本發明屬于光纖傳感器技術領域，特別涉及一種基于二硫化鉬納米涂層的光纖呼吸傳感器。

背景技術：

二硫化鉬作為一種新型二維層狀化合物，具有許多獨特的優點，尤其是超高的電子遷移率，使其在多種微電子器件上均有廣泛的應用，例如場效應晶體管和光電傳感器等，已經成為研究熱點之一。二硫化鉬(分子式為MoS₂)納米片具有二維層狀結構，每個分子層含有上下兩個六邊形結構的S原子層，中間夾著一個Mo原子層，形成SMoS的三明治結構。分子層內S原子與Mo原子以共價鍵結合，分子層之間以較微弱的范德瓦爾斯力結合，因此，MoS₂納米片易形成穩定的薄層結構。單層MoS₂具有極大的表面積與體積比，它的電荷載流子密度會受到環境濕度影響而發生變化，從而導致其復折射率變化，這就是MoS₂納米片用于濕度傳感的基礎。

傳統的基于光纖涂覆材料吸收水汽發生膨脹的光纖濕度傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小等優點，但是它對于濕度變化的響應時間約為幾秒至幾十分鐘的量級，遠遠低于電子類傳感器，難以用于呼吸傳感。目前，呼吸傳感器大多以人體在呼吸時胸腔或者腹腔的體積變化來檢測呼吸的頻率，以電學類壓力傳感器為主，如2010年王新安等公開了一種壓電材料制成的呼吸傳感器(王新安，沈勁鵬，馮曉星，黃錦鋒，戴鵬，王金泊，一種呼吸傳感器,中國發明專利，申請號：201010607762.X)。電學類呼吸傳感器的一大優勢就是響應速度快，但這類呼吸傳感器存在兩個明顯的缺點：基于壓力的呼吸傳感器雖然具有靈敏度高的特點，但難以避免人體活動對監測結果的干擾。另外，電子類有源傳感器采用電路傳輸信號，易受電磁干擾，特別是強電磁環境下對電磁干擾的屏蔽設計，將使傳感器的體積和重量明顯增加，影響其實際應用的范圍。

技術實現要素：

要解決的技術問題

為了解決當前光纖濕度傳感器響應速度慢的問題，本發明提出一種響應速度高，同時還具有良好抗電磁干擾性能的基于二硫化鉬納米涂層的光纖呼吸傳感器。

技術方案

為解決上述技術問題，本發明通過以下技術方案實現：一種基于二硫化鉬納米涂層的光纖呼吸傳感器，其包括順次連接的光源1、傳感頭3、光電探測器4和信號處理與顯示系統5，其中，傳感頭3為設置有基于MoS₂納米片31的光纖傳感器。

所述MoS₂納米片31涂覆于光纖傳感器的倏逝波區域。

所述光纖傳感器的倏逝波區域可以是通過腐蝕方法在光纖上設置包層均勻減薄的腐蝕區域；可以是通過拉錐方法在光纖上設置雙錐形區域；可以是通過研磨方法在光纖包層上設置單側分布的D形區域。

所述光源與傳感頭3之間還設置有隔離器。

所述光源為波長范圍為400nm至1700nm的寬帶光源或激光光源。

一種基于二硫化鉬納米涂層的光纖呼吸傳感方法，光源1輸出的光波進入所述基于二硫化鉬納米涂層的傳感頭3后；所述光波由基于二硫化鉬納米涂層的傳感頭3調制后攜帶呼吸變化的信息，再由光電探測器4將所述光信號轉換為電信號，并由所述信號處理與顯示系統5處理所述電信號，獲得呼吸變化圖，由所述呼吸變化圖中可知道呼吸頻率和強度的信息，達到監測呼吸的目的。

所述光波由基于二硫化鉬納米涂層的傳感頭3調制時，在基于二硫化鉬納米涂層的傳感頭的光纖倏逝波區域傳輸的光波，其光場能量進入所述光纖外涂覆的MoS₂納米片31中，并被所述MoS₂納米片31吸收；所述MoS₂納米片31受到呼吸帶來的濕度變化影響，使其折射率發生變化；所述光波在折射率發生變化的倏逝波區域中傳輸，透過功率發生變化，從而實現對所述光纖中傳輸光波的調制；通過監測所述傳感頭中光功率的變化就可以得到呼吸頻率以及強度的信息。

