[发明专利]一种基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置及方法

权利要求书

1.一种基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测的实验方法，其特征在于，所述实验方法基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置实现，所述基于刻栅塑料光纤的可穿戴颈部疲劳检测装置包括：可穿戴颈部疲劳检测织物以及检测装置，其中所述检测装置包括激光光源、光电探测器、塑料光纤以及示波器，其中所述激光光源与所述光电探测器通过导线连接，所述光电探测器与所述示波器通过所述塑料光纤连接，所述光电探测器用于将光信号转化为电信号，所述塑料光纤缝制在所述可穿戴颈部疲劳检测织物内并进行表面刻槽处理形成刻栅塑料光栅；所述表面刻槽处理包括：通过破坏光传输条件，增强光纤的弯曲损耗来增加角度灵敏度；所述塑料光纤的表面结构处理：左侧及右侧两根光纤刻栅段长3cm，刻槽密度为0.5mm，共6个；后侧光纤刻栅段长10cm，刻槽密度1cm，共10个，所述塑料光纤分别缝在织物的左、中和右等三个部位，佩戴时分别对应颈部左侧、后部、右侧；所述激光光源的光源波长650nm，功率0.6mw；所述塑料光纤的管线外径为1.0mm，传输损失150db/km，保管温度为-55℃～+70℃；所述示波器为数字示波器；所述光电探测器为适配器型光电探测模块；

所述实验方法包括步骤：

步骤1，构建颈部运动坐标：颈部运动分为左右转动、左右摇动和前俯后仰，这是颈部运动时会对颈椎产生一定危害的三个特征运动，根据这个特征，通过分别在人的颈椎正后方、左侧和右侧布置三条光纤，组成一个XY坐标系，X轴描述颈部左右运动：向右为正、向左为负；Y轴描述向前运动：向前为正、向后为负；

步骤2，获得后侧、左侧和右侧刻栅塑料光纤的数据，包括将后侧、左侧和右侧刻栅塑料光纤与水平面保持平行，尽量保持平直；并设置弯曲起始点位于光纤刻栅段中点，采用坐标板和量角器模拟其在颈部的运动，测量范围为X轴：-45°～45°，Y轴：0°～45°，以15°为分度，在这个范围内的每个特征点重复测量7次；

步骤3，使用MATLAB工具软件对测得数据进行处理分析从而建立颈部运动模型，获得光纤输出功率与颈部倾角的关系；

步骤4，根据所确定的拟合公式，利用设计制备的光纤传感器实现颈部运动行为监测。

2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于所述步骤3包括：运用二元线性回归的方法建立了颈部运动模型，得出了光纤输出功率与颈部倾角的关系，设X方向的角度为θ_x，Y方向的角度为θ_y，左边光纤、右边光纤和长光纤输出的电压值为分别为V_left，V_right和V_long，则：

对于头向右偏的情况，使用左侧光纤和后侧光纤进行解调：

以角度作为自变量，电压值作为因变量，假设电压值和角度值之间为线性关系，得到以下拟合结果：

求解上述方程，得到：

式中，pinv为矩阵的伪逆，是对于非方矩阵的一种运算，设矩阵为B，令B的伪逆为A，为一个3×2的矩阵，则：

由此可确定拟合系数重复上述方法对于颈部前俯、左摇和右摇进行了六次解调，其组合分别为：

左摇：左侧光纤+后侧光纤；右侧光纤+后侧光纤；

右摇：左侧光纤+后侧光纤；右侧光纤+后侧光纤；

前俯：左侧光纤+后侧光纤；右侧光纤+后侧光纤；

从而确定解调后得到拟合结果。

3.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：还包括采用可视化系统对颈部姿态信息进行实时的3D显示并实现存储，用于将姿态传感器的当前状态实时显示在界面上以及将相应的姿态数据存储到上位机上，再通过MATLAB软件的相关程序对获取的姿态数据进行仿真分析，其中所述可视化系统包括：接收颈部姿态数据：基于刻栅塑料光纤的颈部疲劳监测装置通过接口将颈部姿态数据传输到计算机上；

实时显示姿态角并将颈部姿态用3D图形显示：采用相应函数拟合出颈部倾角，接收了颈部姿态数据后，经过相应模块来实现姿态传感器的3D图形显示；

存储颈部姿态数据：应用存储函数，将接收到的颈部姿态数据存储。