基于光電技術(shù)的脈搏測量原理

1 引言

脈搏測量屬于檢測有無(wú)脈博的測量，有脈搏時(shí)遮擋光線(xiàn)，無(wú)脈搏時(shí)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(diǎn)，指脈測量比較方便、簡(jiǎn)單，但因為手指上的汗腺較多，指夾常年使用，污染可能會(huì )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，尤其是當季節變化時(shí)，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(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(cháng)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(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)法區別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號。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確地辨別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)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(shí)，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(shí)，會(huì )出現二種情況：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lμA的暗電流會(huì )造成Vi電位略低于2.5 V。二是有脈期。當有跳動(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。所拾取的信號為2μV左右的電壓信號。

3 信號的放大

按人體脈搏在運動(dòng)后最高跳動(dòng)次數達240次/分計算來(lái)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，放大倍數由R08和R06的比值決定。




根據二階低通濾波器的傳遞函數，可得




按人的脈搏最高為4 Hz考慮，低頻特性是令人滿(mǎn)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(huà)，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。

二級放大器兼比較器如圖3所示。Rpll用以調整系統的放大倍數，C06用以防止放大器自激。采用二級放大，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(diǎn)漂移所造成的影響，提高測量的準確性。