所述光源1輸出的光波，先經設置在傳感頭3與光源之間的隔離器2單向隔離后，再傳輸至傳感頭。

有益效果

本發明提出一種光纖呼吸傳感器的傳感方法與裝置，由于本發明將MoS₂納米片涂覆于光纖的倏逝波傳輸區，通過測量所述光纖的透過功率，就可以監測呼吸。所述光纖呼吸傳感器輕便靈巧，放置于待測者的鼻孔附近就可監測呼吸的頻率和強度，對于一些進行劇烈活動的人群，例如運動員，可直接監測其呼吸情況，而不給身體活動帶來額外的負擔；所述呼吸傳感器還能抗電磁干擾，在強電磁環境下依然可以使用，例如在高頻電刀的手術中，可以使用本發明中的呼吸傳感器來監測患者的呼吸情況；所述呼吸傳感器還具有成本低，響應速度快等優點，并可以很好地監測呼吸頻率和呼吸強度的變化。這種呼吸傳感器便于推廣使用，具有很大的應用潛力。

附圖說明

圖1為本發明呼吸傳感器的裝置示意圖。

圖2為本發明呼吸傳感器傳感頭第一實施方式的結構示意圖。

圖3為本發明呼吸傳感器傳感頭第二實施方式的結構示意圖。

圖4為本發明呼吸傳感器傳感頭第三實施方式的結構示意圖。

圖5為本發明呼吸傳感器傳感頭第四實施方式的結構示意圖。

圖6為在平穩呼吸情況下使用該傳感器測量到的光纖功率變化結果圖。

圖7為在呼吸頻率和強度變化下使用該傳感器測量到的光纖功率變化結果圖。

其中：1.寬帶光源；2.隔離器；3.傳感頭；4.光電探測器；5.信號處理與顯示系統；6.光纖；7.激光光源；31.MoS₂納米片；32.光纖纖芯；33.光纖包層；A.呼吸監測的起始時刻；B.深呼吸開始的時刻；C.呼吸監測的結束時刻。

具體實施方式

本發明基于二硫化鉬納米涂層的光纖呼吸傳感器包括光源、隔離器、傳感頭、光電探測器和信號處理與顯示系統，它們通過光纖依次連接在一起。所述光源輸出的光波耦合進光纖形成導波，導波經光纖傳輸進入所述隔離器；所述隔離器確保導波單向傳輸進入所述傳感頭中；進入所述傳感頭的導波經由所述傳感頭調制后攜帶呼吸變化的信息，由光纖傳送至所述光電探測器；所述光電探測器將所述傳感頭調制后的導波轉換為電信號，由所述信號處理與顯示系統處理所述電信號，獲得呼吸變化圖，由所述呼吸變化圖中可得到呼吸頻率和強度的信息。

所述呼吸傳感器的傳感頭是由所述MoS₂納米片涂覆在所述傳感頭區域的光纖外側形成，所述光纖外側可傳輸光纖導波的倏逝波，從而使倏逝波與所述MoS₂納米片發生作用以實現呼吸傳感。

本發明所采用的工作原理，其特征如下：利用呼吸帶來的濕度變化引起所述MoS₂納米片中載流子的濃度改變，導致所述MoS₂納米片的光頻電導率發生變化，從而改變所述光纖的導波的倏逝波傳輸區域的復折射率，所述MoS₂納米片的復折射率的虛部的變化引起所述MoS₂納米片對所述光纖的導波的倏逝波的吸收發生改變，從而實現對所述光纖的導波的強度調制，通過監測所述光纖中光功率的變化就可以得到呼吸頻率與呼吸強度的信息。

