CN112697318A - 基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，包括，ASE光源、分束器、DWDM、光纤光栅传感器、合束器和光纤光栅解调仪。本发明使用多根端面镀有金膜的光纤光栅作为传感单元探测脊椎骨间多点所受应力信息，每根光纤光栅的中心波长相差2nm，在应力测量时可将光纤光栅分别插入脊椎骨间的不同受力点。通过波分复用技术将多个光纤光栅的信号耦合在一起，并输出到光纤光栅解调仪，使得本发明可同时用于多点的应力测量。利用光纤光栅解调仪解调光纤光栅的中心波长变化，建立中心波长变化量与所受应力线性关系，根据各光纤光栅中心波长变化即可得到对应脊椎骨间各点所受应力信息。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器件和骨应力分析领域，具体涉及一种基于光纤光栅的脊椎骨间实时多点实时受力测量装置及其测量方法。
背景技术
随着现代医疗技术的进一步发展，研究人员发现脊柱的长期受力失衡会造成椎间盘突出，进而挤压颈椎或腰椎局部动脉、神经，引起一系列的脊柱相关的疾病，其中颈椎病、腰椎间盘突出和脊椎侧弯作为临床常见的疾病，在上班族、电脑族、久坐族、学生群体中具有很高的发病率，严重困扰着人们的生活。目前，对于相关疾病的治疗主要依靠于使用 x射线、CT和核磁共振等常见的医学成像方法对病灶部位成像，通过观察脊柱骨的形态确定具体的发病部位，然后使用手术或非手术的方法对其治疗。手术治疗包括微创手术和常规开放手术。目前主流的手术治疗方式为微创手术治疗，通过使用微创技术，可以减小伤口，使用小手术刀只切去压迫到神经的部分。但至于具体切除多少，切除哪些部分才不会破坏脊柱整体的载重能力，则完全依靠医生的经验，没有理论量化依据。此外，对于脊椎侧弯的治疗，需要通过手术手段对脊柱弯曲部位施加矫形力进行矫正，而施加矫形力的大小则需要精确的力学分析。因此，对脊柱整体进行力学分析以及对于脊柱相关疾病的治疗就显得极为重要。
目前，研究人员对于脊柱的力学分析，主要依赖于使用有限元的方法对脊柱数学建模，通过计算模型得到脊柱各节脊椎的受力情况。虽然通过数学计算的方法可以得到脊椎的受力情况，但是显然理论计算与实际情况总是存在着不可避免地偏差。此外，在脊椎受力的检测方面，研究人员主要使用电阻应变测量的方法。将多个电阻应变片固定在一个待测部位，当待测部位受力发生形变时，则会引起电阻应变片的电阻值发生相应变化，通过信号转换得到应力值。由于其使用电信号来调制待测信息，因此不可避免地会受到外界地电测干扰，此外，为实现更高的监测精度，其通常需要安放多个电阻应变片，增加测量难度和测量成本。因此其无法满足实际测量中对低成本、高精度、简单易操作的需求。
光纤光栅结构简单、应力灵敏度高、质量轻、体积小，因此其可以用于狭小空间的应力力测量，并且可以通过波分复用技术，实现多个点位的同时测量。由于极细的直径与较强的韧性，允许其可以测量脊椎骨间的受力信息。目前，还未报告有基于波分复用的光纤光栅脊椎骨间受力测量系统。
发明内容
本发明目的是针对现有技术对于脊椎力学分析中脊椎骨间受力测量存在的一系列问题，例如基于数学计算的有限元建模方法无法完全与实际情况相匹配和基于电阻应变测量装置的操作复杂、易受外界电磁干扰而导致精度较差的问题，提供一种基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，可以实现对不同受力点的同时测量。
本发明方案中设计的基于光纤光栅脊锥骨间多点实时受力测量装置，不仅可以实时的监测相邻两脊锥骨之间的受力情况，而且可以通过复用技术并联多路光纤光纤链路实现多个点的测量。本发明主要基于光纤光栅的复用技术和光纤光栅的传感特性原理，将多个光纤光栅传感器并联一起，对脊椎骨间所受应力进行测量。
本发明技术方案：
