本发明涉及光纤传感，尤其涉及一种光纤迈克尔逊干涉型心率传感器及心率监控系统。
背景技术：
1、随着科学的快速发展和生活水平的提高，人们对身体健康的关注显著增加。人体心率是人体生理活动最重要的指标之一。心率与人体的健康状况有关，不仅可以作为心脏系统疾病的辅助诊断，还可以作为监测的重要生理参数。正常的心率范围可以帮助维持心血管系统的健康，提高身体耐力和运动效果，并作为身体应激反应和老年人健康的指标。在临床医学研究中，一些早产儿和患有慢性病的特殊人群容易发生心率暂停，因此进行心率监测具有重要意义，可以及时识别疾病并采取适当的治疗措施，避免不良事件的发生。此外，心率监测可以分析人类的情绪状态，以预防职业病。因此，高精度和快速的心率监测在临床应用和健康领域具有重要意义。传统的心率监测传感器主要是电生理传感器测量心电图（ecg）信号，即通过电极粘贴在身体上测量心脏电活动产生的电信号。ecg传感器给出准确的心率数据，并且可以检测心脏的其他参数，如心律失常等。然而，这些传感器容易受到电磁干扰的影响，影响监测的准确性。
2、近年来，光学传感器因其抗电磁干扰、适用环境范围广和精度高等优点而得到广泛发展。现有的光纤心率传感器都是以马赫-曾德尔干涉仪透射结构去监测心率，这种结构需要两端同时固定在被测身体部位，这意味着在测试过程中需要精确控制并谨慎固定，鲁棒性较差。
技术实现思路
1、鉴于此，本发明实施例提供了一种光纤迈克尔逊干涉型心率传感器及心率监控系统，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。
2、本发明的一个方面提供了一种光纤迈克尔逊干涉型心率传感器，所述光纤迈克尔逊干涉型心率传感器包括顺序连接的第一传输段、耦合段、第二传输段和光纤球，所述第二传输段的光纤中包括中心纤芯和边芯；
3、所述光纤球所在的一端作为接触段用于与待测部位接触，信号光由第一传输段所在一端输出，并经过第一传输段、耦合段和第二传输段传递至光纤球，光信号再从光纤球反馈至第一传输段，在光信号在第二传输段的传输过程中基于中心纤芯和边芯产生的相位差实现调制干涉强度，进行心率监控。
4、采用上述方案，当光由耦合段传输第二传输段时，一部分光耦合进第二传输段的中心纤芯，另一部分耦合进第二传输段的边芯并激发出边芯基模和少量包层模，然而，第二传输段中的包层模式由于较微弱并未参与干涉过程，可忽略不计，因此，纤芯基模和边芯基模在第二传输段的光纤球上发生反射，沿着第二传输段反向传播后，再次进入耦合段，在其内发生干涉后重新耦合进第一传输段的纤芯并输出。在第二传输段中，边芯相当于传统迈克尔逊干涉仪的传感臂，中心纤芯相当于参考臂，光纤球则充当了反射镜，将中心纤芯模和边芯模反射回第二传输段中反向传输，耦合段则起耦合器作用，当光纤球弯曲时，迈克尔逊干涉的光程差发生变化，导致干涉强度发生变化，当传感器固定在监测部位时，心跳作用会引起光纤球弯曲，导致迈克尔逊干涉的光路发生变化，最终调制干涉强度，心率的检测可以通过监测干涉光谱强度的变化来实现。
5、在本发明的一些实施方式中，所述第二传输段采用七芯光纤、十二芯光纤或光子晶体光纤。
6、在本发明的一些实施方式中，所述光纤球为第二传输段的光纤的一端通过多次放电形成的光纤球。
7、在本发明的一些实施方式中，所述耦合段采用聚二甲基硅氧烷材料或多模光纤。
8、在本发明的一些实施方式中，所述第一传输段采用单模光纤。
9、在本发明的一些实施方式中，所述光纤迈克尔逊干涉型心率传感器输出反射光信号的干涉光强表示为：
10、；
