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光电检测技术课程设计
光电脉搏检测电路
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光电脉搏检测电路
摘要:本电路由光电池、放大器等构成,实现对光电脉搏信号的提取和放大。采用目前效果较好光电池的电流转电压电路实现对脉搏的测量。整个电路的简化能够有效减小器件间匹配和级联引起的干扰,提高脉搏测量精度。在实验测试过程中,采用该光电式脉搏传感器对人体的脉搏进行实时测量,得到比较理想的脉搏波形,为实现脉搏信息的提取和分析提供了参考方案。
一、系统设计
设计制作一个光电脉搏测试仪,通过光电式脉搏传感器对手指末端透光度的监测,间接检测出脉搏信号,并在显示器上显示所测的脉搏跳动波形,要求测量稳定、准确、性能良好。
1)传感器:利用指套式光电传感器,指套式光电传感器的换能元件用硅光
电池,由于心脏的跳动,引起手指尖的微血管的体积发生相应的变化(当心脏收缩时,微血管容积增大;当心脏舒张时,微血管容积减少),当光通过手指尖射到硅光电池时,产生光电效应,两极之间产生电压由于指尖的微血管内的血液随着
心脏的跳动发生相应于脉搏的容积变化,因而使光透过指尖射到硅光电池时也发生相应的强度变化,而非血液组织(皮肤、肌肉、骨格等)的光吸收量是恒定不变
的,这样就把人体的脉搏(非电学量)转换为相应于脉博的电信号,方便检测。
2)按正常人脉搏数为60~80次/min,老人为100~150次/min,在运动后最高跳动次数为240次/min设计低通放大器。5Hz以上是病人与正常人脉搏波体现差异的地方,应注意保留。
(3)测量中考虑到并要消除的干扰有:环境光对脉搏传感器测量的影响、电磁干扰对脉搏传感器的影响、测量过程中运动的噪声还有50Hz干扰。
(4)由于透过指尖射到硅光电池的光强很小,输出短路电流约为 ~3uA,
所以总共放大106倍以便于观察。传感器得到的脉搏信号极为微弱,很容易淹没
在噪声及干扰信号之中,所以对取得的微弱信号先进行放大后再滤波。设计两极放大,因为三级放大个别电路板的零点漂移大得足以达到满幅,测量不准确。每个单级放大器的放大倍数不大于30,以免自激振荡。
本系统共分为三个模块:
光
一
路
二
电
级
阶
信
反
低
号
向
通
转
放
放
换
大
大
电
电
电
路
路
路
方框图中各部分的作用是:
(1)传感器:将脉搏的跳动转换为电压信号,放大
104倍。
(2)一级放大电路:对微弱信号进行放大,放大约
5倍
(3)二阶低通滤波电路:滤除干扰信号并进一步放大,再放大
20倍。
⑴光发射电路
光发射电路采用了常见恒流源电路,通过稳压管使流过 R1的电流为一定值,进而保证
流过LED的电流为恒定值。
图1光发射电路
2)光电信号转换电路
图2光电信号转换电路
如图,换能元件为硅光电池(由于软件仿真没有硅光电池, 故用一个交流信
号源代替),脉搏信号的拾取实际上是光透过指尖射到硅光电池时发生相应的强
度变化,从而产生硅光电池电流的微弱变化,再经过放大而得到的。所拾取的信
号为电压信号。
电路的输出为:Vii
?R
g
1
R1过大,稳定性差,容易产生漂移误差,影响增益精度,考虑到灵敏度和线
性度的协调,选R1=20KΩ,使得输出达到mv级。为了抑制高频干扰和消除运放输
入偏置电流的影响 ,接入电容C1、电阻R2和电容C2,电容的取值是基于脉搏信号
的频率考虑。
3)一级反向放大电路
图3一级反向放大电路
为了与前面匹配,并使选用器件简便, 选择R3=20KΩ,为满足放大5倍,选
用R4=100KΩ。
得理想放大倍数H=-R4/R3=-5倍
C3用来隔直;C4用以防止放大器自激并起到低通作用,为了不影响有用信
号又能滤掉50HZ干扰,C4不能太大也不能太小,取C4=
恰好。
(4)后置二阶低通放大电路
按人体脉搏在最高跳动次数 240次/min 计算,据归一化法设计低通放大
器,如图3所示。转折频率由 R6、C5、R7和C6决定,放大倍数由 R7和R5的
比值决定,R8用来减小输入阻抗不平衡的影响。
图4 二阶低通放大电路
二阶低通滤波器的传递函数:
Vo(s)
R7
?
1
R
5
6
RRCC
1
2S
5
6
7
1
1
1
1
Vo(s)
S
(
R6
R7
)
R6R7C5C6
C5
R5
理想放大倍数为 H=-R7/R5=-20倍。
:
fH=14Hz
低频特性满足条件,不影响有用信号。
:
输入信号:
输出信号:
总结:
1..利用血液是高度不透明的液体,光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点,可通过光电传感器对脉搏信号进行检测,并通过光电传感技术进行数据处理,实现智能化的脉搏测试技术。
应用透射式光电传感器:红色发光二极管发出光线,透过手指照射到光敏三极管上进行光电转换
由于放大倍数较大,入射光强不要太强,否则会使输出饱和,且不同的人脉搏波强度不同,为适应不同条件下的检测,最好的办法是把一级放大电路的反馈电阻用一个可调电阻和普通电阻串联。
本文设计的脉搏传感器目前仅能提供脉搏的振幅及频率,尚不能用于医学实践。若对传感器采集的信号经过进一步的波形分析及借助医生的经验,可对临床诊断提供帮助。