一种基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，包括：ASE光源、分束器、单模光纤跳线、密集波分复用器(DWDM)、能够实现多点测量的波分复用的N个光纤光栅传感器、合束器和光纤光栅解调仪；N个光纤光栅传感器通过复用技术并联的连接在一起，能够同时实现多点的自动测量。所述的ASE光源通过一段单模光纤跳线与分束器连接，通过分束器将光纤链路分成并联的N路，每一路光纤链路都通过单模光纤连接，并包含一个DWDM与一个光纤光栅传感器。而后N路光纤链路连接到同一个合束器，合束器通过一根单模光纤跳线与光纤光栅解调仪相连，光纤光栅解调仪用于解调光纤光栅传感器中心波长变化。
所述的分束器用于将光纤链路分成多路链路，合束器用于将多路链路集合到一路光纤链路中。
所述的光纤光栅传感器包括，光纤环形器、一端镀有金膜的光纤光栅，所述的光纤环形器是一种光路单向通过的器件，输入光从环形器的端口1输入，从端口2输出，同时能够使从端口2返回的光从端口3输出。端口1与所述DWDM相连，端口2与光纤光栅非镀金膜端相连，端口3作为输出端与所述合束器相连；所述的光纤光栅的一端端面上镀有一层金膜，此端作为自由端不与其它器件相连，并且此端作为传感端检测所受应力变化；光纤光栅的另一端与所述光纤环形器的端口2连接；
所述的光纤光栅一端使用磁控溅射的方式镀一层金膜用于增强光纤的反射信号，反射率>98％，用作应力传感端，插入待测位置。
所述的光纤波分复用链路为三条，即N＝3；所述的波分复用的多个光纤光栅具有不同的中心波长，分别位于1548nm，1550nm和1552nm，栅区长度为10mm。
所述的DWDM的工作波长分别为1548nm，1550nm和1552nm对应于不同光纤光栅的中心波长。
本发明同时提出了一种基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时测量方法，利用上述基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，对待测脊椎骨间所受应力进行测量，步骤如下：
步骤一、模拟测试用的脊椎骨的受力点使用18号针预先钻孔，所述的光纤光栅的自由端分别插入钻孔；
步骤二、连通所述基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，开启ASE光源，所述的光纤光栅传感器检测到待测点处的应力变化，中心波长偏移。
步骤三、光纤光栅解调仪解调所述光纤光栅传感器的中心波长信息，根据建立的光纤光栅中心波长与所受应力的线性关系得到该点处所受应力。光纤光栅中心波长与脊椎骨所受应力的对应关系分别为：1)λ1＝0.0199*f1+1548；2)λ2＝0.0200*f2+1550；3) λ3＝0.200*f3+1552单位(nm)，其中λi、i＝1，2，3为对应三个光纤光栅传感器的输出光谱中心波长，fi、i＝1，2，3为三个点处所受应力大小。
当对所述的脊锥骨施加应力时，由力的相对性，脊椎骨将对光纤光栅传感器施加一个相应的应力，光纤光栅传感器的周期会随之改变。由于光纤光栅周期的变化导致光纤光栅的反射谱的中心波长发生偏移。因此，通过解调光纤光栅的中心波长变化，即可实现对脊柱相邻两脊椎骨之间受力情况的测量。
本发明的优点和有益效果：
本发明提出的基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，基于光纤光栅的复用技术，将多个光纤光栅传感器并联连接在同一个测量装置中，每一个光纤光栅传感器都可以用于测量一个位置的应力变化。本发明凭借光纤光栅的小体积、重量轻、生物相容性高等优势，可以解决传统的电阻应变测量方法在狭小区域、微界面无法实时有效反馈所受应力情况的问题，并且具有结构简单、灵敏度高、检测精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、稳定性高等优点。在光纤光栅一端镀一层金膜可以有效的增强光栅的反射率，进而可以提高反射光谱的强度。通过光纤光栅解调仪解调光纤光栅的中心波长变化，根据中心波长的变化量确定所受应力信息。所有信息通过光信号传播，避免了外界电磁干扰，并且具有灵敏度高、测量精度高等优点。
附图说明
图1是本发明基于光纤光栅的脊锥骨间多点实时受力测量流程图。
