿戴光纤传感器监测人运动时肌肉拉伸量和关节弯曲角；通过若干弯曲光纤多排布置的柔性可穿戴光纤传感器监测人运动时的呼吸率。
本发明运用光纤光栅波分复用技术，多个弯曲光纤单排布置的柔性可穿戴光纤传感器分布在同根光纤a上，用以监测人体运动时各关节转角的变化和肌肉拉伸变化，通过对比监测值与初始状态的差值，可分析出各关节的转动状态和肌肉的拉伸状态，结合用户人体骨架信息，进而可通过算法分析和图像处理重构出此时用户的运动姿态。其中，1、2，3、4，7、8，13、14，15、16，17、18号传感器监测人体各主要关节的转动；5、6，9、10，11、12号传感器监测肌肉拉伸。
将19号弯曲光纤多排布置的柔性光纤传感器设置在光纤b上，用以监测人体运动时的呼吸率情况。
将两根光纤分别接入解调仪，构建分布式人动态全形体监测***。
与传统的电测传感器相比，光纤光栅传感器具有尺寸小、抗电磁干扰、耐腐蚀性，以及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，本发明设计了一种可灵活穿戴于人体的柔性可穿戴光纤传感器，利用光纤光栅波分复用技术，提出了一种基于此传感器的分布式人动态全形体监测***。对人体活动时关节弯曲、呼吸等生理参数进行监测，得到人体的实时运动状态，保证用户舒适、健康地运动。
在实施实例中，对制作时光纤初始弯曲半径，所设置柔性薄膜内弯曲光纤排数，通过对柔性光纤传感器材料参数的特定选取，可调整柔性光纤传感器的传感性能。本发明的传感器监测原理不局限于弯曲光纤光强损耗原理，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弯曲光纤光栅光强损耗原理，也可实现对拉伸、弯曲的监测。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)

1.一种柔性可穿戴光纤传感器，其特征在于：包括第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、第二固化模具(102)、毛细钢管(103)、第一光纤光栅(104)、第二光纤光栅(105)、单模石英光纤(106)、魔术贴(108)；
所述第一柔性薄膜中设置有若干半径为R0的弯曲单模石英光纤(106)安装槽；所述第二柔性薄膜为一片面积与所述第二固化模具(102)表面契合的柔性薄膜；
所述第二固化模具(102)为一“工”字型3D打印结构，其上表面有一“工字型”凹槽，凹槽底面中间部位有一长方形凸起结构用于设置所述第一柔性薄膜，凹槽底面左右两端各有两个圆柱体凸起结构用于套挂魔术贴，模具两边开有直径为d的圆形槽使套有所述毛细钢管的单模石英光纤能从中穿过；
所述单模石英光纤(106)上有第一光纤光栅(104)、第二光纤光栅(105)，所述第一光纤光栅(104)、第二光纤光栅(105)上均套设有所述毛细钢管(103)；
所述第一柔性薄膜固定设置在所述第二固化模具(102)内，所述单模石英光纤(106)设置在弯曲的单模石英光纤(106)安装槽内，所述单模石英光纤(106)一端与外界解调仪连接；
所述第一柔性薄膜固化于第二柔性薄膜中；所述魔术贴(108)分别固定设置在所述第二柔性薄膜左右两端。
2.第一柔性薄膜制作模具，其特征在于：所述第一柔性薄膜制作模具为初次固化模具(101)，用于制作弯曲光纤单排布置的柔性薄膜，所述初次固化模具为一长方体形3D打印结构，上表面有一长方体形凹槽，在凹槽底面设置用于形成所述第一柔性薄膜中单排单模石英光纤安装槽的凸起结构。
3.第一柔性薄膜制作模具，其特征在于：所述第一柔性薄膜制作模具为初次固化模具(201)，用于制作弯曲光纤多排布置的柔性薄膜，所述初次固化模具为一长方体形3D打印结构，上表面有一长方体形凹槽，在凹槽底面设置用于形成所述第一柔性薄膜中多排单模石英光纤安装槽的凸起结构。
4.一种柔性可穿戴光纤传感器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将Ecoflex系列硅橡胶材料中A、B两种材料以预设的质量比配比好的液态硅橡胶材料注入初次固化模具(101)中，在预设温度T1环境中静置预设M1小时，取出带有布线纹路的第一柔性薄膜；
步骤2：将第一柔性薄膜固定设置在第二固化模具(102)内，单模石英光纤(106)设置在弯曲的单模石英光纤(106)安装槽内，所述单模石英光纤(106)与外界解调仪连接；
