光电脉搏检测仪例子Word格式.docx
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FNu/KSZ
公式中:
F—光源的光通量(Lm)
N—光源的数量
u—利用系数,在一般房间内并有较好的反射条件时,对漫射配光型灯具取0.3;
对直射和半直射配光型灯具取0.5;
如房间的反射条件较差时,再将利用系数乘以0.9修正
S—房间面积(平方米)
K—减光系数,一般白炽灯取0.3,荧光灯取1.4
Z—平均照度与最低照度之比,灯具布置适宜时取1.2
普通220V白炽灯光通量
灯泡功率W15,25,40,60,100,150,200,300,500
光通量(Lm)110,220,350,630,1250,2090,2920,4610,8300
普通220V荧光灯光通量
灯管功率W8,15,20,30,40,100,
光通量(Lm)370,580,970,1550,2400,5500
普通220V聚光灯光通量
灯泡功率
W300,500,750,1000,2000
光通量(Lm)4850,8700,12400,19500,38400
国际单位制(SIE单位制)的光度单位
光度量几何学
名称符号单位英文名
光强度I坎德拉Candela(cd)
光照度E勒克斯Lux(lx)
光亮度L尼特Nit
光通量φ流明Lumen(lm)
光电脉搏信号检测电路
一、设计目的与意义
脉搏的概念:
脉搏的广义内容包括心尖搏动波、动脉波和静脉波。
其共同特点是频率甚低。
动脉脉搏为一般所说的脉搏,由心脏节律性地收缩和舒张引起主动脉中的容积和压力发生改变,从而使动脉管壁出现振动而产生的。
脉搏产生后沿管壁向全身动脉传播,在身体浅表有动脉通过的部位,都可触摸到脉搏。
所以动脉波的测量相对来说比较方便。
正常动脉波形如图。
它由以下几个部分组成。
上升支:
在心室快速射血期,动脉血压迅速上升,管壁被扩张,形成脉搏波形中的上升支;
下降支:
心室射血的后期。
射血速度减慢,进入主动脉的血量少于由主动脉流向外周的血量,故被扩张的大动脉开始回缩,动脉血压逐渐降低,形成脉搏波形中下降支的前段。
随后,心室舒张,动脉血压继续下降,形成下降支的其余部分。
因为心室舒张时室内压下降,主动脉内的血液向心室方向返流。
这一返流使主动脉瓣很快关闭。
返流的血液使主动脉根部的容积增大,并且受到闭合的主动脉瓣阻挡,发生一个返折波,因此在降中峡的后面形成一个短暂的向上的小波,称为降中波。
老年人或者高血压病人由于血管顺应性较差,所以降中波不明显或者消失。
血管弹性不良而硬化时,上升及下降段也均呈陡峭状。
脉搏能反映心血管系统多方面的状态,如心跳的频率和节律、心脏的收缩力、血管充盈度、动脉管壁的弹性等等。
所以脉搏的测定是一项重要的临床检查顶目。
中医更将扪脉作为诊治疾病的主要方法。
在中医现代化研究中,对脉搏的分析更为细致,可以分辨出迟脉、数脉、代脉、浮脉、弦脉、滑脉和涩脉等等。
其中有以频率之不同而区分的(如迟脉、数脉),有以节律区分的(如结脉、代脉),有以深浅和形态区分的(如弦脉、滑脉、涩脉)等。
这就要求在设计脉搏传感器时,要对其灵敏度、频响、拾取信号的方向等作认真的考虑。
二、系统设计
光电转换器的设计:
原理:
利用光电池的光生电流大小与被测光的照度成正比的特性,用光电池作为光电变换器件。
生物体组织对波长大于600nm的红光和近红外光线吸收的较少,透过较多。
但是,血液却极易吸收这种光线,特别是对波长700-800nm范围的光线,无论是氧和血红蛋白还是还原血红蛋白都能大量的吸收它。
利用红外发光二极管照射手指尖部,因为指尖血管中血液容积变化体现动脉搏动情况,当血液充盈(容积变大)时,红光透过的少,否则透过的多。
利用光电池把透过指尖的光强变化转化为电压信号。
光电池的选择
脉搏波是低频微弱的生理信号,电路的核心元件光电探测器选用了灵敏度较高、响应快、转换效率高的硅光电池。