图2是本发明中单个光纤光栅传感器用于脊椎骨间受力检测的示意图，图中，1和6为单模光纤跳线，2为DWDM，3为光纤环形器，4为脊椎骨，5为自由端镀有金膜的光纤光栅。
图3是图2所示光纤光栅传感器中的自由端镀有金膜的光纤光栅5结构示意图。
图4是本发明基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置的示意图。
具体实施方式
实施例1：
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明模拟实例进行详细、完整地描述。
本发明的目的是提供一种基于光纤光栅特点及其传感原理并结合光纤光栅复用技术的脊锥骨间多点实时受力测量装置。利用复用技术将多个光纤光栅传感器并联的连接在一起，每个光纤光栅传感器都可用于一个点处的应力测量，将多个光纤光栅传感器分别置于多个不同的待测点，就可实现同时多点的受力测量。测量方法的流程参见图1，图2是本发明中的单个光纤光栅传感器的应用于脊椎骨间单点受力测量的示意图，包括：1和6 单模光纤跳线，2DWDM，3光纤环形器，4脊椎骨，5自由端镀有金膜的光纤光栅。所述的光纤光栅由激光刻蚀单模光纤制作而成(如图3所示)，然后在其一端镀上一层金膜用于增强光纤光栅的反射信号，由于其体积小、重量轻且反射增强的优点，使得其可以应用于狭小空间的应力测量，完全适用于脊椎骨间的应力测量；所述的自由端镀有金膜的光纤光栅与光纤环形器连接，具体的，镀膜端为自由端，非镀膜端与光纤环形器的端口2相连；所述的光纤环形器是一种光路单向通过的器件，输入光从环形器的端口1输入，从端口2输出，同时能够使从端口2返回的光从端口3输出。端口1与所述DWDM相连，端口2与光纤光栅非镀金膜端相连，端口3作为输出端与所述合束器相连；所述光纤环形器与所述自由端镀有金膜的光纤光栅连接构成单个光纤光栅传感器，应用于应力测量时镀有金膜的光纤光栅自由端插入待测点处，即可实现对该点处所受应力的测量。
本发明提出的基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置示意图，如图4所示，包括ASE光源、分束器、三个DWDM、三个光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪。ASE光源通过单模光纤跳线与分束器连接，分束器将光纤链路分成三路光纤链路，每路光纤链路中包含有一个DWDM与一个光纤光栅传感器，三路光纤链路与合束器连接，合束器将三路光纤链路重新合成一路，最后合束器通过单模光纤跳线与光纤光栅解调仪连接。三个光纤光栅传感器利用复用技术并联的连接在合束器与分束器之间的三路光纤链路中，并联连接可以确保各个光纤光栅传感器独立工作互不影响；三个光纤光栅传感器中的光纤光栅分别具有不同的中心波长，分别为1548nm，1550nm和1552nm，输出光谱互不叠加，所述的三个DWDM分别具有对应光纤光栅的工作波长，即1548nm，1550nm和1552nm。装置工作时，ASE光源发出的光信号通过分束器被分成多路光信号(本实施例为三路)，分别进入不同的光纤光栅传感器；多路输出光信号通过合束器被收集到同一根单模光纤内传输到光纤光栅解调仪，通过分析对应光纤光栅传感器中心波长的变化量，即可得到对应待测点的应力信息。本发明提出的测量装置各个光学模块之间通过单模光纤跳线连接。
本发明提出的基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置的测量方法如下：
步骤一、模拟测试用的脊椎骨的受力点使用18号针预先钻孔，所述的光纤光栅的自由端分别插入钻孔；
步骤二、连通所述基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，开启ASE光源，所述的光纤光栅传感器检测到待测点处的应力变化，中心波长偏移。
步骤三、光纤光栅解调仪解调所述光纤光栅传感器的中心波长变化，根据建立的光纤光栅中心波长变化量与所受应力的线性关系得到该点处所受应力。
使用本发明提出的基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，分别测量3个不同位置得到的测量结果分别如表1、2、3所示，光纤光栅中心波长偏移量与脊锥骨所受应力之间的关系可表示为：
