本發(fā)明屬于光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于二硫化鉬納米涂層的光纖呼吸傳感器。

背景技術(shù)：

二硫化鉬作為一種新型二維層狀化合物，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，尤其是超高的電子遷移率，使其在多種微電子器件上均有廣泛的應(yīng)用，例如場效應(yīng)晶體管和光電傳感器等，已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一。二硫化鉬(分子式為MoS₂)納米片具有二維層狀結(jié)構(gòu)，每個分子層含有上下兩個六邊形結(jié)構(gòu)的S原子層，中間夾著一個Mo原子層，形成SMoS的三明治結(jié)構(gòu)。分子層內(nèi)S原子與Mo原子以共價(jià)鍵結(jié)合，分子層之間以較微弱的范德瓦爾斯力結(jié)合，因此，MoS₂納米片易形成穩(wěn)定的薄層結(jié)構(gòu)。單層MoS₂具有極大的表面積與體積比，它的電荷載流子密度會受到環(huán)境濕度影響而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其復(fù)折射率變化，這就是MoS₂納米片用于濕度傳感的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的基于光纖涂覆材料吸收水汽發(fā)生膨脹的光纖濕度傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，但是它對于濕度變化的響應(yīng)時間約為幾秒至幾十分鐘的量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電子類傳感器，難以用于呼吸傳感。目前，呼吸傳感器大多以人體在呼吸時胸腔或者腹腔的體積變化來檢測呼吸的頻率，以電學(xué)類壓力傳感器為主，如2010年王新安等公開了一種壓電材料制成的呼吸傳感器(王新安，沈勁鵬，馮曉星，黃錦鋒，戴鵬，王金泊，一種呼吸傳感器,中國發(fā)明專利，申請?zhí)枺?01010607762.X)。電學(xué)類呼吸傳感器的一大優(yōu)勢就是響應(yīng)速度快，但這類呼吸傳感器存在兩個明顯的缺點(diǎn)：基于壓力的呼吸傳感器雖然具有靈敏度高的特點(diǎn)，但難以避免人體活動對監(jiān)測結(jié)果的干擾。另外，電子類有源傳感器采用電路傳輸信號，易受電磁干擾，特別是強(qiáng)電磁環(huán)境下對電磁干擾的屏蔽設(shè)計(jì)，將使傳感器的體積和重量明顯增加，影響其實(shí)際應(yīng)用的范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了解決當(dāng)前光纖濕度傳感器響應(yīng)速度慢的問題，本發(fā)明提出一種響應(yīng)速度高，同時還具有良好抗電磁干擾性能的基于二硫化鉬納米涂層的光纖呼吸傳感器。

技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于二硫化鉬納米涂層的光纖呼吸傳感器，其包括順次連接的光源1、傳感頭3、光電探測器4和信號處理與顯示系統(tǒng)5，其中，傳感頭3為設(shè)置有基于MoS₂納米片31的光纖傳感器。

所述MoS₂納米片31涂覆于光纖傳感器的倏逝波區(qū)域。

所述光纖傳感器的倏逝波區(qū)域可以是通過腐蝕方法在光纖上設(shè)置包層均勻減薄的腐蝕區(qū)域；可以是通過拉錐方法在光纖上設(shè)置雙錐形區(qū)域；可以是通過研磨方法在光纖包層上設(shè)置單側(cè)分布的D形區(qū)域。

所述光源與傳感頭3之間還設(shè)置有隔離器。

所述光源為波長范圍為400nm至1700nm的寬帶光源或激光光源。

一種基于二硫化鉬納米涂層的光纖呼吸傳感方法，光源1輸出的光波進(jìn)入所述基于二硫化鉬納米涂層的傳感頭3后；所述光波由基于二硫化鉬納米涂層的傳感頭3調(diào)制后攜帶呼吸變化的信息，再由光電探測器4將所述光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并由所述信號處理與顯示系統(tǒng)5處理所述電信號，獲得呼吸變化圖，由所述呼吸變化圖中可知道呼吸頻率和強(qiáng)度的信息，達(dá)到監(jiān)測呼吸的目的。

所述光波由基于二硫化鉬納米涂層的傳感頭3調(diào)制時，在基于二硫化鉬納米涂層的傳感頭的光纖倏逝波區(qū)域傳輸?shù)墓獠?，其光場能量進(jìn)入所述光纖外涂覆的MoS₂納米片31中，并被所述MoS₂納米片31吸收；所述MoS₂納米片31受到呼吸帶來的濕度變化影響，使其折射率發(fā)生變化；所述光波在折射率發(fā)生變化的倏逝波區(qū)域中傳輸，透過功率發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對所述光纖中傳輸光波的調(diào)制；通過監(jiān)測所述傳感頭中光功率的變化就可以得到呼吸頻率以及強(qiáng)度的信息。