硅光电池具有较小内阻的恒流源特性,当负载电阻小时,其光电流随入射光照度成好的线性变化关系,线性关系的范围也较宽。
因此,电路设计时将硅光电池用作电流源
透射型光电转换器
注意事项:
1.硅光电池选择:
在固定光强条件下曝光,直接检测光电流是否达到所需灵敏度。
2.检测光源稳定性:
保证传感器匣内光源强度不变,应采用稳压电源。
单次检测可用干电池。
3.光源与光电池的距离能固定不变:
防止光源移动影响波形幅。
4.测试匣不透光或漏光:
防止周围环境光源干扰。
5.光电源引出线为屏蔽线——防止干扰(与显示器地线联结)
6.使用时注意待测指端位置固定,每次插入均至无名指第一指节横纹处。
如作持续监控用,需将传感器用胶纸固定,以免移动。
三、单元电路的设计
(1)光电转换电路
光电转换电路的技术核心要有最佳的线性度和信噪改善比。
光电转换电路采用如图所示的低输入阻抗的电流放大型。
硅光电池与运算放大器的两个输入端相连,运算放大器处于电流放大状态。
运算放大器两输入端间的输入阻抗
是光电池的负载电阻,可表示为
=Rf/(A+1)
为了抑制高频干扰和消除运放输入偏置电流的影响,实际电路在正输入端加入平衡电阻,可以使运放两个输入端由偏置电流在两电阻上产生的压降相等,从而消除偏置电流的影响。
参数设置:
C1=C2=1μFRf=23.9kΩ
信号放大倍数为23900倍
(2)信号调理电路
a.信号放大、一阶滤波
14μ电容隔直流,一阶滤波截止频率
放大倍数为100倍
用ewb仿真得到结果:
b.三阶滤波
由于人体脉搏最高频率约为4hz,而主要频率分布在1hz左右,所以设置截止频率为10hz,选取三阶低通滤波器,设置参数如图标注,并且可以有效的滤除50hz工频干扰。
用ewb仿真显示结果:
四、整体电路
总体放大倍数A=A1A2=23900×
100=2390000
理论上将光源通过手指照射在硅光电池,电池的电流为2μA,放大后可以到达伏级,是令人满意的
测试报告
一、各项参数测试
1.信号拾取
采用实验室提供的台灯作为光源,由于要求精度不高,所以光源稳定性是符合要求的。
测试时将食指指尖放于硅光电池上,尽量坐着测试,手臂放平,避免手的抖动和位移。
2.三阶滤波器的测试
输入信号Vi=16.9mv从1hz开始慢慢调大信号频率,当输出信号Vo幅值下降到输入的0.707倍12.0mv时,信号频率为10.3hz,与设计的10hz截止频率完全符合。
继续调节输入信号,发现到50赫兹左右几乎没有信号,工频干扰得到有效抑制。
3.静态工作点
将放大器两输入端对地短路,测得输出端输出约200mv<
0.5v,符合要求。
4.放大倍数测试
用信号发生器输入20mv的信号,用示波器观察输出Vo的幅值为2v,放大了100倍,符合设计
二、小结
实际测得的脉搏波形幅值适当,便于观测,噪声较低,波形基本稳定如图
缺点是有一定时间的延迟,受被测者自身影响大,还有待改进。
本传感器有如下主要特点:
较高的信噪比;
较好的线性;
实际电路制作选用了具有体积小、功耗低、工作电压低、可以单电源工作、廉价等优点的四运放集成电路LM324,电路结构紧凑;
降低了传感器的功耗和价格。
这次的课程设计,我从最开始的一无所知,无从下手,到查找阅读大量资料,有了一定的整体设计思路,再到在实验室里的动手实践,到最后完成设计看到脉搏波,经历了一段曲折艰辛,有苦有乐的过程。
一次次的在实验室废寝忘食的奋斗一整天,一次次的出现困难显示出之前基础知识掌握的不牢固和经验的欠缺,而一次次的通过学习、动手而解决了问题的喜悦也是其他任何所不能代替的。
尤其是当最后在示波器上看到脉搏波,怀着忐忑的心情听李老师的评价,当李老师用了“很好”来肯定的时候,我心中的喜悦消除了之前所有的疲累、沮丧,感到一切的努力都是值得的。
拿着自己制作的电路板,我百感交集,感谢李老师让我们真正掌握了真才实学,我会带着这种精神继续投入到各项学习和研究中去!