脉搏波的检测.docx

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脉搏波的检测

第一章绪论

脉搏波中蕴藏着极丰富的心血管系统生理病理信息。

大量的临床实测结果证实，脉搏波的波形特征与心血管生理状态有着密切的关系。

脉搏波所表现出的形态（波的形状）、强度（波的幅值）、速率（波的速度）与节律（波的周期）等方面的综合信息的确在相当程度上反映出人体心血管系统的许多生理和病理特征。

而在脉搏波检测过程中，传感器是检测的第一步，因此传感器的检测方式是检测的重要环节。

有良好的传感检测方式，对于采集的信号的准确度，以及对于信号的进一步处理都有重要意义。

图1-1是一个典型的脉搏波信号，从中我们可知脉搏信号具有如下特点：

图1-1一个典型的脉搏波信号

（1）强干扰下的微弱信号

脉搏信号幅度很小，大约是uv到mv的数量级范围。

因此，极容易引入干扰，这些干扰有些来自50hz的工频干扰,有来自肌体抖动、精神紧张带来的假信号等。

（2）频率低但能量相对集中的信号

人体的脉搏频率非常低，约为0.5~10hz，一般情况下为1hz左右，脉搏信号可看成一个准直流信号，也可以看成一个甚低频交变信号。

根据脉搏功率普能量分析，健康人的脉搏能量绝大部分分布于1~5hz，而病人脉搏在1hz以下和较高频段。

（3）复杂且易变的随机信号

脉搏信号因人体生理、病理、心理的不同而不同，用受环境、时间、气候的影响，表现出一个人在不同时间、地点有不同的脉象。

有时也会有不同疾病表现出统一脉。

由于脉搏信号的复杂性和变异性，一方面使得我们较难直接从观测结果总结信号的特征和规律；另一方面，在有些情况下，有些有用的信息恰恰蕴藏在变异性中。

我们研究脉搏信号的主要任务就是提取脉搏信号并加以处理，并由此分析、推演出所需要的信息，供医生准确的诊断出疾病。

目前，脉搏波检测的方式很多，主要有如下几种：

按照检测位置分类，可以分为耳脉检测、肱动脉脉搏检测、桡动脉脉搏检测和指端脉搏检测；按照检测方法分类，可以分为压力脉搏波检测和容积脉搏波检测；而按照传感器的不同，压力传感器包括应变式、压电晶体式、压阻式、气压式（袖套）等类型，光电传感器又有透射式和反射式等类型设计制作的传感器。

在此我们采用的是光敏元件来检测脉搏波。

第二章光敏元件

基于半导体光电效应的光电转换传感器，又称光电敏感器。

采用光-电转换技术能实现无接触、远距离、快速和精确测量，因此半导体光敏元件还常用来间接测量能转换成光量的其他物理或化学量。

半导体光敏元件按光电效应的不同而分为光导型和光生伏打型（见光电式传感器）。

光导型即光敏电阻，是一种半导体均质结构。

光生伏打型包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电场效应管和光控可控硅等，它们属于半导体结构型器件。

半导体光敏元件的主要参数和特性有灵敏度、探测率、光照率、光照特性、伏安特性、光谱特性、时间和频率响应特性以及温度特性等，它们主要由材料、结构和工艺决定。

半导体光敏元件广泛应用于精密测量、光通信、计算技术、摄像、夜视、遥感、制导、机器人、质量检查、安全报警以及其他测量和控制装置中。

例如：

光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管，它们的特性如下：

光敏电阻受光照后，其阻值会变小。

用来制作光敏电阻的典型材料有硫化镉（CdS）及硒化镉（CdSe）两种。

光敏电阻的CdS或CdSe沉积膜面积越大，其受光照后的阻值变化也越大，故通常将沉积膜做成“弓”字形，以增大其面积。

光敏电阻工作时的响应速度较慢，如CdSe光敏电阻的响应时间约为10ms，CdS的响应时间约为100ms。

因此，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。

光敏二极管是根据硅PN结受光照后产生的光电效应原理制成的。

光敏二极管工作于反向偏压下，其光谱响应特性主要由半导体材料中所掺的杂质所决定。

光敏二极管的最大工作频率为几十MHz。

光敏三极管也是利用硅PN结的光电效应制成的。

光敏三极管使用时，其基极通常开路，基极－集电极产生的光感生电流直接馈入基极，并被光敏三极管自己所放大，因此光敏三极管的灵敏度比光敏二极管大得多，通常要大100多倍。

