光電型脈搏傳感器地原理與其應(yīng)用

word文檔精品文檔分享醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)論文光電型脈搏傳感器的原理及其應(yīng)用Theprincipleoftypephotoelectricpulsesensoranditsapplication學(xué)生XX：X先緒專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工學(xué)號：110811117指導(dǎo)教師：龐春穎學(xué)院：生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院二〇一四年十二月word文檔精品文檔分享XX理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院—醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)論文摘要:介紹了光電式脈搏傳感器的原理和設(shè)計方案,采用集成光敏部件和放大器的光敏芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分立光敏器件實現(xiàn)對脈搏的測量。芯片的集成化能夠有效減小器件間匹配引起的干擾,提高脈搏測量精度。在實驗測試過程中,采用該光電式脈搏傳感器對人體的脈搏進展實時測量,對脈搏信號測量可能引起的噪聲來源做了分析,并做相應(yīng)的抗干擾處理,得到比擬理想的脈搏波形,為脈搏信息的提取和分析提供了良好的數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞:脈搏信號;光電容積法;脈搏傳感器;噪聲分析Abstract:ThePPGpulsesensorisattachedtothefingerbaseformonitoringbeattobeatpulsationparingwiththetraditionaldesign,thepulsesensorusesanewintegratedchip,whichisintegratedthephotosensitiveunitandthesignalamplifier.Thisdesigncanefficientlyremovethesystemnoiseandimprovetheprecisionofmeasure.Intheexperiment,usingthesensorcanmeasurethepulsedirectlyfromthepulseinrealtime.Atthesametime,makingthenoiseanalysisanddealingwiththemeasurenoise,andgettingagoodpulsewave.signal;photoplethymograph;pulsesensor;noiseanylsis1word文檔精品文檔分享XX理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院—醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)論文第1章緒論1.1課題研究背景及意義隨著人們生活水平的提高，地球環(huán)境遭到破壞，多種疾病威脅著人們的生命,而心臟病的發(fā)作又是人們難以預(yù)防的突發(fā)致命疾病。在醫(yī)學(xué)上，通過測量人的心率，便可初步判斷人的XX狀況。因此，心率計很快產(chǎn)生并得到開展。隨著單片機技術(shù)的開展、人們的生活節(jié)奏加快，設(shè)計一種以使用方便為前提，能夠快速測出人心率的心率計，不僅是臨床者的需要，也是體育訓(xùn)練者和外出旅游者的需要。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀傳統(tǒng)的脈搏測量采用診脈方式，中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測量在中醫(yī)上卓有成效的應(yīng)用,但是受人為的影響因素較大,測量精度不高。為了克制上述測量方法的缺乏，國內(nèi)外脈搏測試不再局限于傳統(tǒng)的人工測試法或聽診器測試法。1.3研究內(nèi)容利用血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點，可通過光電傳感器對脈搏信號進展檢測，并通過單片機技術(shù)進展數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)智能化的脈搏測試技術(shù)。生物醫(yī)學(xué)傳感器是獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測量和處理信號的一個關(guān)鍵器件。光電式脈搏傳感器作為是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號。光電式脈搏傳感器具有構(gòu)造簡單、無損傷、可重復(fù)好等優(yōu)點。根據(jù)光電容積法原理，從改善光源、消除景光噪聲、電磁屏蔽和提高信噪比四個方面出發(fā)，研究改良方法，對提高使用的靈活性和準確度有著重大意義。通過光電傳感器對脈搏信號進展檢測，并用單片機技術(shù)進展數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)智能化的脈搏測試技術(shù)。第2章系統(tǒng)設(shè)計2.1光電式脈搏傳感器的原理和構(gòu)造2.1.1光電式脈搏傳感器的原理人體心室周期性的收縮和舒X導(dǎo)致主動脈的收縮和舒X,使血流壓力以波的形式從主動脈根部開場沿著整個動脈系統(tǒng)傳播,這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息,很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征。根據(jù)郎伯-比爾〔Lambert－beer〕定律,物質(zhì)在一定波長處的吸光度和它的濃度成正比，當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時,通過人體組織吸收、反射、衰減后測量到的光強在一定程度上反映了被照射部位組織的構(gòu)造特征。血液是高度不透明的液體，光在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍。一般情況下，當(dāng)光子穿越介質(zhì)時，因能量被吸收而導(dǎo)致的強度衰減可描述為：2word文檔精品文檔分享XX理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院—醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)論文式中錯誤！未找到引用源。是入射光強，錯誤！未找到引用源。是與組織構(gòu)造相關(guān)的吸收系數(shù)〔哺乳動物的錯誤！未找到引用源。值在0.1至100錯誤！