基于分布式光纤测温技术的智能测温手环设计

张扬 陈蚺 杨涛 蔡琪军 纪雯

徐州工程学院   电气与控制工程学院

摘要：体温反应了机体新陈代谢的结果，也是机体发挥各项正常功能的必备条件之一，能够准确的测量出体温对疫情防控尤为重要，光纤测温技术相较于其他测温方式，具有灵敏性高、耐腐蚀、抗电磁干扰、低能耗、无源、易部署等诸多优势。本文介绍了光纤测温技术的原理特点，分析了基于光纤测温技术为主要测温方式在智能测温手环中的应用，以及测温手环的内部运作流程。

关键词：体温 分布式光纤测温 智能测温手环 拉曼散射

引言人体内部的温度称体温，保持恒定的体温，是保证新陈代谢和生命活动正常进行的必要条件。在疫情扩散的当下，大多数新冠病毒感染的患者都会出现发热现象，在发病的早期一般来说都是中低度发烧，体温在37.2度到38度之间。不过具体的发热温度和个人的体质有着密切的关系；病情发展到中后期或者是到了重症期，身体的免疫反应就会变得比较强烈，这个时候发热的程度也会增加，所以会出现高热现象，体温通常是在38度以上。不过也有少数的重症患者并不会发高烧，依然维持在中低度发热的状态。异常的温度会带来身体的安全隐患和风险，以提前预防，避免或减少疫情的传播，用来保障小区、学校等长期居住场所的内部安全。

现阶段温度测量技术多种多样，其基本工作方式是通过对一些环境温度敏感的物理量进行测量，得到相应位置温度的相对变化量。绝对温度测量需要根据物理量的温度基准定标，结合温度变化量而实现。基于光纤传感的温度测量设备以其防潮、防腐蚀、防电磁干扰、绝缘、体积小、灵敏度高等优良特性，契合于小巧的测温手环进行测温。能够有效解决传统体温检测人工成本大、测量效率低、预警响应慢、统分析弱、全局掌控难等弊端。

一、光纤测温的原理和特点

光纤测温运用的是光纤传感技术，光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展的一种新的传感技术，它是以光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的煤质，而光纤本身既可以作为光信号传输的通道，也可以作为温度敏感材料传导温度变化。而光纤测温灵敏性高、使用寿命长、体积小、耐腐蚀、无源、抗电磁干扰的特性在电力行业、工厂生产、医用测温等多个领域中具有广泛的应用。

目前光纤测温根据其特点有两种测量方式：点式温度测量和分布式温度测量

1.1点式温度测量

精确定位到某一“点”，精度相较于分布式温度测量更高，且其绝缘性更好，不会引起测温手环的短路问题，有效保证产品的安全性；其测温方试也很直接，因其对温度敏感性高、相应速度快，可安装在温度变换频繁的地方，温度发生异常会向总控系统发出警示信号；而对精密仪器而言，其体积小更小，在距离电源距离较短、密闭小巧的仪器中更有优势。其中较好的运用包括基于荧光辐射现象的光纤温度传感装置和采用半导体材料晶体的光纤温度传感装置，例如荧光式光纤温度传感器。

1.2分布式温度测量

而在最新发展电力系统生产中，需要对空域的温度梯度场分布进行测量，而将单点式温度测量沿光纤传播方向串联，可形成覆盖多点温度探测的分布式测量，因此分布式温度测量具备点式测温的大部分特点，由此实现光纤测温在测温手环中的运用。分布式光纤测温系统可通过部署一台监控设备加上一根传感光纤实现，单位光纤长度的监控成本随着传感距离的增加而降低，是目前极具发展前景的工程测温方案。

分布式光纤测温是真正将传感光纤和待测温度场相结合的方式，不同物理过程产生的特定光波长在光纤中受环境温度影响的特性不同，在光纤的一端解调携带温度特征的信号光，从而实现完全分布式测温。在散射光中除了包括原来的入射光的频率外（瑞利散射），还包括一些新的频率，这种产生新频率的散射称为拉曼散射，基于拉曼散射温度效应，当光通过物质时，除光的透射和光的吸收外，还有光的散射。而在拉曼散射中把频率小于入射光频率的光称为斯托克斯光;在拉曼散射中把频率大于入射光频率的光称为反斯托克斯光，其波形分析图如图 1。