步骤3：将魔术贴分别固定设置在第二固化模具左右两端，使魔术贴可被封装在固化后的第二柔性薄膜内；
步骤4：将Ecoflex系列硅橡胶材料中A、B两种材料以预设的质量比配比好的液态硅橡胶均匀浇筑入二次固化模具中，使液面与二次固化模具上表面齐平，在预设温度T2环境中静置预设M2小时，形成第二柔性薄膜。
5.一种腰带分布式的柔性可穿戴光纤传感器，其特征在于：将弯曲光纤三排设置的柔性可穿戴光纤传感器(601)用魔术贴(208)固定在普通弹性腰带(602)中，制成智能运动腰带在运动时通过魔术贴(208)捆扎在用户的腹部，用以监测人在运动时的呼吸率。
6.一种利用柔性可穿戴光纤传感器进行人动态全形体分布式监测方法，其特征在于：将若干柔性可穿戴光纤传感器通过魔术贴和腰带分布式固定设置在用户预设位置。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：监测拉伸工况时，通过经损耗后的第二光纤光栅FBG2的实时光强获得拉伸值，利用公式(1)测得FBG2的实时光强与拉伸值的对应关系：
I2x＝I2+(I1-I1x)+[nπ·R0·2αcR-nπ·R0·2αc(ΔLx)] (1)
其中：I1为初始状态下第一光纤光栅FBG1的峰值光强；I2为初始状态下FBG2的峰值光强；I1x为受到拉伸时各拉伸情况下第一光纤光栅FBG1的峰值光强；I2x为受到拉伸时各拉伸情况下第二光纤光栅FBG2的峰值光强；n为每排设置的光纤弯曲半圆个数，αcR为初始状态下的弯曲光纤光强损耗系数；αc为受到拉伸时各拉伸情况下弯曲光纤光强损耗系数；ΔLx为各拉伸情况下的拉伸长度；R0为封装入柔性薄膜内呈单排/多排分布的曲形光纤初始半径。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：监测弯曲工况时，通过经损耗后的第二光纤光栅FBG2的实时光强获得关节转角，利用公式(2)测得FBG2的实时光强与关节转角的对应关系：
I2x＝I2+(I1-I1x)+[nπ·R0·2αcR-nπ·R0·2αc(θ)] (2)
其中：I1为初始状态下第一光纤光栅FBG1的峰值光强；I2为初始状态下FBG2的峰值光强；I1x为受到拉伸时各拉伸情况下第一光纤光栅FBG1的峰值光强；I2x为受到拉伸时各拉伸情况下第二光纤光栅FBG2的峰值光强；n为每排设置的光纤弯曲半圆个数，αcR为初始状态下的弯曲光纤光强损耗系数；αc为受到拉伸时各拉伸情况下弯曲光纤光强损耗系数；R0为封装入柔性薄膜内呈单排/多排分布的曲形光纤初始半径；
Figure FDA0002433217880000031
为关节转角，r为关节简化成柱形的半径；ΔL为关节弯曲导致传感器产生的伸长量。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：利用公式(3)测得吸气后腹部膨胀导致的柔性薄膜伸长量随运动时间t变化的变化关系：
Figure FDA0002433217880000032
其中：L(t)为运动时随时间t变化的薄膜长度，L0为附着于腹部的传感器柔性薄膜的初始长度；r0为围绕腹部的弧形状态柔性薄膜的初始半径；θ0为围绕腹部的弧形状态柔性薄膜的初始圆心角；Δr0为吸气后腹部膨胀拖动柔性薄膜弧形半径增大量。
10.一种人动态全形体监测***，其特征在于：包括解调仪、上位机和若干柔性可穿戴光纤传感器；所述若干柔性可穿戴光纤传感器均通过解调仪与所述上位机连接通信。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113566857A (zh) * 2021-04-14 2021-10-29 北京理工大学 基于光纤复合柔性传感器的人体姿态识别方法
CN113598754A (zh) * 2021-07-16 2021-11-05 南方科技大学 一种可穿戴设备、人体运动检测方法及装置
CN114674245A (zh) * 2022-02-28 2022-06-28 江苏大学 一种光纤角度传感器及其制备方法
CN115153462A (zh) * 2022-06-10 2022-10-11 中国人民解放军总医院第一医学中心 人体特征采集装置、监测装置、***、方法、设备

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