本发明专利技术涉及一种压力感测设备(10)，包括：光纤(12)，所述光纤(12)包括中心轴(L)和至少一个光纤纤芯(14)，所述至少一个光纤纤芯(14)具有一个或多个反射FBG结构；以及围绕所述光纤(12)的涂层(16)，所述涂层(16)具有沿着中心轴(L)径向不对称的机械属性。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】分布式血管内光纤布拉格压力传感器
本专利技术涉及压力感测。具体地，本专利技术公开了一种压力感测设备，其中，涂层围绕着具有一个或多个反射式光纤布拉格光栅结构的光纤。涂层展现出沿着设备的中心轴径向不对称的机械属性。此外，本专利技术公开了一种用于确定压力的对应方法。
技术介绍
针对压力感测的重要
是要求高敏感性和准确性的血管内压力感测。血管内压力测量(诸如带有单个集成压力传感器的导丝)是测量血管的通畅性和功能性的重要工具。这些单传感器导丝的问题在于：医师每次想在沿着血管的不同位置处测量压力时，都必须移动导丝或导管。这导致“丢失丝线位置”，这需要对丝线的耗时的重新定位，并且甚至可能导致在血管内的错误位置处进行压力感测。沿着动脉来回移动导丝不仅会延长流程，而且还带来不良事件的风险，诸如血管剖开。为了解决该问题，一种方案在于：提供具有多个传感器的导丝或导管，所述多个传感器能够在沿着导丝或导管的长度的各个点处测量压力。遗憾的是，简单地将多个额外的(电容式或压电式)压力传感器添加到导丝中导致多个问题：额外的传感器以及其线缆要求使所得的导丝太僵硬、太脆弱并且太昂贵。一种可能的解决方案在于选取一种不同的传感器技术，所述技术更适合于多个或分布式传感器。光纤布拉格光栅(FBG)已经被建议作为一种用于分布式感测的方法。FBG是折射率周期性变化的光纤。仅当光的波长λ满足布拉格条件时，FBG才会反射所述光：λ＝2Γneff(1)其中，Γ和neff分别是光栅的光栅周期和纤芯的有效折射率(https://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_Bragg_grating)。不满足布拉格条件的光将通过FBG。FBG适用于分布式感测，因为多个布拉格光栅能够被集成在单个光纤中，并且能够个体地读取。例如，这被用在光学形状感测技术中，其中，具有集成FBG的光纤能够检测到数米距离内的光纤弯曲。FBG将感测到光栅的周期长度Γ或折射率n的任何变化。这样的变化能够通过例如温度、应变或压力来引起。使用FBG作为血压传感器的问题是其对压力的低敏感性，并且对温度和应变的相对较高的敏感性。血压测量所需的压力范围约为从-30mmHg至300mmHg(约-4kPa至40kPa)。精度应当为≤2mmHg(即，≤约0.3kPa)。二氧化硅FBG的压力敏感度约为0.003pm/kPa(0.0004pm/mmHg)，而温度敏感度约为10pm/℃，并且应变敏感度约为≈1.3pm/pε，其中，1个皮氏应变(picostrain)pε被定义为相对物理长度变化ΔL/L的10-12倍(K.Bhowmik等人的“ExperimentalStudyandAnalysisofHydrostaticPressureSensitivityofPolymerFiberBraggGratings”，J.LightwaveTech.33(12)，2456-2462(2015年6月)；US2015/0141854A)。因此，约2mmHg的压力变化将导致FBG中的波长偏移约为0.0008pm。这是非常小的波长偏移。为了进行比较，典型的市售FBG询问器的波长分辨率约为1pm(参见http://www.micronoptics.com、http://www.opto-works.co.jp/FBG/BaySpec-Datasheet-FBGA-IRS-R(1).pdf或https://www.hbm.com/en/4604/fs22-industrial-braggmeter-optical-interrogator/)，并且一些达到的分辨率可低至0.05pm(参见http://www.technobis.com)。典型FBG的压力敏感性低的原因是硅纤维的低弹性，该硅纤维形成市售FBG的基础。液体静压改变纤维的物理长度L，导致Γ的变化。另外，压力改变了纤维的折射率neff。在根据M.G.Xu等人的“OpticalFibreSensorforHighPressureMeasurementUsinganin-fibreGrating”，http://eprints.soton.ac.uk/77273/1/663.pdf(1993)中，液体静压变化ΔP将导致布拉格波长的变化Δλ：其中，E是杨氏模量，ν是泊松比，p12和p11是应变光学张量的分量。针对玻璃的典型值为E＝70GPa和ν＝0.17、p12＝0.27和p11＝0.17。从该方程式明显看出，波长偏移与E成反比。通过利用低杨氏模量的材料制造FBG，能够增强压力敏感性。