未找到引用源。是沿光軸方向的坐標長度。脈搏主要由人體動脈舒X和收縮產(chǎn)生的,在人體指尖,組織中的動脈成分含量高,而且指尖厚度相對其他人體組織而言比擬薄,透過手指后檢測到的光強相對較大,因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。圖2-1人體手指端復(fù)原蛋白與氧化蛋白光吸收率示意圖手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織,其中非血液組織的光吸收量是恒定的,而在血液中,靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的,可以忽略。因此可以認為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的,那么在恒定波長的光源的照射下,本設(shè)計利用透射式的測量方法，通過檢測透過手指的光強可以間接測量到人體的脈搏信號。2.1.2光電式脈搏傳感器的構(gòu)造從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一局部由血液漫反射返回。其余局部透射出來。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射形式和反射式2接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時間關(guān)系，但不能準確測量出血液容積量的變化；反射式的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè)，接收的是血液漫反射回來本文討論的是透射式脈搏傳感器，側(cè)重于脈搏信號的測量。3word文檔精品文檔分享XX理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院—醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)論文2.2主要元器件選擇和功能介紹2.2.1傳感器OPT101OPT101型傳感器是美國B-B公司研制的集光敏器件〔光敏二極管〕與信號放大于一體的器件.采用單電源供電，壓電輸出。輸出電壓隨照射到光敏器件的光強度呈線性變化?？捎糜卺t(yī)療儀器、實驗室儀表、位置與接近探測、圖像分析、條線碼掃描器、溫室的光照度控制等。OPT101型傳感器內(nèi)部電路構(gòu)造如圖4-2所示。2.2.1傳感器OPT101OPT101型傳感器的性能、特點：〔〕單電源供電+2.7V~~+36V〔〕光敏二極管的尺寸：0.09*0.09in〔〕片內(nèi)放大器反應(yīng)電阻：Rf=1MΩ〔〕光敏二極管響應(yīng)：0.45A/W(650nm時)〔〕響應(yīng)帶寬：14KHz〔Rf=1MΩ〕〔〕靜態(tài)電流：120mA(7)采用8引腳，5引腳SIP，與8引腳內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)外表貼裝封裝〔〕工作溫度：0~70℃應(yīng)用片內(nèi)1MΩ與3pF組成的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，即將引腳45連接即構(gòu)成根本應(yīng)用電路；這是電路的輸出幅度與照射光線波長的關(guān)系如圖4-3幅度的關(guān)系如圖3-4所示。圖4-3輸出幅度與照射光線波長的關(guān)系圖4-4輸出幅度與入射角的關(guān)系2.2.2低功率運算放大器LM324LM324系列器件為價格廉價的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，它們有顯著的有點：該四放大器可以工作在低到3.0伏或高到32伏的電壓下，靜態(tài)電流大致為MC1741的五分之一〔對每個放大置元件的必要性，輸出電壓X圍也包括負電源電壓。其特點為：〔〕短路保護輸出〔2〕真差動輸入級4word文檔精品文檔分享XX理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院—醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)論文〔〕單電源工作，3.0V~~32V〔4〕低輸入偏置電流，最大100nA[LM324A]〔〕每一個封裝四個放大器〔6〕內(nèi)部補償〔〕共模X圍擴展到負電源〔8〕行業(yè)標準引腳輸出〔〕在輸入端的靜電放電位增加可靠性而不影響器件的工作2.2.3通用型集成電壓比擬器AD790雙列直插式AD790單集成電壓比擬器，與集成運放一樣，它有同相和反相兩個輸入端，分別是引腳2和3；正、負兩個外接電源±VS，分別為引腳1和；當(dāng)單電源供電時，-VS應(yīng)接地。此外，引腳8接邏輯電源，其取值決定于負載所需高電平。為了驅(qū)動TTL電路，應(yīng)接+5V，此時比擬器輸出高電平為4.3V。引腳5為鎖存控制端，當(dāng)它為低電平時，鎖存輸出信號2.3系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括信號采集和處理電路、單片機系統(tǒng)及顯示電路兩大局部。2.3.1信號采集電路和處理電路本設(shè)計采用紅色發(fā)光二極管發(fā)出的光線通過手指照射在OPT101的受光窗，當(dāng)指尖的血流量隨心臟跳動而改變時，從通過指尖到達受光窗的光線也隨之改變，這樣光電流也發(fā)生波動性變化，從而采集到心臟脈搏信號。設(shè)計出來的電路圖見下：圖5-1信號采集和處理電路具體說明：OPT101芯片的5號引腳輸出波動的電壓信號，經(jīng)R2C2C3接到LM324放大器的反相輸入端，為防止煩擾信號傳到的輸入端，用C2、C3組成的雙極性耦合電容將其隔離。C4和R5構(gòu)成低通濾波器，去除高頻信號，截止頻率為3.33Hz。通過電壓比擬器，將信號轉(zhuǎn)換為方波信號輸入單片機。其中，左下方的LM324提供參考電壓，R10為電位器，用于調(diào)節(jié)電壓比擬器的參考電壓，以消除不同人手指的差異性。2.3.2單片機系統(tǒng)及顯示電路5word文檔精品文檔分享XX理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院—醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)論文在單片機設(shè)計中，我們使用12MHz的晶振，用P0、P1和P2引腳控制三個數(shù)碼管進展顯示，P3^2引腳用來接收已轉(zhuǎn)化為方波的脈搏信號，并且?guī)в袕?fù)位開關(guān)。圖5-2單片機系統(tǒng)電路圖2.3.3傳感器機械構(gòu)造設(shè)計下列圖為傳感器外形及內(nèi)部構(gòu)造圖。左上為正視剖面圖，左下為俯視剖面圖，右上為左視剖面圖，右下為示意圖。