裝置實施例1：請參閱圖1，其是本發明光纖呼吸傳感器第一實施方式的示意圖。本實施例中，光纖呼吸傳感器由一寬帶光源1、一隔離器2、一傳感頭3、一光電探測器4和一信號處理與顯示系統5由傳輸光纖6依次連接而成。所述寬帶光源的波長范圍為400nm至1700nm，在所述波長范圍內任意線寬的寬帶光源或其組合均可作為所述寬帶光源。所述傳輸光纖6為單模光纖。所述寬帶光源1輸出的光波經傳輸光纖61傳輸至所述隔離器2；所述隔離器2確保光波單向傳輸，避免系統中的反射光波干擾光源的正常工作，保證光源功率穩定；經過所述隔離器2的光波由傳輸光纖62傳輸至所述傳感頭3中；經過所述傳感頭3的光波由所述傳感頭3調制后攜帶呼吸變化的信息成為傳感光信號，所述傳感光信號由傳輸光纖63傳輸至所述光電探測器4；所述光電探測器4將所述傳感光信號轉換為電信號，由所述信號處理與顯示系統5處理所述電信號，獲得呼吸變化圖，由所述呼吸變化圖中可知道呼吸頻率和強度的信息，達到監測呼吸的目的。

請同時參閱圖2，其是圖1中傳感頭3的結構示意圖。所述傳感頭包括MoS₂納米片31以及光纖纖芯32和光纖包層33。其中，所述光纖包層33經過腐蝕變薄，其腐蝕區域包層的厚度d取值范圍為4μm到5μm，將所述MoS₂納米片31涂覆在所述腐蝕區域，形成傳感單元，此時在室溫下光電探測器4監測到的光功率為1mW左右。

當呼吸形成的氣流作用于傳感頭3上時，濕度的變化作用于MoS₂納米片31上，引起MoS₂納米片31中載流子的濃度改變，導致MoS₂納米片31的光頻電導率發生變化，從而改變MoS₂納米片31的復折射率n，復折射率n＝n+iη，考察在介質中沿z方向傳播的光電場復振幅表達式E(z)＝E₀e^iknz＝E₀e^ik(n+iη)z＝E₀e^iknze^-kηz，從式中可以看出復折射率的實部n是表征介質影響光傳播的相位特征的量，與光波的色散有關，復折射率的虛部η表征光在介質中傳播時振幅(或光強)衰減的快慢，與光波的吸收有關。

MoS₂納米片31的折射率虛部改變，導致MoS₂納米片31對腐蝕光纖中導波的倏逝波部分產生的吸收發生改變，實現對光纖的導波的強度調制，使得光電探測器4接收的光功率發生變化。

本實施方式中，根據光電探測器4所接收的光功率的變化，可知道呼吸頻率以及強度的變化情況。請參閱圖6和圖7，它們分別是在平穩呼吸和呼吸變化情況下所得到的實驗結果。由圖6可看出，在平穩呼吸的情況下，透過光功率隨呼吸平穩變化，說明測試者呼吸頻率均勻，從光功率的起伏可以看出測試者呼吸強度的起伏變化。由圖7可以明顯看出呼吸頻率和強度的變化，從而區分出正常呼吸與深呼吸(B)。實驗結果表明這種利用MoS₂納米片的呼吸傳感器可以非常好地監測呼吸情況。

在實際應用中，由于這種呼吸傳感器輕便靈巧，不會給使用者造成負擔，可以配合各種儀器來監測呼吸變化情況；該呼吸傳感器由光纖制成，因此抗電磁干擾且耐腐蝕，可以在一般電子類儀器無法工作的環境中工作；除此之外，該呼吸傳感器制作方法簡單，成本低，特別適合于推廣使用。因此，本發明具有廣泛的應用價值。

裝置實施例2：本發明第二實施方式的裝置與第一實施方式的裝置相似，由一寬帶光源1、一隔離器2、一傳感頭3、一光電探測器4和一信號處理與顯示系統5由傳輸光纖6依次連接而成，所不同之處在于所述傳感頭3中光纖32和33的結構不同。所述結構是使用拉錐方法得到的雙錐形結構。

