一種基于光電技術的脈搏測量方法設計
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摘要： 脈搏測量屬于檢測有無脈博的測量，有脈搏時遮擋光線,，無脈搏時透光強，所采用的傳感器是紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管,。用于體育測量用的脈搏測量大致有指脈和耳脈二種方式,。這二種測量方式各有優(yōu)缺點，指脈測量比較方便,、簡單,，但因為手指上的汗腺較多，指夾常年使用,，污染可能會使測量靈敏度下降,；耳脈測量比較干凈,，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護,。但因耳脈較弱,，尤其是當季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯,，造成測量結果不準確,。
Abstract：
Key words :
1 引言
脈搏測量屬于檢測有無脈博的測量，有脈搏時遮擋光線,，無脈搏時透光強,，所采用的傳感器是紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管。用于體育測量用的脈搏測量大致有指脈和耳脈二種方式,。這二種測量方式各有優(yōu)缺點,，指脈測量比較方便、簡單,，但因為手指上的汗腺較多,，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降,；耳脈測量比較干凈,，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護,。但因耳脈較弱,，尤其是當季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯,，造成測量結果不準確,。
2 脈搏信號的拾取
脈搏信號拾取電路如圖1所示，IClA接為單位 增益緩沖器以產(chǎn)生2.5V的基準電壓,。
紅外接收二極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能,，單個二極管能產(chǎn)生O.4 V電壓，0.5 mA電流,。BPW83型紅外接收二極管和IR333型紅外發(fā)射二極管工作波長都是940 nm,，在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性,。紅外發(fā)射二極管中的電流越大,，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大,。在圖l中,，RO選100 Ω是基于紅外接收二極管感應紅外光靈敏度考慮的。R0過大,，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小,，BPW83型紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號,。反之，R0過小,，通過的電流偏大,，紅外接收二極管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光直接照射到紅外接收二極管上時,，IC1B的反相輸入端電位大于同相輸入端電位,，Vi為“O”。當手指處于測量位置時,，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期,。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是,，由于紅外接收二極管中存在暗電流,，仍有l(wèi)μA的暗電流會造成Vi電位略低于2.5 V。二是有脈期,。當有跳動的脈搏時,，血脈使手指透光性變差,，紅外接收二極管中的暗電流減小,，Vi電位上升。
由此看來,，所謂脈搏信號的拾取實際上是通過紅外接收二極管,，在有脈和無脈時暗電流的微弱變化，再經(jīng)過IClB的放大而得到的,。所拾取的信號為2μV左右的電壓信號,。
3 信號的放大
按人體脈搏在運動后最高跳動次數(shù)達240次/分計算來設計低通放大器，它由IC2A和C04等組成,，如圖2所示,。轉折頻率由R07、C04,、R08和C05決定,，放大倍數(shù)由R08和R06的比值決定。
根據(jù)二階低通濾波器的傳遞函數(shù),，可得
按人的脈搏最高為4 Hz考慮,，低頻特性是令人滿意的。
需要說明的是,，以上分析是在忽略C03的條件下做出的,，如果考慮C03的話，那么：
由此可見,，C03沒有影響頻率特性的分析,，它的作用只是隔直,。
二級放大器兼比較器如圖3所示。Rpll用以調整系統(tǒng)的放大倍數(shù),，C06用以防止放大器自激,。采用二級放大，零點漂移不很明顯,，在O.1 V左右,。所以將比較器的閾值電壓設計成O.25 V，以確保濾除干擾信號,。采用比較器的好處是能有效地克服零點漂移所造成的影響,，提高測量的準確性。
2 脈搏信號的拾取
脈搏信號拾取電路如圖1所示，IClA接為單位 增益緩沖器以產(chǎn)生2.5V的基準電壓,。
