基于光纖濕度傳感器的濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

胡練華，李杰夫，程書輝

(1.四川衛(wèi)生康復(fù)職業(yè)學(xué)院,四川 自貢 643000;2.云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,云南 昆明 650000)

0 引言

我國(guó)對(duì)臥床老人、嬰幼兒尿液的處理主要依賴于尿不濕。尿不濕選型不合理引起尿液側(cè)漏,更換不及時(shí)導(dǎo)致尿液回滲,回滲所造成的尿不濕表面濕度最高可達(dá)57.1%RH。尿不濕長(zhǎng)時(shí)間不更換會(huì)造成使用者下體肌膚細(xì)菌滋生,甚至引發(fā)皮膚潰爛,而傳統(tǒng)運(yùn)用肉眼觀察尿顯和觸摸的監(jiān)測(cè)手段具有明顯的遲滯性。所以,對(duì)尿不濕吸收尿液情況的快速監(jiān)測(cè)就具有現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,黃銳等人利用溫濕度傳感器與STC89C52控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的監(jiān)測(cè)及失禁時(shí)的多層報(bào)警機(jī)制,并對(duì)服裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化與測(cè)試,完成對(duì)特護(hù)失禁患者的失禁內(nèi)褲研究與設(shè)計(jì),研究表明失禁內(nèi)褲可以提高護(hù)工的二次更換效率和實(shí)際看護(hù)效率[1]。張萃珍等人設(shè)計(jì)了具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)嬰兒尿不濕的溫濕度功能的裝置,當(dāng)溫度或者濕度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)就會(huì)通過(guò)聲光報(bào)警提醒監(jiān)護(hù)人及時(shí)幫助嬰兒跟換紙尿褲,避免長(zhǎng)時(shí)間的接觸排泄物對(duì)嬰兒皮膚造成傷害[2]。

光纖具有耐腐蝕、抗電磁干擾、高靈敏度等特點(diǎn),不會(huì)出現(xiàn)電容、電阻式傳感器帶來(lái)的易老化、易短路等問(wèn)題[3-4]。本文設(shè)計(jì)了一種光纖濕度傳感器的濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)對(duì)傳感器封裝改進(jìn),并通過(guò)COMSOL軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在壓力為0～60 KN時(shí),光纖濕度傳感器波長(zhǎng)未明顯偏移,對(duì)壓力不敏感;在相對(duì)濕度為10%RH～60%RH時(shí),中心波長(zhǎng)和相對(duì)濕度呈線性分布,重復(fù)性較好,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)相對(duì)濕度的輕微波動(dòng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括光纖濕度傳感器、上位機(jī)、光譜儀、光纖組成,其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

激光器發(fā)射提供不同中心波長(zhǎng)的激光信號(hào)。濕度傳感器用于信號(hào)采集,可布設(shè)于病床床單下方,也可粘貼于尿不濕外表面,監(jiān)測(cè)尿不濕周圍環(huán)境濕度值。光譜儀用于光信號(hào)解析,提取回傳激光中心波長(zhǎng)。光纖用于傳輸激光信號(hào)。上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄,也可根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)波長(zhǎng)閾值發(fā)出告警。

2 監(jiān)測(cè)原理

光在光纖內(nèi)部利用全反射原理傳播,當(dāng)外界濕度發(fā)生變化時(shí),光纖材料會(huì)受環(huán)境影響發(fā)生形變,微量形變都會(huì)影響光的反射率,反射率的變化會(huì)引起波長(zhǎng)偏移,通過(guò)偏移量與濕度的擬合關(guān)系即可計(jì)算出外界濕度值。傳感器選用文獻(xiàn)[5]中對(duì)溫度不敏感的光纖濕度傳感器。考慮到光纖傳感器可布設(shè)于床上,要解決壓力對(duì)光纖濕度傳感器帶來(lái)的交叉敏感問(wèn)題,需對(duì)傳感器進(jìn)行封裝改進(jìn)。將光纖傳感器放入鏤空鋼槽中固定封裝,當(dāng)傳感器受到壓力時(shí)由傳感器兩側(cè)的鋼結(jié)構(gòu)受力,傳感器本身不會(huì)因?yàn)槭芰Πl(fā)生形變。其傳感器改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示:

圖2 改進(jìn)后的傳感器結(jié)構(gòu)圖

在相對(duì)濕度10%～80%之間,傳感器具有較好的擬合度。激光器發(fā)射波長(zhǎng)為1 520～1 580 nm時(shí),相對(duì)濕度和波長(zhǎng)擬合關(guān)系為:

(1)

式中,RH為相對(duì)濕度,λ為波長(zhǎng)。

傳感器靈敏度可表示為:

(2)

式中,Δλ波長(zhǎng)變化值;ΔRH為相對(duì)濕度變化值;n為F-P腔有效折射率;L為F-P腔長(zhǎng)度。

3 系統(tǒng)仿真與數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性,本文通過(guò)COMSOL建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。先仿真壓力對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能的影響,濕度為25%RH,光源波長(zhǎng)為1 545 nm,給傳感器施加向下不同的壓力。光譜儀解析中心波長(zhǎng)與壓力的關(guān)系結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓力仿真結(jié)果圖

圖3看出經(jīng)過(guò)多次測(cè)試,在0～60 KN之間,當(dāng)外界壓力發(fā)生變化,光譜儀解析的中心波長(zhǎng)與光源波長(zhǎng)相比未發(fā)生明顯偏移,所改進(jìn)的光纖濕度傳感器對(duì)壓力不敏感。

設(shè)置光源波長(zhǎng)為1 545 nm,給傳感器設(shè)置不同大小的相對(duì)濕度值來(lái)驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)濕度變化效果。光譜儀解析中心波長(zhǎng)與相對(duì)濕度仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 相對(duì)濕度測(cè)試圖

通過(guò)相對(duì)濕度的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn):在相對(duì)濕度為10%RH-60%RH之間,中心波長(zhǎng)和相對(duì)濕度近乎呈線性分布,且重復(fù)性較好,該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)相對(duì)濕度的輕微波動(dòng)。此外,可根據(jù)實(shí)際需要,在上位機(jī)中設(shè)置波長(zhǎng)偏移閾值,波長(zhǎng)偏移量超過(guò)閾值上位機(jī)即可發(fā)出告警。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于光纖濕度傳感器的濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)尿不濕側(cè)漏、回滲情況的監(jiān)測(cè),通過(guò)對(duì)傳感器封裝改進(jìn),避免壓力影響監(jiān)測(cè)性能。運(yùn)用COMSOL進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,在壓力為0-60 KN時(shí),光譜儀中心波長(zhǎng)未明顯偏移,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)壓力不敏感;在相對(duì)濕度為10%RH-60%RH濕度范圍內(nèi),中心波長(zhǎng)和相對(duì)濕度近乎呈線性分布,重復(fù)性較好,具有了良好的監(jiān)測(cè)性能。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)簡(jiǎn)單、監(jiān)測(cè)靈敏度高,具備現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的可能。