光敏三极管的最大工作频率只有几百kHz。

此外，还有用两个光敏三极管制成的达林顿式光敏三极管，这种器件的灵敏度又要比光敏三极管高十倍，但其最大工作频率更低，只有几十kHz。

这里我们采用的是3DU硅光敏三极管，3DU系列硅光敏三极管适用于近红外光探测器、光耦合、编码器、特性识别电路、过程控制电路及激光接收电路等。

3DU系列硅光敏三极管的主要特性参数见表3-1。

表3-13DU系列硅光敏三极管主要特性参数

型号

反向击穿电压Vce（v）

最高工作电压Vrm（v）

暗电流Io（uA）

光电流Il（mA）

峰值波长（A）

最大功耗Pm（mw）

开关时间

环境

温度

℃

tτ

td

ti

to

3DU11

≥15

≥10

≤0.3

0.5-1.0

8800

30

≤3

≤2

≤3

≤1

-40~+125

3DU12

≥45

≥30

50

3DU13

≥75

≥50

100

3DU21

≥15

≥10

1.0-2.0

30

3DU22

≥45

≥30

50

3DU23

≥75

≥50

100

3DU31

≥15

≥10

>2.0

30

3DU32

≥45

≥30

50

3DU33

≥75

≥50

100

3DU51A

≥15

≥10

≤0.2

≥0.3

30

-55~+125

3DU51

≥0.5

3DU52

≥45

≥30

3DU53

≥75

≥50

3DU54

≥45

≥30

≥1.0

3DU011

≥15

≥10

≤0.3

0.05-0.1

30

-40~+85

3DU012

≥45

≥30

50

3DU013

≥75

≥50

100

第三章脉搏信号检测的电路设计

由脉搏信号非常小所以我们首先要将采集的信号进行放大，然后要经过一个滤波电路将干扰信号滤除，才能将脉搏信号直观显现出来，其原理框图见图3-1。

图3-1脉搏信号处理的原理框图

3.1信号放大电路

图3-2放大器电路

脉搏传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要进放大。

所以，设计信号负反馈放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。

选用如图3-2所示的反相放大电路，运算放大器采用LM324。

放大倍数的选择：

LM324简介：

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

其管脚连接图如图3-3所示。

图3-3

LM324的特点：

（1）短路保护输出

（2）真差动输入级

（3）可单电源工作：

3V~32V

（4）低偏置电流：

最大100nA

（5）每封装含四个运算放大器

（6）具有内部补偿的功能

（7）共模范围扩展到负电源

（8）行业标准的引脚排列

（9）输入端具有静电保护功能

3.2滤波电路

常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。

若滤波电路元件仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。

无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波（包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等）。

若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。

有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。

无源滤波电路的结构简单，易于设计，但它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，因而不适用于信号处理要求高的场合。

无源滤波电路通常用在功率电路中，比如直流电源整流后的滤波，或者大电流负载时采用LC（电感、电容）电路滤波。

有源滤波电路

有源滤波电路的负载不影响滤波特性，因此常用于信号处理要求高的场合。

有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，同时还可以进行放大。

但电路的组成和设计也较复杂。

有源滤波电路不适用于高电压大电流的场合，只适用于信号处理。

根据滤波器的特点可知，它的电压放大倍数的幅频特性可以准确地描述该电路属于低通、高通、带通还是带阻滤波常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。

若滤波电路元件仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。

无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤器，因而如果能定性分析出通带和阻带在哪一个频段，就可以确定滤波器的类型。

