基于45°倾斜光栅的矢量弯曲测量仪

摘要

本发明涉及一种基于45°倾斜光栅的矢量弯曲测量仪，属于医疗器械领域。设有激光器，激光器经光纤与波分复用器连接；掺铒光纤安装于波分复用器和隔离器之间，隔离器安装在传感单元前端；光纤传感器和弯曲传感器共同构成了传感单元，其中弯曲传感器连接单片机，可以实时监测电信号；光纤传感器内刻有45°倾斜光栅，耦合器通过两束光纤安装在波分复用器与光纤传感器之间，光谱仪与耦合器相连；弯曲传感器连接单片机测得其电信号,电信号与光谱仪或光功率计所测得光的波长与强度相互对比，实现自监测。本发明的有益效果是，提高了弯曲监测仪的灵敏度和响应能力，实现了微小量和矢量的监测，可实现设备的自监测，体积小可实现可穿戴。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，详细地讲是一种基于45°倾斜光栅的矢量弯曲测量仪，适用于骨折、关节创伤病人术后或治疗后的恢复情况监测。

背景技术

众所周知，在人体关节受到直接或间接暴力后会造成骨折或关节创伤，越来越多的患者在术后或自行恢复时需要进行监测，而监测时需要配备各种设备。

现有的医用传感器多为血压传感器、心率传感器等压力传感器，只有少数皮肤接触传感器以及人体动作传感器能够监测人体的运动情况，并且该类传感器有几种缺点，第一，价格昂贵；第二，灵敏度低，且无法矢量监测。

光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围方面具有明显优势。但是目前现有的光纤倾斜传感器多采用光纤与被测物体直接固结的方式，灵敏度低、体积大，对安装要求高，无法实现可穿戴；且现有结构无法实现矢量监测，无法完成传感器本身的自监测。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于45°倾斜光栅的矢量弯曲测量仪，用于医用领域里骨折患者的术后恢复监测，重点解决现有监测设备灵敏度低，无法实现矢量传感以及自监测的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于45°倾斜光栅的矢量弯曲测量仪，设有激光器，其特征是，激光器经光纤与波分复用器连接；掺铒光纤安装于波分复用器和隔离器之间，隔离器安装在传感单元前端；光纤传感器和弯曲传感器共同构成了传感单元，其中弯曲传感器连接单片机，可以实时监测电信号；光纤传感器内刻有45°倾斜光栅，耦合器通过两束光纤安装在波分复用器与光纤传感器之间，光谱仪与耦合器相连；弯曲传感器连接单片机测得其电信号,电信号与光谱仪或光功率计所测得光的波长与强度相互对比，实现自监测。

所述的光纤传感器可以用粘接的方法固定于弯曲传感器上。

所述的弯曲传感器由柔性弯曲电阻制成。

所述的光纤传感器包括光纤外包层、光纤内包层及光纤纤芯。

本发明的有益效果是，提高了弯曲监测仪的灵敏度和响应能力，实现了微小量和矢量的监测，可实现设备的自监测，体积小可实现可穿戴。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的结构示意图

图2为基于45°倾斜光栅的光纤传感器的示意图

图中1.激光器，2.波分复用器，3.掺铒光纤，4.隔离器，5.传感单元，6.光纤传感器，61.光纤外包层，62.光纤内包层，63.光纤纤芯，64.45°倾斜光栅，7.弯曲传感器，8.耦合器，9.光谱仪。

具体实施方式

如图所示，设有激光器1，激光器1经光纤与波分复用器2连接，掺铒光纤3安装于波分复用器2和隔离器4之间，隔离器4安装在传感单元5，光纤传感器6和弯曲传感器7共同构成了传感单元5，其中弯曲传感器7连接单片机，可以实时监测电信号，光纤传感器6包括光纤外包层61、光纤内包层62及光纤纤芯63，光纤传感器6内刻有45°倾斜光栅64，耦合器8通过两束光纤安装在波分复用器2与光纤传感器6之间，光谱仪9与耦合器8相连。弯曲传感器7连接单片机测得其电信号,电信号与光谱仪或光功率计所测得光的波长与强度相互对比，实现自监测。

激光器(LD)1用于发射980nm的红外光，保证对人眼无害，设备体积小，便于实现其穿戴功能。

波分复用器(WDM)2安装于传播信号的系统光纤上，使980nm的红外光和1550nm的红外光都可以正常的在光纤中传播。

掺铒光纤(EDF)3安装于波分复用器2和隔离器4之间，使光线中980nm红外光变为1550nm红外光。

隔离器(ISO)4安装在传感单元5前，使红外光在光纤中单向传播，保证在到达45°倾斜光栅64之前，传播方向都是沿同一方向传播。

光纤传感器6和弯曲传感器7共同构成了传感单元5，光纤传感器6可以用粘接的方法固定于弯曲传感器7上。传感单元5是基于45度倾斜光栅的矢量弯曲监测仪的核心部分，整体具有柔性，便于实现可穿戴功能。

光纤外包层61、光纤内包层62、光纤纤芯63是光纤传感器6的部分结构，降低了红外光通过拉锥部分前在光纤传感器中传播的损耗。

45°倾斜光栅64使用飞秒光刻技术刻在在光纤传感器6中，光栅的作用是在弯曲不同角度时，接收端测得的反射光的波长和光强不同；在弯曲到相同角度，但不同方向时，45°角的结构使得不同方向的反射光线有区别，在接收端测得不同的光强和波长即可判断其弯曲的方向，完成矢量监测。

弯曲传感器7由柔性弯曲电阻制成，通过单片机测得其电信号，如电压、电阻等，确定矢量弯曲监测仪弯曲的角度；弯曲传感器7整体结构相对较小，实现了设备的微型化。

通过监测光纤传感器6得到的光信号和弯曲传感器7得到的电信号，将两种监测到的信号对比，得到二者的相关性，既可以保证设备的准确性，又可以实现设备的自监测。

耦合器8安装在两束光纤之间，改变了光在光纤中的传播方向，使红外光在光线中实现连续传播。

光谱仪(OSA)9作为光信号的监测部分安装在区别于系统发射端的另一端，用于监测基于45°倾斜光栅的矢量弯曲监测仪测得的光信号。

本发明采用光纤拉锥、45度倾斜光栅的结构，提高了弯曲监测仪的灵敏度和响应能力，实现了微小量和矢量的监测；采用弯曲传感器7和基于45°倾斜光栅的光纤传感器6共同监测的模式，二者所测得参数具有相关性，可以实现两种参数的相互监测，实现了设备的自监测；采用小型激光器和微型结构，并且传感单元5具有柔性，未来可以实现可穿戴的功能。

监测仪工作原理：激光器(LD)1作为光源，发射的光沿着传输光纤进入波分复用器(WDM)2，从而保证在整个光纤中980nm的红外光和1550nm的红外光都可以正常的传输。光通过一段掺铒光纤(EDF)3，这段光纤会使红外光的波长从980nm变为1550nm，随后光信号经过保证光单向传播的隔离器(ISO)4后到达传感单元5。在该架构中，使用耦合器(coupler)8保证光可以在光纤中连续传播，实现对弯曲量的连续性测量。在传感单元5内，光经过光纤被45°倾斜光栅64反射回来，通过终端的光谱仪(OSA)9或光功率计测得光强和光的波长；同时传感单元5连接的arduino单片机可以实时通过测量传感单元5内弯曲传感器7的电信号(电阻)测得其弯曲曲率，从而实现病人或其他对象的弯曲测量。