其中，S表示所述光纤光栅传感器的应力灵敏度，Δλ为光纤光栅中心波长偏移量，ΔF为脊椎骨所受应力的变化量。通过计算各光纤光栅传感器的中心波长偏移量与所受应力之间的关系，可得到光纤光栅中心波长与脊椎骨所受应力的对应关系分别为：1) λ1＝0.0199*f1+1548；2)λ2＝0.0200*f2+1550；3)λ3＝0.200*f3+1552单位(nm)，其中λi(i＝1， 2，3)为对应三个光纤光栅传感器的输出光谱中心波长，fi(i＝1，2，3)为三个点处所受应力大小。根据光纤光栅解调仪得到的对应光纤光栅中心波长信息，代入上述公式，即可通过计算所述关系式得到所受应力信息。
表1
| 应力(N) | 中心波长(nm) |
| 0 | 1548.055 |
| 5 | 1548.177 |
| 10 | 1548.289 |
| 15 | 1548.396 |
| 20 | 1548.409 |
| 25 | 1548.522 |
| 30 | 1548.638 |
| 35 | 1548.754 |
| 40 | 1548.872 |
| 45 | 1548.989 |
表2
| 应力(N) | 中心波长(nm) |
| 0 | 1550.045 |
| 5 | 1550.166 |
| 10 | 1550.279 |
| 15 | 1550.386 |
| 20 | 1550.404 |
| 25 | 1550.513 |
| 30 | 1550.640 |
| 35 | 1550.744 |
| 40 | 1550.870 |
| 45 | 1550.978 |
表3
| 应力(N) | 中心波长(nm) |
| 0 | 1552.044 |
| 5 | 1552.170 |
| 10 | 1552.280 |
| 15 | 1552.384 |
| 20 | 1552.400 |
| 25 | 1552.520 |
| 30 | 1552.644 |
| 35 | 1552.750 |
| 40 | 1552.868 |
| 45 | 1552.980 |
本发明实例的工作原理：
本发明提供一种基于光纤光栅的脊锥骨间多点实时受力测量装置。当光纤光栅周围的应变或温度改变时，会改变光纤光栅的周期和纤芯的有效折射率，进而会造成光纤光栅中心波长的偏移。光纤光栅中心波长偏移量ΔλB随应变Δε和温度ΔT的变化关系为：
式(2)中，Λ代表光纤光栅的周期数，dneff/dT为光纤光栅纤芯有效折射率与温度的微分， neff为光纤光栅的纤芯有效折射率，dΛ/dT为光纤光栅的周期数与温度的微分，dneff/dε为光纤光栅纤芯有效折射率与所受应力的微分，dΛ/dε为光纤光栅的周期数与所受应力的微分。第一项表示温度对中心波长的影响，由于光纤光栅受热膨胀引起光栅周期和折射率变化，进而影响光纤光栅中心波长。第二项表示沿光纤轴向的应变引起光栅周期和折射率的改变。当不考虑温度变化时，即第一项中ΔT＝0，此时，光纤光栅的周期和折射率只与光纤光栅受到的均匀轴向应变有关。假设光纤光栅在轴向方向上受到应力作用并且光纤材料遵循胡克定律，则光纤光栅中心波长偏移量ΔλB随所受应力的变化可以表示为：
ΔλB＝λB(1-pe)Δε (3)
式中pe为光纤光栅弹光系数，可以表示为：
其中，p11和p12为应变光学张量，v为泊松比。通过计算得到pe＝0.22代入式(4)有：
ΔλB＝λB0.78Δε (5)
由(5)式可知，应力引起的光纤光栅的中心波长变化是由应力产生的轴向应变实现的。此时，λB为光纤光栅的中心波长为一定值，因此可以说明光纤光栅的中心波长变化量ΔλB与所受应变具有线性变化关系。
Claims (7)
1.一种基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，其特征在于，包括，ASE光源、分束器、单模光纤跳线、密集波分复用器(DWDM)、能够实现多点测量的波分复用的N个光纤光栅传感器、合束器和光纤光栅解调仪；
