光電傳感器的研制和原理分析

光電傳感器的研制和原理分析

　　傳統的脈搏測量采用脈診方式, 中醫脈象診斷技術就是脈搏測量在中醫上卓有成效的應用, 但是受人為的影響因素較大, 測量精度不高。無創測量(Noninvasive Meas2urement s) 又稱非侵入式測量或間接測量, 其重要特征是測量的探測部分不侵入機體, 不造成機體創傷, 通常在體外, 尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數。

　　生物醫學傳感器是獲取生物信息并將其轉換成易于測量和處理信號的一個關鍵器件。光電式脈搏傳感器是根據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測, 間接檢測出脈搏信號。光電式脈搏傳感器具有結構簡單、無損傷、可重復好等優點, 本文討論的就是基于光電式脈搏傳感器的設計和具體實現。

　　2 光電式脈搏傳感器的原理和結構

　　2.1 光電式脈搏傳感器的原理

　　根據朗伯比

爾(Lamber Beer) 定律, 物質在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。當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將在一定程度上反映了被照射部位組織的結構特征。

　　脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產生的, 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較薄, 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。

手指光吸收量變化示意圖

　　手指光吸收量變化示意圖傳感器技術戴君偉等: 光電傳感器的研制和噪聲分析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, 通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體的脈搏信號。

光電傳感器的研制和原理分析

　　2.2 光電式脈搏傳感器的結構

　　從光源發出的光除被手指組織吸收以外, 一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出來。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式2 種, 其中透射式的發射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置,接收的是透射光, 這種方法可較好地反映出心律的時間關系, 但不能精確測量出血液容積量的變化; 反射式的發射光源和光敏器件位于同一側, 接收的是血液漫反射回來的光, 此信號可以精確地測得血管內容積變化。本文討論的是透射式脈搏傳感器, 側重于脈搏信號的測量。

透射式和反射式光電傳感器

　　3 光電式脈搏傳感器的制作

　　3.1 光敏器件

　　光電式脈搏傳感器由于采用不同的光敏元件有著多種實現方法, 其中光敏元件主要有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和硅光電池。在傳統的光電式脈搏傳感器設計中, 通常采用的是獨立光敏元件, 利用半導體的光電效應改變輸出的電流, 通常光敏元器件輸出的電流極低, 容易受到外界干擾, 而且對后續的放大器的要求比較嚴格, 需要放大器空載時的電流輸出較小, 避免放大器空載輸出電流對脈搏信號測量的干擾, 這樣對于普通的放大器就不能直接應用在光敏元件的后端。

　　在本文中, 采用一種新型的光敏元件OPT101 , 該元件將感光部件和放大器集成在同一個芯片內部, 這種集成化的設計方式有效地克服了后端運算放大器空載電流輸出對光敏部件輸出電流的影響, 而且芯片輸出的電壓信號可以通過外部的精密電阻進行調節, 有利于芯片適應整體的電路設計, 同時芯片的集成化設計也能夠減小系統的功耗。

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