基于光電技術的脈搏測量方法

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作者：時間：2007-12-25 來源：

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　　1 引言

　　脈搏測量屬于檢測有無脈博的測量，有脈搏時遮擋光線，無脈搏時透光強，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，指脈測量比較方便、簡單，但因為手指上的汗腺較多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降;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(jié)變化時，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生電能，單個二極管能產生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過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，BPW83型紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反之，R0過小，通過的電流偏大，紅外接收二極管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。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，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，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期。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的暗電流會造成Vi電位略低于2.5 V。二是有脈期。當有跳動的脈搏時，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，所謂脈搏信號的拾取實際上是通過紅外接收二極管，在有脈和無脈時暗電流的微弱變化，再經過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

　　按人體脈搏在運動后最高跳動次數達240次/分計算來設計低通放大器，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，低頻特性是令人滿意的。

　　需要說明的是，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，C03沒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(tǒng)的放大倍數，C06用以防止放大器自激。采用二級放大，零點漂移不很明顯，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漂移所造成的影響，提高測量的準確性。

　　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也組成一個單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，脈寬為240ms。D2、Dl和T3等組成一個或非門，只有C，E兩點均為低電平時，信號放大器整機輸出才是高電平。設計這個電路的目的是為了在輸出端輸出一個窄脈沖，并且要在由R13和C07決定的時間內任何信號都不會干擾輸出。R23和C21充電時間的長短決定了計數脈沖的寬度，一般不希望它太寬。波形整形時序如圖5所示。