识别滤波器的方法是：

若信号频率趋于零时有确定的电压放大倍数，且信号频率趋于无穷大时电压放大倍数趋于零，则为低通滤波器；反之，若信号频率趋于无穷大时有确定的电压放大倍数，且信号频率趋于零时电压放大倍数趋于零，则为高通滤波器；若信号频率趋于零和无穷大时电压放大倍数均趋于零，则为带通滤波器；反之，若信号频率趋于零和无穷大时电压放大倍数具有相同的确定值，且在某一频率范围内电压放大倍数趋于零，则为带阻滤波器。

人体脉搏波动频率一般为60～80次/min，其频率成分主要分布在0～20Hz之间，属于次声，最高频率不超过40Hz，一般情况下为1Hz左右，属于低频信号。

在此本设计采用了有源二阶低通滤波器，用来去除噪声信号。

二阶低通滤波电路如图3-4所示，其截至频率我们设为10HZ，则

W0=2*3.14f=2*3.14*10=62.8rad

据公式

W0=

图3-4二阶低通滤波电路

我们可选R4、R5为100K，C1为0.1µf,C2为0.22µf。

代入各个参数可的：

f=10.7HZ

3.3脉搏信号放大和检测原理图

脉搏信号的放大和检测电路图如3-5所示，在放大滤波电路后面加上一个放大倍数为1的反相放大器，使脉搏信号的正像显现在示波器上。

图3-5脉搏信号的放大和检测电路

第四章实验结果

实际连接了实验电路，进行了相关参数的测试，结果如下：

1、测试放大电路时，我们输入一个电压为30mv的正弦信号,结果得到263.7mv的正弦信号，由此可知其放大倍数为8.79。

2、我们输入Vp-p=4V的正弦信号，测得其幅频特性如表4-1所示，实际截止频率为10.8Hz，保证了脉搏信号能全部进入下一级。

表4-1测试结果

频率（HZ）

3.8

4.2

5.3

6.0

7.2

8.17

9.0

10.8

13.7

20

30

幅值（V）

4

4

4

3.9

3.8

3.4

3.2

2.78

2

1

0.5

3、得出的脉搏信号如图4-2所示：

图4-2测量的脉搏波信号

由图4-2可见，在测量到的脉搏波信号中叠加了一些噪声信号，产生原因：

（1）脉搏测量传感器的影响

在光电式脉搏传感器中,光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息的透射光信号,而且包含测量环境下的背景光信号,由于动脉搏动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多,因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定,减少背景光的干扰。

（2）测量过程中运动噪声

在测量过程当中,通常情况下手指和光电式脉搏传感器可能产生相对的运动,这样对脉搏测量产生误差,可以通过2个方面减少运动噪声误差:

一是改用指套式传感器的机械抗运动性,比如说使指套能够更紧的夹在手指上,不易松动;二是从脉搏信号处理的角度,通过算法来减小误差,对于传感器的设计,现在采用的主要是第一个途径。

参考文献：

[1]李金平、沈明山、姜余祥编著，电子系统设计，电子工业出版社

[2]陈振官、陈宏威等编著，光电子电路及制作实例，国防工业出版社

[3]唐文彦主编，传感器（第4版），机械工业出版社，2008.4

致谢

到今天，毕业设计也告一段落了，也就意味着我的大学时代即将结束。

回想毕业设计这几个月，回想大学这三年的时光，感慨万千。

值得留恋，值得追忆的，实在太多。

还有很多老师，同学，朋友要感谢。

首先，要感谢我的指导老师丁北生，她认真负责、一丝不苟、严谨治学，给我留下了深刻的印象。

丁老师不仅指导我论文，还教给了我做事的态度，所有这些都为我今后离开校门在社会上做事指引了一个方向，使我受益。

同时，也要感谢一些同学的热心帮助。

我所在的宿舍是一个和谐的小集体，感谢我的舍友们，感谢他们给我的帮助。

感谢她们三年来，在生活和学习中给与我的鼓励和帮助。

最后，我还要向三年来,学校内帮助过我,教授给我知识,做人的道理,做事的态度的老师们表示最真诚的感谢和祝福，是他们的辛勤和汗水培育了我，是他们的精神鼓舞了我，使我能够不懈努力和拼搏。