基于光電技術(shù)的脈搏測(cè)量方法

1 引言

　　脈搏測(cè)量屬于檢測(cè)有無(wú)脈博的測(cè)量，有脈搏時(shí)遮擋光線，無(wú)脈搏時(shí)透光強(qiáng)，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(cè)量用的脈搏測(cè)量大致有指脈和耳脈二種方式。這二種測(cè)量方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，指脈測(cè)量比較方便、簡(jiǎn)單，但因?yàn)槭种干系暮瓜佥^多，指夾常年使用，污染可能會(huì)使測(cè)量靈敏度下降；耳脈測(cè)量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護(hù)。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時(shí)，所測(cè)信號(hào)受環(huán)境溫度影響明顯，造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

2 脈搏信號(hào)的拾取

　　脈搏信號(hào)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(zhǔn)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(gè)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(zhǎng)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(duì)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(qiáng)度就越大。在圖l中，RO選100 Ω是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R0過(guò)大，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流偏小，BPW83型紅外接收二極管無(wú)法區(qū)別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。反之，R0過(guò)小，通過(guò)的電流偏大，紅外接收二極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。當(dāng)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(shí)，IC1B的反相輸入端電位大于同相輸入端電位，Vi為“O”。當(dāng)手指處于測(cè)量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無(wú)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(huì)造成Vi電位略低于2.5 V。二是有脈期。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，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(lái)，所謂脈搏信號(hào)的拾取實(shí)際上是通過(guò)紅外接收二極管，在有脈和無(wú)脈時(shí)暗電流的微弱變化，再經(jīng)過(guò)IClB的放大而得到的。所拾取的信號(hào)為2μV左右的電壓信號(hào)。

3 信號(hào)的放大

　　按人體脈搏在運(yùn)動(dòng)后最高跳動(dòng)次數(shù)達(dá)240次/分計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)低通放大器，它由IC2A和C04等組成，如圖2所示。轉(zhuǎn)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(shuō)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(jiàn)，C03沒(méi)有影響頻率特性的分析，它的作用只是隔直。

　　二級(jí)放大器兼比較器如圖3所示。Rpll用以調(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)，C06用以防止放大器自激。采用二級(jí)放大，零點(diǎn)漂移不很明顯，在O.1 V左右。所以將比較器的閾值電壓設(shè)計(jì)成O.25 V，以確保濾除干擾信號(hào)。采用比較器的好處是能有效地克服零點(diǎn)漂移所造成的影響，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

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(gè)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，脈寬為240ms。D2、Dl和T3等組成一個(gè)或非門(mén)，只有C，E兩點(diǎn)均為低電平時(shí)，信號(hào)放大器整機(jī)輸出才是高電平。設(shè)計(jì)這個(gè)電路的目的是為了在輸出端輸出一個(gè)窄脈沖，并且要在由R13和C07決定的時(shí)間內(nèi)任何信號(hào)都不會(huì)干擾輸出。R23和C21充電時(shí)間的長(zhǎng)短決定了計(jì)數(shù)脈沖的寬度，一般不希望它太寬。波形整形時(shí)序如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　當(dāng)該放大器用于集群脈搏測(cè)量?jī)x時(shí)，一定要注意不同信號(hào)通道之間的相互影響，建議把各個(gè)放大器的電源分開(kāi)。此外，測(cè)量通道需要一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，當(dāng)指夾懸空時(shí)，這個(gè)開(kāi)關(guān)電路關(guān)閉單穩(wěn)態(tài)電路，切斷信號(hào)通路，防止亂計(jì)。

　　幾年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，該放大處理電路穩(wěn)定可靠。下面是筆者在設(shè)計(jì)中獲得的一些體會(huì)。

　　采用二級(jí)放大好于三級(jí)放大，個(gè)別三級(jí)放大電路板的零點(diǎn)漂移大得足以達(dá)到滿幅，使得測(cè)量不準(zhǔn)確。每個(gè)單級(jí)放大器放大倍數(shù)最好不要大于30，以免自激振蕩。

　　本信號(hào)放大器的高頻轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(diào)電壓小的運(yùn)算放大器?？紤]到性?xún)r(jià)比，筆者使用了TLC2264和TLC2262。