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脈博的測量，有脈搏時(shí)遮擋光線，無脈搏時(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(hù)。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時(shí)，所測信號(hào)受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結(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(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(shí)的信號(hào)。反之，R0過小，通過的電流偏大，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)手指處于測量位置時(shí)，會(huì)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(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，所謂脈搏信號(hào)的拾取實(shí)際上是通過紅外接收二極管，在有脈和無脈時(shí)暗電流的微弱變化，再經(jīng)過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(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，提高測量的準(zhǔn)確性。