基于光子晶体光纤的血糖监测系统研究

　　0　引　言

　　随着科学技术的迅速发展,光纤现已在医学、通信、电子和电力等领域日益扩展,成为大有前途的基础材料。然而在实际应用中,当光纤作为传输介质进 行布线将无法避免地需要弯曲,传统光纤在弯曲时,信号的弯曲损耗将会影响其传输性质和灵敏度。与传统的光纤不同,光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)是一种由单一介质构成,包层为二维光子晶体结构的新型光纤,具有弯曲损耗小[1,2]、光纤特性稳定等特点。基于此,采用PCF为光 波导材料,设计了三探头PCF束传感器来监测血糖浓度的系统。该系统具有精度高、成本低、便携性好等特点。

　　1　设计原理

　　1.1　测量原理

　　将血样滴在含有氧化葡萄糖的氧化酶(GOD)的试纸上,血样中的葡萄糖被GOD氧化为葡萄糖酸内脂,此物质与试剂中的过氧化酶发生反应,生成一 种吸光物质,将试纸放置在反射式强度调制型光纤传感器的光路中,如图1所示。整个传感器系统包括光源、发射光纤、接收光纤和光电探测器[3, 4]。光源发出的光经滤波、发射光纤至被测血样表面,由于吸光物质的调制,带有血糖浓度信息的反射光由接收光纤接收,最后由光电接收器将接收到的光转换成 电信号。当光源功率和光纤探头与反射面之间的距离保持不变时,接收光纤接收到的一定波长的光强和该波长的入射光强的比值与血糖浓度存在对应关系。根据检测 到的光强信号,便可计算出血糖浓度。但这种光纤传感器的主要缺点是当光源激励不稳定时,造成光源光功率的变化,造成测量误差。另外,反射体表面反射率的不 同和光在光纤中的传输损耗都会对测量带来误差。因此,提出三探头光纤传感器补偿测量法,以消除测量环境中各种不稳定因素的影响。

　　1.2　三探头光纤束传感器补偿测量法原理

　　由于传统的反射式强度调制型光纤传感器使用单根光纤发送和接收的光能量非常微弱,而且,在设计布线时,由于弯曲时改变了光纤的对称几何结构和纤 芯与包层的相对折射率,从而影响到光纤模场的横向分布,并破坏了光波沿光纤传输的全反射条件,导致光能泄露至包层甚至外层介质。为此,采用由PCF发送和 接收光,并增加一路参考光路,组成三探头的光纤传感器,如图2所示。

　　将普通单模光纤的损耗理论进行改进可适用于PCF[5~8],高斯光束沿光纤传输时,光强和损耗系数与弯曲长度的关系为：

　　式中　Δ=sin 2θ_c/2,V=βsinθ_c,为光纤的纤芯半径, R为弯曲半径,在PCF中引入参量,并在大模场条件下利用β=2πn_eff/λ≈2π_ns/λ,在光纤弯曲半径R远大于光纤纤芯半径时,式(2)可写为：