所述光源1輸出的光波，先經(jīng)設(shè)置在傳感頭3與光源之間的隔離器2單向隔離后，再傳輸至傳感頭。

有益效果

本發(fā)明提出一種光纖呼吸傳感器的傳感方法與裝置，由于本發(fā)明將MoS₂納米片涂覆于光纖的倏逝波傳輸區(qū)，通過測量所述光纖的透過功率，就可以監(jiān)測呼吸。所述光纖呼吸傳感器輕便靈巧，放置于待測者的鼻孔附近就可監(jiān)測呼吸的頻率和強(qiáng)度，對于一些進(jìn)行劇烈活動的人群，例如運(yùn)動員，可直接監(jiān)測其呼吸情況，而不給身體活動帶來額外的負(fù)擔(dān)；所述呼吸傳感器還能抗電磁干擾，在強(qiáng)電磁環(huán)境下依然可以使用，例如在高頻電刀的手術(shù)中，可以使用本發(fā)明中的呼吸傳感器來監(jiān)測患者的呼吸情況；所述呼吸傳感器還具有成本低，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，并可以很好地監(jiān)測呼吸頻率和呼吸強(qiáng)度的變化。這種呼吸傳感器便于推廣使用，具有很大的應(yīng)用潛力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明呼吸傳感器的裝置示意圖。

圖2為本發(fā)明呼吸傳感器傳感頭第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明呼吸傳感器傳感頭第二實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明呼吸傳感器傳感頭第三實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明呼吸傳感器傳感頭第四實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為在平穩(wěn)呼吸情況下使用該傳感器測量到的光纖功率變化結(jié)果圖。

圖7為在呼吸頻率和強(qiáng)度變化下使用該傳感器測量到的光纖功率變化結(jié)果圖。

其中：1.寬帶光源；2.隔離器；3.傳感頭；4.光電探測器；5.信號處理與顯示系統(tǒng)；6.光纖；7.激光光源；31.MoS₂納米片；32.光纖纖芯；33.光纖包層；A.呼吸監(jiān)測的起始時刻；B.深呼吸開始的時刻；C.呼吸監(jiān)測的結(jié)束時刻。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明基于二硫化鉬納米涂層的光纖呼吸傳感器包括光源、隔離器、傳感頭、光電探測器和信號處理與顯示系統(tǒng)，它們通過光纖依次連接在一起。所述光源輸出的光波耦合進(jìn)光纖形成導(dǎo)波，導(dǎo)波經(jīng)光纖傳輸進(jìn)入所述隔離器；所述隔離器確保導(dǎo)波單向傳輸進(jìn)入所述傳感頭中；進(jìn)入所述傳感頭的導(dǎo)波經(jīng)由所述傳感頭調(diào)制后攜帶呼吸變化的信息，由光纖傳送至所述光電探測器；所述光電探測器將所述傳感頭調(diào)制后的導(dǎo)波轉(zhuǎn)換為電信號，由所述信號處理與顯示系統(tǒng)處理所述電信號，獲得呼吸變化圖，由所述呼吸變化圖中可得到呼吸頻率和強(qiáng)度的信息。

所述呼吸傳感器的傳感頭是由所述MoS₂納米片涂覆在所述傳感頭區(qū)域的光纖外側(cè)形成，所述光纖外側(cè)可傳輸光纖導(dǎo)波的倏逝波，從而使倏逝波與所述MoS₂納米片發(fā)生作用以實(shí)現(xiàn)呼吸傳感。

本發(fā)明所采用的工作原理，其特征如下：利用呼吸帶來的濕度變化引起所述MoS₂納米片中載流子的濃度改變，導(dǎo)致所述MoS₂納米片的光頻電導(dǎo)率發(fā)生變化，從而改變所述光纖的導(dǎo)波的倏逝波傳輸區(qū)域的復(fù)折射率，所述MoS₂納米片的復(fù)折射率的虛部的變化引起所述MoS₂納米片對所述光纖的導(dǎo)波的倏逝波的吸收發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)對所述光纖的導(dǎo)波的強(qiáng)度調(diào)制，通過監(jiān)測所述光纖中光功率的變化就可以得到呼吸頻率與呼吸強(qiáng)度的信息。

