FOT-L光纤温度传感器在生物医疗领域中的应用与特性研究

医学临床及动物实验要求对温度进行精确快速的测量，尤其在肿瘤热疗中，温度传感器在对组织温度进行多点实时测量的同时还要消除传统温度计受电磁辐射干扰的问题。相比于传统温度传感器，光纤温度传感器以其良好的电绝缘性可以很好的应用于生物医疗领域。

本文针对现有医用温度传感器的不足，根据光纤布拉格光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPFG）的理论，找到由工采网从加拿大进口的光纤温度传感器——FOT-L-BA,这是一款非常适合在极端环境下测量温度的光纤温度传感器，这种极端环境包括低温、核环境、微波和高强度的RF等。都是完全不受EMI和RFI影响，同时，它们的尺寸小、针对危险环境内置安全装置、耐高温、耐腐蚀并且具备较高的精度。最后并对其传感特性进行了研究，具体工作如下：

1、医用FBG温度传感器的研制及其特性研究 利用相位掩模板法在普通石英光纤和包层模抑制（CMS）光纤上刻制FBG，并进行了温度和弯曲特性的相关实验研究。实验发现，两种光纤刻制的FBG具有相似的温度灵敏度，分别为11.5pm/℃和10.6pm/℃，且具有良好的线性度，相关系数大于0.99。CMS光纤制备的FBG对弯曲曲率的敏感度较普通光纤制备的FBG低，更适用于人体温度的测量。

2、医用FBG温度传感器的温敏式封装及其特性研究 根据温敏式封装的原理，选用热膨胀系数大、温变性质稳定的材料对FBG温度传感器进行了封装，在对FBG起到保护作用的同时，使其具有较高的温度灵敏度，较好的重复性、线性度和稳定性。 首先用环氧树脂将FBG封装在聚四氟乙烯管中，虽然温度增敏效果明显，约为裸FBG的12倍，但其线性度不如裸FBG。为了不破坏裸FBG良好的线性度，使FBG在毛细套管中处于自由状态，在毛细套管两端点胶用来固定光纤光栅。分别使用毛细玻璃管，毛细钢管，聚四氟乙烯管作为基底材料，其温度灵敏度系数分别为8.7pm/℃，38pm/℃，23.4pm/℃，并且中心波长的漂移量与温度变化呈现良好的线性关系。为了避免粘胶剂对光纤光栅的影响，提出一种双管无胶封装方式，封装后的温度传感器具有更好的线性度，温度灵敏度系数为18.9pm/℃。实验结果表明，封装后的FBG温度传感器的灵敏度不仅与热膨胀系数有关，与封装材料的导热性也有密切的联系。

3、LPFG温度传感器的研制及其传感特性的研究 用高频CO_2激光脉冲在普通石英光纤中写入LPFG。实验研究了LPFG的温度及弯曲特性。其温度灵敏度约为75pm/℃，约为裸FBG的7.5倍，并且呈现良好的线性度。其透射峰幅值对温度不敏感，但对弯曲曲率敏感。为了使其更适合于工程中的应用，提出了一种灌装酒精的封装方式。封装后出现两个明显的谐振峰。1508nm处的谐振峰随温度的升高发生蓝移，温度灵敏度为56.9pm/℃。1472nm处的谐振峰随温度的升高发生红移，温度灵敏度为531.2pm/℃，是裸LPFG的7倍，裸FBG的53倍。有效提高了长周期光纤光栅温度传感特性、避免外界其他因素的干扰。

4、封装后的光纤光栅温度传感器在微波及超声波环境中测试 将封装好的光纤光栅温度传感器分别放入微波环境及超声波环境中，并进行温度特性测试。实验表明，封装后的光纤光栅温度传感器不受微波及超声波的干扰，仍然保持原有的温度灵敏度，并且具有良好的线性度及稳定性。 本项目研制的光纤光栅温度传感器分辨率达到0.02℃，并且具有抗微波、超声波、电磁干扰的优点，可以广泛应用于磁流体热疗、核磁共振等有电磁场、微波、超声波干扰的生物医疗领域。