心血管疾病（CVD）是全球第一大致死疾病，同样也是发病率第一、死亡率最高的疾病。据世界卫生组织统计，每年有近1800万人死于心血管疾病，占全球死亡总人数的30%以上。心血管疾病死亡率和发病率居高不下，是迫切需要解决的全球性重大公共卫生问题。

报道称，如果能够实现24小时动态血压监测有助于评估药物效果和预防心血管疾病，对心血管健康的管理有重大意义。为解决全天候血压监测的问题，助力全球公共卫生发展，华中科技大学等高校团队和华为技术有限公司合作，设计一种基于光纤传感器的智能手环系统，实现动态血压监测。

研究团队提出并开发了一种独特灵活的光纤传感器，并将其与智能手环集成，实现了自动和精准的动态血压监测。该动态血压监测系统由光纤传感器、信号采集芯片、数据处理芯片、智能手环终端和APP组成。

光纤传感器由一个光纤适配器传感单元和一个液体胶囊组成，光纤适配器被用来检测脉搏波压力信号，而液体胶囊被用来扩大传感区域并增强传感器与皮肤之间的耦合。脉搏波信号由光纤传感器感知，然后由光电探测器检测并转换成电信号。微处理器包括信号采集、转换、去噪和特征提取。为了更准确地计算血压，使用神经网络来训练模型。最后，手环屏幕上显示收缩压(SBP)和舒张压(DBP)的数值，并以无线传输的方式传输到手机APP。相较于传统的袖带式血压计，省去了需充气加压的绕臂的步骤，解决了灵敏度不足的问题和在临床实践应用的制约。

结合光纤适配器传感单元和和液体胶囊的优势，该手环可以对脉搏波信号进行高保真波形恢复，除了优异的灵敏度(-213 µw/kPa)、快速的动态响应(<5 ms)和高稳定性(>70000次)外，还消除了位置错位造成的信号失真。通过使用自校正阈值法提取脉搏波的特征并构建BPNN血压监测模型，可以准确计算出血压值。SBP和DBP的误差分别为-0.35±4.68 mmHg和-2.54±4.07mm Hg，符合国际血压计精度要求。这对主动健康管理、个性化医疗健康的实施提供了非常有竞争力的技术支撑。

什么是光纤传感器？

光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

光纤传感器的分类

光纤传感器按结构类型可分两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能性（传光型）传感器。

功能型传感器

利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作为传感元件，对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。

光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，多采用多模光纤。

优点：结构紧凑，灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高。典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。

非功能型传感器

是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上被测量调制。

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。

根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。

光纤传感技术在智能监测系统中的应用

1、光纤传感技术应用的优点

光纤传感技术的工作原理是基于光的传输，因此具有很好的抗电磁干扰性能。光纤材料对于腐蚀性环境的耐受性，保证了光纤传感器较长的使用寿命。通过选用不同类型的光纤传感器，可以实现对多种物理量的同时测量，为各种复杂应用场景提供了便利。另外，光纤的低损耗、低衰减、高灵敏度和高精度特性，保证了光纤传感器可以实现长距离传输以及对微小物理量的高精度测量。同时，光纤传感器不产生电磁波辐射、无火花，在易燃易爆环境中具有较高的安全性。综上所述，光纤传感技术具有抗电磁干扰、抗腐蚀、高灵敏度、长距离传输等许多独特的优点，使其在智能监测系统中具有广泛的应用。

2、基础设施监测

近两年来，耐弯折光缆技术在提高光缆的弯曲性能方面取得了显著进展。传统光纤需要较大的弯曲半径以避免信号衰减，这在一些限制空间或需要弯曲布线的场景中存在一定的挑战。然而，新一代的耐弯折光缆技术通过采用特殊的设计和材料，使光缆可以在更小的弯曲半径下工作，而不会引起明显的信号损失。

以传统的单模光纤为例，其通常需要较大的弯曲半径（通常在10厘米到1米之间）以保持光信号的质量。但是，近年来研究人员和制造商通过改进光纤的结构和保护层设计，成功地开发出具有更高弯曲性能的耐弯折光缆。