K.Bhowmik等人的“ExperimentalStudyandAnalysisofHydrostaticPressureSensitivityofPolymerFibreBraggGratings”，J.LightwaveTech.33(12)，2456-2462(2015年6月)公开了在自制聚合物纤维中制造FBG，其波长敏感性在原始纤维中为Δλ/ΔP≈0.027pm/mmHg，并且在将纤维蚀刻到直径55μm后最高为Δλ/ΔP≈0.1pm/mmHg。然而，这样的聚合物FBG目前并不适合于在商业应用中使用。没有可商购的聚合物FBG。单模聚合物纤维是小生境(niche)。这些纤维和所需的支撑技术(拼接、切割、抛光、FBG书写等)不可用。这是部分由于聚合物纤维的公知问题，诸如塑性变形、缺乏均质性、由于吸水而引起的属性变化等。最后重要的一点：使用聚合物FBG也将增加应变和温度敏感性，因此需要应变和温度补偿技术。已经提出了用于增加FBG的压力敏感性的多种备选方法。V.R.Pachava等人的“AhighsensitiveFBGpressuresensorusingthinmetaldiaphragm”公开了通过将FBG集成到膜中而使压力敏感性Δλ/ΔP>4pm/mmHg。压力引起的膜弯曲将轴向液体静压转化为FBG更加敏感的形状变化(并且因此，纵向应变变化)。然而，该原理并不适用于小型化或分布式感测。已经提出了许多其他方案来提高FBG的压力敏感性，包括使用带孔光纤以及使用光纤Fabry-Pérot-谐振器。例如，US5297437A公开了一种嵌入在弹性材料中的光纤Fabry-Pérot-干涉仪。WO2015/106887A1公开了一种被设计用于分布式压力感测的感测线缆，其包括一根或多根光纤，所述光纤包括永久性地写入光纤的纤芯内部的连续的弱纤维布拉格光栅，并且其中，所述感测线缆被配置为使得被施加到感测线缆的压力改变一根或多根光纤中的双折射。在实施例中，感测线缆包括由涂层围绕的光纤，所述涂层包括在横截面上的四种不同材料的四个不同部分，从而形成圆形的周边。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于光纤的压力感测设备以及一种确定压力的方法，其中，已经克服了上述缺点。具体地，目的在于提供基于光纤的压力感测设备，其中，光纤对低压力(例如，血管中普遍存在的液体静压)展现出足够的敏感性。另外的目的在于提供一种分布式感测设备。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种压力感测设备(10)，包括：/n光纤(12)，其包括中心轴(L)和至少一个光纤纤芯(14)，所述至少一个光纤纤芯(14)具有一个或多个反射FBG结构；以及/n围绕所述光纤(12)的涂层(16)，所述涂层(16)包括第一环形子部分(22)和第二环形子部分(24)，所述第一环形子部分延伸通过具有方位角
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180207 EP 18155462.71.一种压力感测设备(10)，包括：
光纤(12)，其包括中心轴(L)和至少一个光纤纤芯(14)，所述至少一个光纤纤芯(14)具有一个或多个反射FBG结构；以及
围绕所述光纤(12)的涂层(16)，所述涂层(16)包括第一环形子部分(22)和第二环形子部分(24)，所述第一环形子部分延伸通过具有方位角的第一环形扇区，所述第二环形子部分延伸通过具有方位角的第二环形扇区，其中，所述第一环形子部分和所述第二环形子部分的机械属性是不同的，并且其中，所述方位角和沿着所述中心轴(L)的部分互补地变化。
2.根据权利要求1所述的压力感测设备(10)，其中，所述压力感测设备(10)适于确定沿着所述中心轴的多个局部压力，所述局部压力在所述涂层(16)上施加径向力。
3.根据权利要求1或2所述的压力感测设备(10)，其中，所述第一环形部分和所述第二环形部分的热膨胀系数之间的差低于10％，并且所述第一环形部分和所述第二环形的泊松比之间的差大于75％。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的压力感测设备(10)，其中，所述第一环形子部分(22)和所述第二环形子部分(24)沿着所述中心轴(L)交错地被设置，从而形成至少两个纵向部分(20)。
5.根据权利要求4所述的压力感测设备(10)，其中，所述至少两个纵向部分(20)中的每个纵向部分包含至少一个反射FBG结构。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的压力感测设备(10)，其中，所述方位角和沿着所述中心轴(L)的至少部分连续地变化。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的压力感测设备(10)，其中，所述第一环形子部分和所述第二环形子部分包括相同的材料，所述相同的材料被化学和/或物理地处置以提供所述第一环形子部分和所...
【专利技术属性】
技术研发人员：M·米勒，J·J·H·B·施莱彭，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL
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