6word文檔精品文檔分享XX理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院—醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)論文2.4單片機系統(tǒng)軟件設(shè)計我們設(shè)計的單片機程序中，采用單片機內(nèi)部定時器定時檢測周期10s10s過程中，P3^2引腳檢測方波脈搏信號，每次高電平降臨，系統(tǒng)進展判斷：相鄰兩次高電平的時間差是否大于10ms300ms高電平時間會更小〔這跟人的心跳特征有關(guān)〕，此判斷能消除電壓比擬器的誤判和彌補個人心跳的差異性。10s后心率顯示在數(shù)碼管上，并且每10s更新一次顯示。工作流程圖見下。開場定義變量聲明函數(shù)啟動10s計時啟動脈搏計數(shù)否兩次脈沖信號的時間差是否大于10ms是脈搏計數(shù)加110s計時完畢顯示心率數(shù)圖6單片機工作流程圖2.5光電式脈搏傳感器的噪聲分析及改良在測量過程中，前端測量到的脈搏信號十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，因此需要對脈搏傳感器的干擾噪聲進展分析，從光電式脈搏傳感器設(shè)計的技術(shù)角度減少干擾，使之能夠準確測量到脈搏信號，光電式脈搏傳感器的干擾主要有測量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測量過程運動噪聲，下面對上述情況結(jié)合實驗測量做進一步的分析。2.5.1環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏信息的透射光的信號，而且包含測量環(huán)境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當(dāng)中要保持測量背景光的恒定，減少7word文檔精品文檔分享XX理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院—醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)論文背景光的干擾。為了減少環(huán)境光對脈搏信號測量的影響，同時考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的指套式包裝方式，整個外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小外界環(huán)境光的影響，為了防止測量過程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內(nèi)層外表涂上一層吸光材料，這樣能有效減少二次反射光的干擾。由圖7的圖形明顯可知，加上指套式外殼后的脈搏傳感器測量到的脈搏波形環(huán)境光的影響，而且能夠有效減少二次反射光，使照射到手指上的光波長單一，所以得到的脈搏信號較為穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號，能夠很好的表達出脈搏波形的特征。2.5.2電磁干擾對脈搏傳感器的影響通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號一般比擬微弱，容易受到外界電磁信號的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和一級放大電路是別離的，那么在信號的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級放大電路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾，本系統(tǒng)采用了新型的光敏器件，在芯片內(nèi)部集成光敏器和一級放大電路，有效地抑制了外界電磁信號對原始脈搏信號的干擾。2.5.3測量過程中運動噪聲在測量過程當(dāng)中，通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對的運動，這樣對脈搏測量產(chǎn)生誤差，可以通過2個方面減少運動噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機械抗運動性，比方說使指套能夠更緊的夾在手指上，不易松動；二是從脈搏信號處理的角度，通過算法來減小誤差，對于傳感器的設(shè)計，現(xiàn)在采用的主要是第一個途徑。第3章結(jié)語無創(chuàng)傷監(jiān)護技術(shù)將是未來醫(yī)學(xué)工程開展的重要方向，而人體脈搏信號中包含豐富的生理信息，也逐漸引起了臨床醫(yī)生的很大興趣，光電容積法〔〕是當(dāng)今測量脈搏信號的一種有效途徑，也可以通過這種方法測量血氧飽和度，氧分壓、心搏出量等生理信號，為臨床診斷提供了強有力的技術(shù)支持。最近，日本學(xué)者又提出了以脈搏波傳導(dǎo)速度與血壓的相關(guān)性來間接測量血壓，用檢測分析脈搏方估計血壓的課題，足見脈搏檢測的應(yīng)用有著良好的開展前景。脈搏檢測中關(guān)鍵技術(shù)是傳感器的設(shè)計與傳感器輸出的微弱信號提取問題，本文對脈搏傳感器的設(shè)計進展了初步的探討并取得了可喜的實驗結(jié)果。實驗證明：采用本文這種方法能夠較好的測量出脈搏信號，為脈搏信息的進一步提取提供了有利的前提。8word文檔精品文檔分享XX理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院—醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)論文參考文獻[1]王延林,謝少良.OPT101型光電傳感器的技術(shù)性能與應(yīng)用[J].清華大學(xué)學(xué)報，2021[2]X義和，王敏男等例說51C[M].2021.[3]王慶有.光電傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].：機械工業(yè)，2021.[4]楊玉星.生物醫(yī)學(xué)傳感器與檢測技術(shù)[M].：化學(xué)工業(yè)，2021.[5]指夾式光電脈搏傳感器科技信息2021年36期9word文檔精品文檔分享XX理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院—醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)論文附錄附錄一protel原理圖10word文檔精品文檔分享XX理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院—醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)論文附錄二CAD圖11word文檔精品文檔分享XX理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院—醫(yī)學(xué)光電檢測技術(shù)論文附錄三單片機程序〔C語言〕#include<reg51.h>#definecount_M150000#defineTH_M1(65536-count_M1)/256#defineTL_M1(