新一代耐弯折光缆采用通过优化光纤的结构和保护层材料的办法，使其可以在较小的弯曲半径下工作，一些耐弯折光缆可以在弯曲半径小至几毫米的情况下仍能保持良好的光传输性能；或采用特殊的材料和结构设计来有效地减少或抑制由于弯曲引起的光信号损失，通过优化光纤的结构和保护层材料，耐弯折光缆可以在较小的弯曲半径下工作。此外生产商还通过优化光缆结构，对抗弯层和护套进行结构创新，来提高光缆的耐弯特性。

目前，可以通过以下几种方法来改善光纤的抗弯曲性能：减小光纤的模场直径；采用下陷层辅助技术在包层中引入低折射率层也能够有效的改善光纤的弯曲损耗性能；在传统单模光纤纤芯周围的包层中添加一圈空气孔等方法[1]。与传统光纤相比，新一代耐弯折光缆的弯曲半径可以缩小到几毫米的级别，甚至更小，而仍能保持较低的传输损耗和良好的信号质量。这意味着耐弯折光缆可以更灵活地应用于狭小空间或需要弯曲布线的场景，例如室内布线、曲线通道和紧凑设备等。

3、环境监测

环境监测是另一个重要的智能监测系统应用领域，涉及到空气质量、水质、土壤质量、噪声等多种环境因素的实时监测和评估。光纤传感技术在环境监测中的应用有助于提高监测数据的准确性和实时性，为环境保护和管理提供可靠依据。

（1）空气质量监测

空气质量监测是环境监测的重要组成部分，主要关注大气中的有害物质浓度、气象参数等因素。光纤传感技术在空气质量监测中的应用包括：

1）气体浓度监测：利用光纤传感器实时监测大气中的有害气体浓度，如二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等，为环境污染防治提供数据支持；

2）颗粒物监测：通过光纤传感器实时监测大气中的颗粒物浓度，如PM2.5、PM10等，评估空气质量状况；

3）气象参数监测：利用光纤传感技术实时监测气温、湿度、风速等气象参数，为环境监测与预警提供有用信息。

（2）水质监测

水质监测涉及到地表水、地下水、海洋水等水体的水质状况评估。光纤传感技术在水质监测中的应用主要包括：

1）水体污染物监测：通过部署光纤传感器，实时监测水体中的有害物质浓度，如重金属、有机污染物等，为水质保护与治理提供依据；

2）水温与溶解氧监测：利用光纤传感器实时监测水体的温度和溶解氧含量，评估水生态环境状况；

3）水位与流速监测：通过光纤传感技术实时监测水位和流速变化，为防洪抗旱和水资源管理提供有力支持。

综上所述，光纤传感技术在环境监测中具有广泛的应用。通过实时、准确地监测各类环境参数，光纤传感技术为环境保护和管理提供了可靠依据。同时，由于光纤传感技术具有抗干扰、长距离传输等优点，使其在复杂环境下的监测任务中具有显著的优势。

4、安全与防护监测

安全与防护监测是智能监测系统的另一关键应用领域，包括火灾预防、地质灾害监测、工业安全监测等方面。光纤传感技术在安全与防护监测中的应用有助于提高监测效率和准确性，为安全防护提供有力保障。

（1）火灾预防

火灾预防是安全与防护监测的重要组成部分。光纤传感技术在火灾预防中的应用主要包括：

1）温度监测：通过布置光纤传感器，实时监测建筑物内部及周边环境的温度，为火灾预警提供依据；

2）烟雾监测：利用光纤传感技术实时检测烟雾浓度，及时发现火源，降低火灾风险。

（2）地质灾害监测

地质灾害监测涉及到滑坡、泥石流、地面塌陷等自然灾害的实时监测与预警。光纤传感技术在地质灾害监测中的应用主要包括：

1）土壤位移与应变监测：通过布置光纤传感器，实时监测土壤的位移和应变变化，为地质灾害预警提供依据；

2）土壤水分监测：利用光纤传感技术实时监测土壤水分含量，评估地质灾害风险。

（3）工业安全监测

工业安全监测涉及到工业生产过程中的安全事故预防与应对。光纤传感技术在工业安全监测中的应用主要包括：

1）有毒气体泄漏监测：通过部署光纤传感器，实时监测有毒气体泄漏情况，保障工作人员安全；

2）压力与温度监测：利用光纤传感器实时监测设备的压力和温度状况，为预防事故和安排维修计划提供依据。

文章来源： 华中科技大学本科招生，兆亿微波商城， 光电通信论坛