图 1拉曼散射波形分析图

光波在光纤中传导的过程中，根据拉曼散射的测温系统，由激光光源发送脉冲光，反射光经由耦合器回到波长分光器，将产生的拉曼散射分成不随温度变化的参照光和携带温度信息的反斯托克斯光，两路光经过光电检测机后进入计算机进行运算，而拉曼散射信号的强弱与温度有关：

其中，Is和Ias分别是斯托克斯光强和反斯托克斯光强，h为普拉克常数，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度。从上式可以看出，R(T)仅与温度有关。因此可以借助斯托克斯和反斯托克斯光强之比来实现温度的测量。其原理图如图 2

图 2分布式光纤测温原理图

2. 智能测温手环的结构

智能测温手环将芯片与蓝牙物联网、无线通信技术、医学生物技术融合，实现温度的测量，为结合疫情防控需要，将产品运用生物医学原理和感应技术，其中包含四个模块：

1. 测温模块，运用分布式光纤测温的方式，将测温的准确度提高，借此我们调查了常见的几种测温方式，如下表所示：

种类	原理	适用温度	准确度	价格	记录与控制	响应速度
水银温度计	膨胀	-50-650℃	0.1-2℃	低	不适合	中
液体压力温度计	压力	-30-600℃	0.5-5℃	低	适合	中
热电阻	电阻	-260-600℃	0.01-5℃	贵	适合	中
热电偶B	热电动势	0-1600℃	4-8℃	贵	适合	快
分布式光纤测温	拉曼散射	工业:0-200℃ 医学20-60℃	0.01-0.1℃	中	适合	极快

表 1：分布式光纤测温和常见测温方式的对比

可见分布式光纤测温无论从准确度还是价格其他方面都十分适合日常人体快速精准的测温。

2、控制和数据处理模块

在主机接收端接收到发送端的数据后，首先经过温度处理模块将两个八位的数据合并成16位，然后将通过拉曼散射的公式换算成温度的数据送入到温度显示模块，为了能显示到小数点后1位，把计算的数据乘10，得到的温度数据通过LCD显示，当显示的温度大于阈值（即预警温度值）时自动报警，并上传此时的体温数据。在一开始使用时，起始阈值设为37.5℃，可以通过以下方法调整阈值，方法一:通过程序去自行设计一个固定值，方法二:通过子程序中的按键自行设置该值，其中共有4个按键，按键1:进入阈值设置状态，按键2∶阈值+0.1，按键3∶阈值-0.1，按键4:退出设置状态。在设置状态下也要有LCD显示提示信息，按下按键4退出，以满足不同的应用需求。软件流程见图3。

图 3控制和数据处理流程图

测温手环实时精准测量体温，当体温测量完成后，手环将体温数据上传到云端，大体流程见图四，做到自动实时监控，体温异常自动报警，在节省人力、减少接触的同时，提高预警速度。

图 4测温手环硬件流程

2. 结论

本文设计并简述了基于光纤测温技术的智能手环原理，充分利用光纤测温优点，结合物联网技术，无线通信技术，在产品实验的基础之上，切实保障了设计方案的可行性。通过分布式光纤测温系统，利用阈值控制，结合拉曼散射信号的计算原理及数据处理系统，实现了数据的实时计算转换。实验结果表明，采用此方法测量的温度具有更高的准确性、快速性，较传统系统，在大容量数据处理能力上有显著提升，适合于解决传统检测全局性问题。方案总体设计基本满足了当前社会需要，具有广阔的市场及应用前景。

参考文献：

[1]刘凌峰,王金江,林锦华,谢宇希.基于STC89C52的y[J].产业科技创新,2019,1(18):25-27.
[2] 左婧，李忠虎，闫俊红，等．分布式光纤测温系统温度检测与处理算法研究[J]．高技术通讯，2018，28(S2)：991-996．

[3]刘凌峰,王金江,林锦华,谢宇希.基于STC89C52的分离式智能电子体温监测系统[J].产业科技创新,2019,1(18):25-27.

[4]黄长江,肖家宾,李新堂.光纤测温技术现状研究及发展趋势[J].电力信息术,2022,20(02):102-108

[5]周琦,乐坚浩,刘佳诞.分布式光纤测温技术的发展现状及其在电力领域中的应用[J].科协论坛(下半月),2012(11):20-22.

基金项目：徐州工程学院2020年大学生创新创业项目：实时测温手环（2020050）