請參閱圖3，所述傳感頭包括MoS₂納米片31以及光纖纖芯32和光纖包層33。其中，所述光纖包層33經過拉錐變薄，將所述MoS₂納米片31涂覆在所述光纖的拉錐區域，形成傳感單元。

本實施方式中，當呼吸形成的氣流作用于傳感頭3上時，濕度的變化作用于MoS₂納米片31上，從而使MoS₂納米片31的折射率虛部改變，導致MoS₂納米片31對錐形光纖中導波的倏逝波部分產生的吸收發生改變，使得光電探測器4接收的光功率發生變化。

本實施方式中，根據光電探測器4所接收的光功率的變化，可知道呼吸頻率以及強度的變化情況，可用于制作呼吸傳感器。

裝置實施例3：本發明第三實施方式的裝置與第一實施方式的裝置相似，由一寬帶光源1、一隔離器2、一傳感頭3、一光電探測器4和一信號處理與顯示系統5由傳輸光纖6依次連接而成，所不同之處在于所述傳感頭3中光纖32和33的結構不同。所述結構是使用研磨方法得到的D形結構。

請參閱圖4，所述傳感頭包括MoS₂納米片31以及光纖纖芯32和光纖包層33。其中，所述光纖包層33經過研磨單邊變薄，其研磨區域包層的厚度d取值范圍為4到5μm，將所述MoS₂納米片31涂覆在所述光纖的研磨區域，形成傳感單元。

本實施方式中，當呼吸形成的氣流作用于傳感頭3上時，濕度的變化作用于MoS₂納米片31上，從而使MoS₂納米片31的折射率虛部改變，導致MoS₂納米片31對D形光纖中導波的倏逝波部分產生的吸收發生改變，使得光電探測器4接收的光功率發生變化。

本實施方式中，根據光電探測器4所接收的光功率的變化，可知道呼吸頻率以及強度的變化情況，可用于制作呼吸傳感器。

本發明基于MoS₂納米片涂覆單模光纖實現呼吸(濕度)傳感方法和裝置第一實施方式中傳感頭使用腐蝕光纖、第二實施方式中傳感頭使用錐形光纖、第三實施方式中傳感頭使用D形光纖，可分別在外界的呼吸作用下使MoS₂納米片31的折射率虛部改變，影響MoS₂納米片31對光纖中倏逝波的吸收，使得光電探測器4接收的光功率發生變化。因此本發明傳感頭的不同結構均可達到呼吸傳感的目的，都可作為呼吸傳感器。

裝置實施例4：請參閱圖5，其是本發明第四實施方式的示意圖。本發明第四實施方式的裝置與第一實施方式的裝置相似，由一激光光源7、一隔離器2、一傳感頭3、一光電探測器4和一信號處理與顯示系統5由傳輸光纖6依次連接而成，所不同之處在于所述光源的類型不同。所述激光光源的波長范圍為400nm至1700nm，在所述光譜范圍內任一波長的激光光源均可作為所述激光光源。

本實施方式中，傳感的物理機制與實施例1相似，由傳感頭3上涂覆MoS₂納米片31的折射率虛部變化導致倏逝波區域的吸收發生改變，實現對光纖的導波的強度調制。所述激光光源7輸出的光波經傳輸光纖61傳輸至所述隔離器2；所述隔離器2確保光波單向傳輸，避免系統中的反射光波干擾光源的正常工作，保證光源功率穩定；經過所述隔離器2的光波由傳輸光纖62傳輸至所述傳感頭3中；經過所述傳感頭3的光波由所述傳感頭3調制后攜帶呼吸變化的信息成為傳感光信號，所述傳感光信號由傳輸光纖63傳輸至所述光電探測器4；所述光電探測器4將所述傳感光信號轉換為電信號，由所述信號處理與顯示系統5處理所述電信號，獲得呼吸變化圖，由所述呼吸變化圖中可知道呼吸頻率和強度的信息，達到監測呼吸的目的。

本實施方式中，根據光電探測器4所接收的光功率的變化，可知道呼吸頻率以及強度的變化情況。