裝置實(shí)施例1：請參閱圖1，其是本發(fā)明光纖呼吸傳感器第一實(shí)施方式的示意圖。本實(shí)施例中，光纖呼吸傳感器由一寬帶光源1、一隔離器2、一傳感頭3、一光電探測器4和一信號處理與顯示系統(tǒng)5由傳輸光纖6依次連接而成。所述寬帶光源的波長范圍為400nm至1700nm，在所述波長范圍內(nèi)任意線寬的寬帶光源或其組合均可作為所述寬帶光源。所述傳輸光纖6為單模光纖。所述寬帶光源1輸出的光波經(jīng)傳輸光纖61傳輸至所述隔離器2；所述隔離器2確保光波單向傳輸，避免系統(tǒng)中的反射光波干擾光源的正常工作，保證光源功率穩(wěn)定；經(jīng)過所述隔離器2的光波由傳輸光纖62傳輸至所述傳感頭3中；經(jīng)過所述傳感頭3的光波由所述傳感頭3調(diào)制后攜帶呼吸變化的信息成為傳感光信號，所述傳感光信號由傳輸光纖63傳輸至所述光電探測器4；所述光電探測器4將所述傳感光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由所述信號處理與顯示系統(tǒng)5處理所述電信號，獲得呼吸變化圖，由所述呼吸變化圖中可知道呼吸頻率和強(qiáng)度的信息，達(dá)到監(jiān)測呼吸的目的。

請同時參閱圖2，其是圖1中傳感頭3的結(jié)構(gòu)示意圖。所述傳感頭包括MoS₂納米片31以及光纖纖芯32和光纖包層33。其中，所述光纖包層33經(jīng)過腐蝕變薄，其腐蝕區(qū)域包層的厚度d取值范圍為4μm到5μm，將所述MoS₂納米片31涂覆在所述腐蝕區(qū)域，形成傳感單元，此時在室溫下光電探測器4監(jiān)測到的光功率為1mW左右。

當(dāng)呼吸形成的氣流作用于傳感頭3上時，濕度的變化作用于MoS₂納米片31上，引起MoS₂納米片31中載流子的濃度改變，導(dǎo)致MoS₂納米片31的光頻電導(dǎo)率發(fā)生變化，從而改變MoS₂納米片31的復(fù)折射率n，復(fù)折射率n＝n+iη，考察在介質(zhì)中沿z方向傳播的光電場復(fù)振幅表達(dá)式E(z)＝E₀e^iknz＝E₀e^ik(n+iη)z＝E₀e^iknze^-kηz，從式中可以看出復(fù)折射率的實(shí)部n是表征介質(zhì)影響光傳播的相位特征的量，與光波的色散有關(guān)，復(fù)折射率的虛部η表征光在介質(zhì)中傳播時振幅(或光強(qiáng))衰減的快慢，與光波的吸收有關(guān)。

MoS₂納米片31的折射率虛部改變，導(dǎo)致MoS₂納米片31對腐蝕光纖中導(dǎo)波的倏逝波部分產(chǎn)生的吸收發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對光纖的導(dǎo)波的強(qiáng)度調(diào)制，使得光電探測器4接收的光功率發(fā)生變化。

本實(shí)施方式中，根據(jù)光電探測器4所接收的光功率的變化，可知道呼吸頻率以及強(qiáng)度的變化情況。請參閱圖6和圖7，它們分別是在平穩(wěn)呼吸和呼吸變化情況下所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖6可看出，在平穩(wěn)呼吸的情況下，透過光功率隨呼吸平穩(wěn)變化，說明測試者呼吸頻率均勻，從光功率的起伏可以看出測試者呼吸強(qiáng)度的起伏變化。由圖7可以明顯看出呼吸頻率和強(qiáng)度的變化，從而區(qū)分出正常呼吸與深呼吸(B)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種利用MoS₂納米片的呼吸傳感器可以非常好地監(jiān)測呼吸情況。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于這種呼吸傳感器輕便靈巧，不會給使用者造成負(fù)擔(dān)，可以配合各種儀器來監(jiān)測呼吸變化情況；該呼吸傳感器由光纖制成，因此抗電磁干擾且耐腐蝕，可以在一般電子類儀器無法工作的環(huán)境中工作；除此之外，該呼吸傳感器制作方法簡單，成本低，特別適合于推廣使用。因此，本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

裝置實(shí)施例2：本發(fā)明第二實(shí)施方式的裝置與第一實(shí)施方式的裝置相似，由一寬帶光源1、一隔離器2、一傳感頭3、一光電探測器4和一信號處理與顯示系統(tǒng)5由傳輸光纖6依次連接而成，所不同之處在于所述傳感頭3中光纖32和33的結(jié)構(gòu)不同。所述結(jié)構(gòu)是使用拉錐方法得到的雙錐形結(jié)構(gòu)。

請參閱圖3，所述傳感頭包括MoS₂納米片31以及光纖纖芯32和光纖包層33。其中，所述光纖包層33經(jīng)過拉錐變薄，將所述MoS₂納米片31涂覆在所述光纖的拉錐區(qū)域，形成傳感單元。