紅外接收二極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能,，單個二極管能產(chǎn)生O.4 V電壓，0.5 mA電流,。BPW83型紅外接收二極管和IR333型紅外發(fā)射二極管工作波長都是940 nm,，在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性,。紅外發(fā)射二極管中的電流越大,，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大,。在圖l中,，RO選100 Ω是基于紅外接收二極管感應紅外光靈敏度考慮的。R0過大,，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小,，BPW83型紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號,。反之，R0過小,，通過的電流偏大,，紅外接收二極管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光直接照射到紅外接收二極管上時,，IC1B的反相輸入端電位大于同相輸入端電位,，Vi為“O”。當手指處于測量位置時,，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期,。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是,，由于紅外接收二極管中存在暗電流,，仍有l(wèi)μA的暗電流會造成Vi電位略低于2.5 V。二是有脈期,。當有跳動的脈搏時,，血脈使手指透光性變差,，紅外接收二極管中的暗電流減小,，Vi電位上升。
由此看來,，所謂脈搏信號的拾取實際上是通過紅外接收二極管,，在有脈和無脈時暗電流的微弱變化，再經(jīng)過IClB的放大而得到的,。所拾取的信號為2μV左右的電壓信號,。
3 信號的放大
按人體脈搏在運動后最高跳動次數(shù)達240次/分計算來設計低通放大器，它由IC2A和C04等組成,，如圖2所示,。轉折頻率由R07、C04,、R08和C05決定,，放大倍數(shù)由R08和R06的比值決定。
根據(jù)二階低通濾波器的傳遞函數(shù),，可得
按人的脈搏最高為4 Hz考慮,，低頻特性是令人滿意的。
需要說明的是,，以上分析是在忽略C03的條件下做出的,，如果考慮C03的話，那么：
由此可見,，C03沒有影響頻率特性的分析,，它的作用只是隔直,。
二級放大器兼比較器如圖3所示。Rpll用以調整系統(tǒng)的放大倍數(shù),，C06用以防止放大器自激,。采用二級放大，零點漂移不很明顯,，在O.1 V左右,。所以將比較器的閾值電壓設計成O.25 V，以確保濾除干擾信號,。采用比較器的好處是能有效地克服零點漂移所造成的影響,，提高測量的準確性。
關鍵字：放大器 測量 脈搏 傳感器
4 波形整形
波形整形電路如圖4所示,，IC3A是CD4528型單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,，有效脈寬為0.05 s．其寬度由R22和C20決定。IC3B也組成一個單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,，脈寬為240ms,。D2、Dl和T3等組成一個或非門,，只有C,，E兩點均為低電平時，信號放大器整機輸出才是高電平,。設計這個電路的目的是為了在輸出端輸出一個窄脈沖,，并且要在由R13和C07決定的時間內(nèi)任何信號都不會干擾輸出。R23和C21充電時間的長短決定了計數(shù)脈沖的寬度,，一般不希望它太寬,。波形整形時序如圖5所示。
5 結束語
當該放大器用于集群脈搏測量儀時,，一定要注意不同信號通道之間的相互影響,，建議把各個放大器的電源分開。此外,，測量通道需要一個開關電路,，當指夾懸空時，這個開關電路關閉單穩(wěn)態(tài)電路,，切斷信號通路,，防止亂計。
幾年的生產(chǎn)實踐證明,，該放大處理電路穩(wěn)定可靠,。下面是筆者在設計中獲得的一些體會。
采用二級放大好于三級放大，個別三級放大電路板的零點漂移大得足以達到滿幅,，使得測量不準確,。每個單級放大器放大倍數(shù)最好不要大于30，以免自激振蕩,。
本信號放大器的高頻轉折頻率由C05,、C04、R07,、R08和R06決定,，C05、C04通常選聚丙烯電容器或聚碳酸酯電容器,，R07,、R08和R06通常選金屬膜五色環(huán)電阻。
IClA,、R02和R03組成電壓跟隨器,，設計值為2.5 V，精確度由R02和R03決定,，最好用金屬膜五色環(huán)電阻器,。
隔直電容器C03的漏電要小，選用鉭電解電容器為佳,。
IClA和IC1B要選用偏置電流小,、輸入失調電壓小的運算放大器?？紤]到性價比,，筆者使用了TLC2264和TLC2262。
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