所述的ASE光源通过单模光纤跳线与分束器相连，分束器分出N路光纤链路，每路光纤链路包括一个DWDM与一个光纤光栅传感器，DWDM通过单模光纤跳线与光纤光栅传感器相连，随后这N路光纤链路连接到同一个合束器，合束器通过单模光纤跳线与光纤光栅解调仪连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，其特征在于，所述的光纤光栅传感器包括，光纤环形器、自由端镀有金膜的光纤光栅，所述的光纤环形器是一种光路单向通过的器件，输入光从环形器的端口1输入，从端口2输出，同时能够使从端口2返回的光从端口3输出；端口1与所述DWDM相连，端口2与光纤光栅非镀金膜端相连，端口3作为输出端与所述合束器相连；所述的光纤光栅的一端端面上镀有一层金膜，此端作为自由端不与其它器件相连，并且此端作为传感端检测所受应力变化；光纤光栅的另一端与所述光纤环形器的端口2连接；
所述的N个光纤光栅传感器作为应力测量装置的传感单元，通过复用技术，并联的连接在分束器与合束器之间的对应N路光纤链路中，每个光纤光栅传感器对应一路光纤链路，可用于一个点的应力测量，N个光纤光栅传感器可同时用于N点的应力测量。
3.根据权利要求1或2所述的基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，其特征在于，所述的光纤复用链路为三条，即N＝3；随实际应用需求可以增加光纤链路数量，所述的N路光纤链路并联连接。
4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，其特征在于，所述的光纤光栅传感器中光栅的中心波长各不相同，分别为1548nm，1550nm和1552nm；栅区长度为10mm，光纤光栅端面金膜厚度为50nm，此时反射率高于98％。所述的DWDM的工作波长分别为1548nm，1550nm和1552nm，分别对应于不同光纤光栅的中心波长。
5.根据权利要求3所述的基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，其特征在于，所述的光栅光纤解调仪可同时解调所述3个光纤光栅传感器的中心波长变化；根据光纤光栅解调仪获得的信息，建立中心波长变化量与光纤光栅传感器所受应力的线性关系，即可通过解调各个光纤光栅传感器的中心波长变化量得到对应点所受应力信息。
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，其特征在于，所述的N路不同光纤链路内的光纤光栅传感器可用于同时测量不同脊椎骨间的应力情况；所述的光纤光栅传感器在受到应力变化时，其反射光谱的中心波长会发生相应的变化，通过光纤光栅解调仪解调光纤光栅的中心波长变化，得到所述的脊椎骨间所受应力信息。
7.一种基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量方法，其特征在于，利用权利要求1所述基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，对脊椎骨间多点所受应力进行测量，包括以下步骤：
步骤一、模拟测试用的脊椎骨的受力点使用18号针预先钻孔，所述的光纤光栅的自由端分别插入钻孔；
步骤二、连通所述基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，开启ASE光源，所述的光纤光栅传感器检测到待测点处的应力变化，中心波长偏移；
步骤三、光纤光栅解调仪解调所述光纤光栅传感器的中心波长信息，根据建立的光纤光栅中心波长与所受应力的线性关系得到该点处所受应力；光纤光栅中心波长与脊椎骨所受应力的对应关系分别为：1)λ1＝0.0199*f1+1548；2)λ2＝0.0200*f2+1550；3)λ3＝0.200*f3+1552单位(nm)，其中λi、i＝1，2，3为对应三个光纤光栅传感器的输出光谱中心波长，fi、i＝1，2，3为三个点处所受应力大小。
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