光电脉搏传感器制作与噪声分析.doc

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1、2 光电式脉搏传感器的原理和结构2.1 光电式脉搏传感器的原理根据朗伯比尔(Lamber Beer) 定律, 物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时, 通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的, 在人体指尖, 组织中的动脉成分含量高, 而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄, 透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。手指光吸收量变化示意图传感器技术戴君伟等: 光电脉搏传感器的研制和噪声分析手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织

2、, 其中非血液组织的光吸收量是恒定的, 而在血液中, 静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的, 可以忽略, 因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的, 那么在恒定波长的光源的照射下, 通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。2.2 光电式脉搏传感器的结构从光源发出的光除被手指组织吸收以外, 一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出来。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式2 种, 其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置,接收的是透射光, 这种方法可较好地反映出心律的时间关系, 但不能精确测量出血液容积量的变化; 反射式的发射光源和光敏器件

3、位于同一侧, 接收的是血液漫反射回来的光, 此信号可以精确地测得血管内容积变化。本文讨论的是透射式脉搏传感器, 侧重于脉搏信号的测量。3 光电式脉搏传感器的制作3.1 光敏器件光电式脉搏传感器由于采用不同的光敏元件有着多种实现方法, 其中光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和硅光电池。在传统的光电式脉搏传感器设计中, 通常采用的是独立光敏元件, 利用半导体的光电效应改变输出的电流, 通常光敏元器件输出的电流极低, 容易受到外界干扰, 而且对后续的放大器的要求比较严格, 需要放大器空载时的电流输出较小, 避免放大器空载输出电流对脉搏信号测量的干扰, 这样对于普通的放大器就不能直接应用在

4、光敏元件的后端。 在本文中, 采用一种新型的光敏元件OPT101 , 该元件将感光部件和放大器集成在同一个芯片内部, 这种集成化的设计方式有效地克服了后端运算放大器空载电流输出对光敏部件输出电流的影响, 而且芯片输出的电压信号可以通过外部的精密电阻进行调节, 有利于芯片适应整体的电路设计, 同时芯片的集成化设计也能够减小系统的功耗。3.2 发射光源光电式脉搏传感器主要由光源、光敏器件, 以及相应的信号调理控制电路构成。为了充分利用器件的效果, 光源和光敏元件的选择是综合考虑的, 光源的波长应该落在光敏元件检测灵敏度较高的波段内, 图4 为OPT101 的光波长响应曲线。 脉搏信号主要由动脉血的

5、充盈引起, 而血液中还原血红蛋白( Hb) 和氧合血红蛋白( HbO2 ) 含量变化将造成透光率的变化, 当氧合血红蛋白和还原血红蛋白对光的吸收量相等时, 透射光的强度将主要由动脉血管的收缩和舒张引起, 此时能够比较准确地反映出脉搏信号。图5 为血红蛋白的光吸收曲线, 从图中可以看出, 血液中HbO2 和Hb 对于不同波长光的吸收系数的差异明显, 而且2 条曲线好几个不同的交点, 考虑到在805 nm 波长处, 血红蛋白的光吸收率比较低, 那么透射过手指的光强较大, 有利于光敏器件的接收, 因此发射光源的波长选择为805 nm。3.3 恒流源控制电路 在脉搏信号测量过程中, 为了尽量减少光源供

6、电波动对测量脉搏信号的影响, 需要恒流电路4 来控制光源的稳定供电, 使在脉搏测量过程中, 发射光源发出的光强是恒定的。 图6 为恒流源电路, 在电路中R1 两端的电压值恒等于稳压二极管D1 的稳压值,因此流经R1 的电流值恒定,控制使三极管Q1 处于放大状态, 那么流过发光二极管D3 的电流值恒定,因此发光二极管D3 能输出稳定光强的光。3.4 脉搏信号调理电路芯片OPT101 中输出的脉搏信号为直流和交流叠加的混合电压信号, 其中交流信号中包含了脉搏信息, 因此信号调理电路先要滤除叠加的直流信号, 再对交流信号进行放大。滤除直流信号可以通过一个电容来实现, 但是电容在隔直流的同时可能造成脉

7、搏信号的部分失真。较为理想的方式是采用一个减法器来实现绝大部分直流电平的滤除, 由于不同受试者的手指的透光率不同, 测量到的直流电平不同, 因此需要一个来实现相应的直流电平的滤除,本文就是采用可控直流电平输出和减法器来实现脉搏信号的提取。在得到包含有脉搏信号的交流信号后, 只要通过简单的放大电路和低通滤波电路即可实现脉搏信号的提取。专 业 实 验 报 告（二）实验名称红外光电传感器及接口电路实验时间2007年12月9日 实验内容、装置简图、实验过程及结果：（实验指导书由有关教研室制订）一、 实验目的：了解红外脉搏传感器的基本原理和结构，掌握传感器与电子线路的接口方法。二、 实验仪器及元件红外光

8、电传感器 1只运算放大器LM324 1只电源 1台电阻、电容 若干超低频示波器 1台三、 传感器的结构及原理：光电传感器在生物医学测量上应用较多，如血氧饱和度、容积、压力、微位移等方面的测量都有采用光电换能原理的仪器，红外光电传感器由红外发光管和红外接收管构成。红外发光管一般采用红外发光二极管，而红外接收管用光敏三极管，使用光敏三极管时应注意不要超过光电流，耐压、耗散功率、环境温度等额定指标，否则将缩短其使用寿命或烧坏元件。红外光电脉搏传感器是利用血液是一种高度不透明的液体，近红外单色光在一般组织中的穿透性比在血液中大几十倍，这一现象而设计的，一般可分为反射式和透射式，透射式脉搏传感器如图所示

9、： 红外发光管 光敏三极管图1 透射式脉搏传感器图2 接口电路光电三极管在使用的时候应接一个负载电阻R1和电源E,使光电流的变化转变为电压变化输出，光敏三极管的常用电路如图2所示。四、 实验分析：i 该电路中各部分的作用如下：该电路主要由红外光电传感器，运算放大器及电阻电容组成。主要电路为一个二阶带通滤波器。发光二极管下面接一个1k的电阻R1，其目的是起到限流的作用；R2把光电流转化为电压输出；C1和C3是隔直流通交流的作用；C1和R3构成高通滤波器，截止频率为fL1=1/(2*pi*R3*C1)=0.16Hz；C2和R5构成低通滤波器，截止频率为fH =1/(2*pi*R5*C2)=31.2Hz；由运算放大器和电阻R2，R5，C1,C2，构成了一个带通滤波器；R4、R5、R7、u1构成一个反相放大器，静态增益为：AR5/R7=51。所以整个接口电路能够对脉搏信号引起的电压变化信号作0.1631.2Hz的带通滤波和51倍的放大。附：脉搏波波形如下所示：