光纤温度监测系统的设计

　　1前言

　　光纤光栅传感技术是伴随着光纤通信自20世纪70年代发展起来的一门先进多学科交叉技术，与常规的电子类传感器相比具有一些无可比拟的优点，如光纤光栅传感器具有灵敏度高、响应速度快、不带电、本质安全、体积小、重量轻、结构简单、不受电磁场的干扰、稳定性好、易于实现分布式多点实时检测等优点，是非常适合人体组织测温的一种先进的传感技术。

　　医学中热疗用的传感器多为传统的电子传感器，如热敏电阻、热电偶等。但热疗过程中常存在高频辐射或超声波场，电子传感器容易受到电磁场的干扰，影响测温的效果及精度，而且传统的传感器的尺寸相对较大，因而对人体组织的伤害也较大。

　　本文基于光纤光栅传感技术及热疗临床的应用特点研究设计了光纤光栅多点温度监测系统。该系统将光纤光栅传感技术成功地应用于临床医学，为热疗提供了可靠的技术保障。

　　2 光纤光栅传感技术原理

　　光纤布喇格光栅(FBG)产生的原理是，由于掺锗石英光纤具有光敏特性，从而在特定波长紫外光干涉条纹调制下沿着光纤轴向方向产生周期性折射率变化，并保存下来，成为光纤光栅。

　　光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂(通常是掺锗)，使芯层折射率n1比包层折射率n2大，形成波导，光就可以在芯层中传播，当芯层折射率受到周期性调制后，即成为布喇格(Bragg)光栅。所谓调制，就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。布喇格光栅对入射的宽带光进行选择性反射，满足布拉格反射条件的入射光将被光纤光栅反射回去，反射光为窄带光，带宽约为0.1～0.5nm。满足布喇格条件的入射光中心波长称之为布喇格波长。布喇格波长决定于折射率调制的空间周期Λ和调制的幅度大小，用数学公式表示如下：

　　式中：

　　λB为光栅的布喇格波长;

　　neff为光栅的有效折射率(折射率调制幅度大小的平均效应);

　　Λ为光栅条纹周期(折射率调制的空间周期)。

　　外界温度对布喇格波长的影响是由热膨胀效应和光效应引起的。由式(1)可知，布喇格波长是随neff和Λ而改变，当光栅所处的外界环境发生变化时，由于光纤材料的热光效应，光栅的折射率会发生变化，由于热胀冷缩效应，光栅的周期也会发生变化，从而引起nef f和Λ的改变，最终反射光波的中心波长λB也随之改变。由此可知只要确定波长漂移量和光纤光栅变化量之间的关系，并实现波长检测，就可以利用光纤光栅实现传感功能。