摘 要

随着社会老龄化的发展，老年人口占我国人口总数比例越来越大，老年人的健康问题成为一大社会热点。呼吸、心跳、体温是老年人健康评估的主要参数，意外坠床是老年人生命健康安全的重要影响因素，而对这些参数的监测往往是通过人工定时监测来完成的。但是在夜间，这种方法无法实现。多导睡眠监测仪可以代替人工实现生命体征的夜间监测。但多导睡眠监测仪体积较大，依靠贴在人身体上的电极监测人体体征数据，侵入式的检测方法会影响老年人活动的便利性。光纤布拉格光栅具有精度高、体积小、抗电磁干扰、分布式多参量感知等独特优势。鉴于此，本论文运用光纤布拉格光栅传感器，研究设计了一种可实现多体征参量感知的非侵入式智能床垫，主要内容有：

（1）本文设计了一种光纤温度传感器，可以测量人体体温，通过管状封装结构消除了压力对它产生的影响，最后通过simulation仿真实验分析传感器的静态特性并标定传感器。

（2）设计了一种光纤压力传感器，可以判断人的离在床情况，依据传感器波形变化速率可以判断是否为意外坠床。为方便光纤光栅感受径向应变将传感器设计成拱形结构，传感器的选材和尺寸设计依据传感器的误差和精度要求，最后通过simulation仿真实验分析传感器的静态特性并标定传感器。

（3）设计了一种光纤呼吸/心跳传感器，可以检测微小应变，分析波形稳定状态下波动次数计算心率。为消除温度影响将其设计成差动结构，推导了中心波长变化量与输入压力之间的关系表达式，最后通过simulation仿真分析传感器的静态特性并标定传感器。

关键词：智能床垫；光纤布拉格光栅；温度传感器；压力传感器

Abstract

With the development of society, the proportion of the elderly in the total population is incr-easing, and the health problem of the elderly has become a major social problem.Respiration, he-art rate, body temperature and falling out of bed are often monitored by invasive instruments and manual timing monitoring.This method of measurement is not only inefficient, but also requires a large number of manpower, and invasive monitoring methods may bring inconvenience to the movement of the elderly.In order to effectively monitor the health problems of the elderly, the c-ontent of this study is proposed, which mainly involves the design and calibration of temperature sensors and pressure sensors.In general application environment, high monitoring precision, sm-all size, corrosion resistance, anti electromagnetic interference, fiber Bragg grating sensor in this aspect has a unique advantage.

According to the sensing characteristics of grating Bragg grating, which is sensitive to temperature and strain at the same time, the changes of these quantities can be converted into the central wavelength drift of the fiber, so as to realize the measurement of temperature and pressure., this paper designed a temperature sensor to measure body temperature, through the tubular encapsulation structure to eliminate the impact of stress on it, according to the strength and heat transfer requirements to its material selection, design of sensor sizes, finally through the simulation simulation experiment to analyze the static characteristic of sensor and calibration.A pressure sensor was designed, which could monitor people away from the bed, through waveform analysis can determine whether to accidentally drop of bed, through to the strain monitoring requirements to design it into arch structure, to curb the influence of temperature change on the material selection and size design, finally through the simulation simulation experiment to analyze the static characteristic of sensor and calibration.Designed a breathing rate sensor, detection of small strain to calculate the heart rate, for the elimination of the influence of temperature to design it into differential structure, according to the measuring requirements of sensor design, material selection and size center wavelength variation is derived and the relationship between the input pressure expression, finally through the simulation simulation to the sensing characteristics were analyzed.

Key words: Intelligent mattress;Fiber Bragg grating;Temperature sensor;Pressure sensor

目 录

第1章 绪论 1

1.1 论文的研究背景 1

1.2 智能床垫国内外研究现状分析 1

1.3 论文的研究内容 2

1.4 本章小结 3

第2章 分布式光纤光栅传感器的设计 4

2.1 引言 4

2.2 光纤布拉格光栅传感原理 4

2.3 分布式温度光纤光栅传感器设计 5

2.3.1 FBG温度传感原理 5

2.3.2 传感器的结构设计 6

2.3.3 传感器的材料选择 7

2.3.4 传感器的尺寸设计 9

2.4 分布式压力光纤光栅传感器设计 11

2.4.1 FBG应变传感原理 11

2.4.2 传感器的结构设计 12

2.4.3 传感器的材料选择 13

2.4.4 传感器的尺寸设计 15

2.5 分布式心跳/呼吸传感器的设计 17

2.5.1 FBG应变传感原理 17

2.5.2 传感器的结构设计 18

2.5.3 传感器的材料选择 18

2.5.4 传感器的尺寸设计 19

2.6 粘接剂选择 23

2.7 本章小结 24

第3章 分布式光纤光栅传感器的仿真分析 25

3.1 引言 25

3.2 仿真实验准备 25

3.3 分布式温度光纤光栅传感器标定 25

3.3.1 仿真分析 25

3.3.2 分布式温度光纤光栅传感器的静态特性 27

3.4 分布式压力光纤光栅传感器标定 28

3.4.1 仿真分析 28

3.4.2 分布式压力光纤光栅传感器的静态特性 30

3.5 分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器标定 30

3.5.1 仿真分析 30

3.5.2 分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器的静态特性 32

3.6 本章小结 32

第4章 总结与展望 33

4.1 总结 33

4.2 展望 33

参考文献 35

致谢 36

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景

据数据分析，全世界60岁以上的老年人口数量已达6亿。2019年中国人口老龄化增速世界第一，预计到2030年，中国65岁以上人口占比将超过日本，成为全球老龄化程度最高的国家^[1]。由于城镇化的发展，年轻人大量迁入大城市，独居老人人数占比越来越大，夜晚睡眠期间意外跌落和呼吸心跳异常等问题是老年人生命健康问题的一大威胁。若老人处于无人看管状态，极易错过救治最佳黄金时间，由此催生了对老人健康护理人员的巨大需求。然而，患者监测工作非常麻烦且劳动强度大，2015年全国医护人员总缺口达81.98万人次^[2]。在门诊手术中或疗养院之类的临床环境中，生命体征（例如脉搏和呼吸频率）是由医务熟练人员直接观察来测量的，持续监测生命体征需要以多种方式将传感器连接到人体。这种侵入式的测量方法不但需要大量人力资源，而且会限制被测者的运动。

在我国，由于计划生育和开放二胎政策的影响，大部分80后青年人家庭面临着赡养4个老人和两个子女的巨大压力，经济条件和时间成本的限制导致无法对老人实现密切看护。在2020新冠肺炎疫情中，大量医护投入到抗击疫情工作中，一般老年病人日常看护工作得不到很好的保障，更加凸显出医护同患者之间的矛盾关系，智能床垫这类智能看护产品则可以大大节省医护劳动力并提供高质量监测工作。在智能化时代，以智能设备代替人工监测老年人健康问题将是一个新的发展趋势。本文基于这样的社会现状提出对智能床垫的研究。