11、其中，和分别表示第二传输段的中心纤芯基模与边芯基模的光强，表示中心纤芯基模与边芯基模之间的相位差，为光纤球的反射率，m表示边芯的数量，i表示光纤迈克尔逊干涉型心率传感器输出反射光信号的干涉光强。
12、在本发明的一些实施方式中，光纤球的反射率表示为：
13、；
14、其中，和分别表示光纤纤芯和包裹光纤纤芯的介质的折射率，r表示光纤球的反射率。
15、在本发明的一些实施方式中，中心纤芯基模和边芯基模之间的相位差表示为：
16、；
17、其中，表示中心纤芯基模和边芯基模之间的相位差；表示中心纤芯基模和边芯基模之间的有效折射率差；l表示光纤球在光纤迈克尔逊干涉型心率传感器的长度方向上的长度；表示入射光波长。
18、在本发明的一些实施方式中，当中心纤芯基模和边芯基模之间的相位差满足时，干涉光强达到最小值，输出光信号的透射光谱中干涉谷对应的波长表示为：
19、；
20、其中，表示光纤迈克尔逊干涉型心率传感器输出反射光信号构成输出光信号的透射光谱中干涉谷对应的波长；表示中心纤芯基模和边芯基模之间的有效折射率差；l表示光纤球在光纤迈克尔逊干涉型心率传感器的长度方向上的长度；为整数。
21、本发明的另一个方面提供了一种心率监控系统，所述心率监控系统包括可调激光谐振器、光纤环形器、波分复用器、光电池、数据采集卡、电脑和上述的光纤迈克尔逊干涉型心率传感器，所述可调激光谐振器、波分复用器和光电池通过光纤环形器采用光路相连接，所述电脑、数据采集卡和光电池采用电路相连接，所述光纤迈克尔逊干涉型心率传感器与波分复用器采用光路相连接。
22、本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出并获得。
23、本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
1.一种光纤迈克尔逊干涉型心率传感器，其特征在于，所述光纤迈克尔逊干涉型心率传感器包括顺序连接的第一传输段、耦合段、第二传输段和光纤球，所述第二传输段的光纤中包括中心纤芯和边芯；
2.根据权利要求1所述的光纤迈克尔逊干涉型心率传感器，其特征在于，所述第二传输段采用七芯光纤、十二芯光纤或光子晶体光纤。
3.根据权利要求1所述的光纤迈克尔逊干涉型心率传感器，其特征在于，所述光纤球为第二传输段的光纤的一端通过多次放电形成的光纤球。
4.根据权利要求1所述的光纤迈克尔逊干涉型心率传感器，其特征在于，所述耦合段采用聚二甲基硅氧烷材料或多模光纤。
5.根据权利要求1所述的光纤迈克尔逊干涉型心率传感器，其特征在于，所述第一传输段采用单模光纤。
6.根据权利要求1所述的光纤迈克尔逊干涉型心率传感器，其特征在于，所述光纤迈克尔逊干涉型心率传感器输出反射光信号的干涉光强表示为：
7.根据权利要求6所述的光纤迈克尔逊干涉型心率传感器，其特征在于，光纤球的反射率表示为：
8.根据权利要求6所述的光纤迈克尔逊干涉型心率传感器，其特征在于，中心纤芯基模和边芯基模之间的相位差表示为：
9.根据权利要求1所述的光纤迈克尔逊干涉型心率传感器，其特征在于，当中心纤芯基模和边芯基模之间的相位差满足时，干涉光强达到最小值，输出光信号的透射光谱中干涉谷对应的波长表示为：
10.一种心率监控系统，其特征在于，所述心率监控系统包括可调激光谐振器、光纤环形器、波分复用器、光电池、数据采集卡、电脑和如权利要求1~9任一项所述的光纤迈克尔逊干涉型心率传感器，所述可调激光谐振器、波分复用器和光电池通过光纤环形器采用光路相连接，所述电脑、数据采集卡和光电池采用电路相连接，所述光纤迈克尔逊干涉型心率传感器与波分复用器采用光路相连接。