本實(shí)施方式中，當(dāng)呼吸形成的氣流作用于傳感頭3上時，濕度的變化作用于MoS₂納米片31上，從而使MoS₂納米片31的折射率虛部改變，導(dǎo)致MoS₂納米片31對錐形光纖中導(dǎo)波的倏逝波部分產(chǎn)生的吸收發(fā)生改變，使得光電探測器4接收的光功率發(fā)生變化。

本實(shí)施方式中，根據(jù)光電探測器4所接收的光功率的變化，可知道呼吸頻率以及強(qiáng)度的變化情況，可用于制作呼吸傳感器。

裝置實(shí)施例3：本發(fā)明第三實(shí)施方式的裝置與第一實(shí)施方式的裝置相似，由一寬帶光源1、一隔離器2、一傳感頭3、一光電探測器4和一信號處理與顯示系統(tǒng)5由傳輸光纖6依次連接而成，所不同之處在于所述傳感頭3中光纖32和33的結(jié)構(gòu)不同。所述結(jié)構(gòu)是使用研磨方法得到的D形結(jié)構(gòu)。

請參閱圖4，所述傳感頭包括MoS₂納米片31以及光纖纖芯32和光纖包層33。其中，所述光纖包層33經(jīng)過研磨單邊變薄，其研磨區(qū)域包層的厚度d取值范圍為4到5μm，將所述MoS₂納米片31涂覆在所述光纖的研磨區(qū)域，形成傳感單元。

本實(shí)施方式中，當(dāng)呼吸形成的氣流作用于傳感頭3上時，濕度的變化作用于MoS₂納米片31上，從而使MoS₂納米片31的折射率虛部改變，導(dǎo)致MoS₂納米片31對D形光纖中導(dǎo)波的倏逝波部分產(chǎn)生的吸收發(fā)生改變，使得光電探測器4接收的光功率發(fā)生變化。

本實(shí)施方式中，根據(jù)光電探測器4所接收的光功率的變化，可知道呼吸頻率以及強(qiáng)度的變化情況，可用于制作呼吸傳感器。

本發(fā)明基于MoS₂納米片涂覆單模光纖實(shí)現(xiàn)呼吸(濕度)傳感方法和裝置第一實(shí)施方式中傳感頭使用腐蝕光纖、第二實(shí)施方式中傳感頭使用錐形光纖、第三實(shí)施方式中傳感頭使用D形光纖，可分別在外界的呼吸作用下使MoS₂納米片31的折射率虛部改變，影響MoS₂納米片31對光纖中倏逝波的吸收，使得光電探測器4接收的光功率發(fā)生變化。因此本發(fā)明傳感頭的不同結(jié)構(gòu)均可達(dá)到呼吸傳感的目的，都可作為呼吸傳感器。

裝置實(shí)施例4：請參閱圖5，其是本發(fā)明第四實(shí)施方式的示意圖。本發(fā)明第四實(shí)施方式的裝置與第一實(shí)施方式的裝置相似，由一激光光源7、一隔離器2、一傳感頭3、一光電探測器4和一信號處理與顯示系統(tǒng)5由傳輸光纖6依次連接而成，所不同之處在于所述光源的類型不同。所述激光光源的波長范圍為400nm至1700nm，在所述光譜范圍內(nèi)任一波長的激光光源均可作為所述激光光源。

本實(shí)施方式中，傳感的物理機(jī)制與實(shí)施例1相似，由傳感頭3上涂覆MoS₂納米片31的折射率虛部變化導(dǎo)致倏逝波區(qū)域的吸收發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對光纖的導(dǎo)波的強(qiáng)度調(diào)制。所述激光光源7輸出的光波經(jīng)傳輸光纖61傳輸至所述隔離器2；所述隔離器2確保光波單向傳輸，避免系統(tǒng)中的反射光波干擾光源的正常工作，保證光源功率穩(wěn)定；經(jīng)過所述隔離器2的光波由傳輸光纖62傳輸至所述傳感頭3中；經(jīng)過所述傳感頭3的光波由所述傳感頭3調(diào)制后攜帶呼吸變化的信息成為傳感光信號，所述傳感光信號由傳輸光纖63傳輸至所述光電探測器4；所述光電探測器4將所述傳感光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由所述信號處理與顯示系統(tǒng)5處理所述電信號，獲得呼吸變化圖，由所述呼吸變化圖中可知道呼吸頻率和強(qiáng)度的信息，達(dá)到監(jiān)測呼吸的目的。

本實(shí)施方式中，根據(jù)光電探測器4所接收的光功率的變化，可知道呼吸頻率以及強(qiáng)度的變化情況。