一种新型的脉搏压力传感器

0引 言 脉象是对人体机 能的反映, 它 携带有 丰富的 人体健 康
状况的信息。现代中 医多取 寸口脉, 但是 单一脉 象信息 不 能充分地反映人体 复杂的 生理信息 , 而 单部脉 象仪一次 只 能在固定的寸、关、尺其中的一 部采集脉象信号。但将单部 脉象仪分别采集的 三部脉 象信号叠 加, 与三部 脉象仪同 时 采集的脉象信号比较 , 则无统计学意义 [1] 。
本文设计的 脉搏 压力 传感 器 采用 的弹 性 薄膜 材料 为 PVC, 电容极板为金属银浆, 电容以空气为介质, 这种结构有 利于提高传感器的灵敏度和线性度 [ 2], 结构如图 1所示。
偏离圆中心点半 径 r处的挠度值如下
图 1 脉搏压力传感器结构图 F ig 1 Structure diagram of pulse pressure senso r
波形图, 脉搏信号波形比较清晰、稳定、一 致性好, 脉搏波主
Hale Waihona Puke 峰回落时有小的 峰 [ 3] ( 回波 ), 与中 医理论 相一 致。由图 6
可知, 脉搏波周期大约为 1 s, 即心率为 60左右, 与血压计测
出来的心率为 62基本一致, 因此, 验证了传感器的可行性。
图 6 脉搏信号测试图 F ig 6 Testing diag ram of pulse signa l 4 结束语 随着中医的普及, 中医 把脉的重要 性日益突 出, 但单 部 脉搏传感器存在 固有缺陷, 因此, 研 制多部脉 搏传感器非 常 重要 [ 4], 本文提出的多部脉搏压力传感器线性度、一致性好, 灵敏度高, 传感器尺寸小, 价格低廉, 工艺简 单。通过 实验验 证: 该传感器获取的脉搏波与中医理论相一致, 效果好; 并且 能够实现多部脉 搏信号同 步采集, 与 单部脉搏 传感器相比, 获取的信息量更为丰富, 为中医的脉搏诊断提供了依据。 参考文献: [ 1] 燕海霞, 王忆勤, 李福凤. 中医脉象传感器 的研究进展 [ J ]. 上 海中医药大学学报, 2005, 3 ( 19) : 102 - 104. [ 2] W en H KO, M in H angb ao, Y eun D inghong. A h igh sens it iv ity in tegrated circu it capacit ive pressure transducer[ J] . IEEE T ran s E lectron D evices, 1982, 29( 1) : 48 - 56. [ 3] 乜国荃, 孙惠章. 基于 L abV IEW 的 脉搏测试仪 的设计 [ J ]. 生 物医学工程与临床, 2008, 12 ( 4) : 330 - 333. [ 4] 汤伟昌, 孙汉 钧. 多路脉 象检测方 法和换能 器的研 究 [ J] . 中 国中医药科技, 2000, 7 ( 5) : 319 - 320. 作者简介: 邹 建 ( 1960- ), 男, 重庆 人, 博士, 副教 授, 主要 从事 光电 检 测与光纤传感技术的研究。
图 3 系统框图
F ig 3 B lock diagram of system 经过 555振荡电路和 F /V 转换电路后输出电压为
V out =
2.
0
9
RL RS
( RtC t ) f in
=
2.
09 RL RS
(RtC t ) (Ra +
1. 443 2R b ) ( Cx
+C)
.
(5)
将式 ( 2) ~ 式 ( 4)代 入式 ( 5) 得到 输出电压 Vout与外加
框图如图 3所示。
2. 2 信号调理电路 前人大量的 脉象频谱 分析得 出结 论 [ 3]: 脉 象信 号频谱
能量主 要集中在 10H z以下, 而且非常微 弱, 有 用信号有 可 能被 50H z工频信号覆 盖, 为 了避免工频 干扰, 信号频率 上 限取 40H z, 频率下限取 0. 5H z, 只要 针对 0. 2H z的 呼吸 波 干扰, 因此, 电路主要是调理检测到 的 0. 5~ 40H z的微弱 信 号。采用 F ilterP ro 软件设计的二阶巴特沃 斯低通 和高通 滤 波器, 得到了较好的滤波效果。滤波后 的信号幅度 非常小, 大概只有几十毫 伏, 必须经过放大后才 能由采集卡 处理, 根 据采集卡模拟输 入范围, 确定放 大器增 益为 100, 这 样输 出 电压为几伏, 与采集卡模拟输入范围匹 配, 从而 减小量化 误 差。 3 实验测试 3. 1 传感器性能测试
w ( r ) = p (R 2 - r2 ) 2 .
( 1)
6 4D
中心点的挠度值
w ( 0) = pR4 .
( 2)
6 4D
其中, D 为惯性矩, 且
D=
EyH 3 12( 1-
2)
,
( 3)
式中 Ey 为杨氏模量, 为泊松比。 1. 2 AN SY S模型分析
ANSY S软件是融结构、流体、电磁 场、声场和 耦合场 分
性能测试 主要 测 试脉 搏压 力 传感 器的 线 性度 和 一 致 性。测试时, 利用购买 的欧 姆龙血 压计 气囊 充气模 拟外 加 压力施加在脉搏传 感器 上, 施加压 力后 记录 传感器 电容 量 与 LM 331输出电压。测 试压 强范 围 0~ 300mmHg, 进行 多 次重复测试试验 , 3次重复测试结果如表 2所示。
本文介绍了一种 自行设 计的三 部脉搏 压力传 感器 电容式压力传感器, 通过 电容极 距的变 化反映 脉搏压力 的 变化。加工采用轻触 式薄膜 按键面 板工艺, 很容 易实现 多 只电容压力传感器的集成, 便于多部脉搏信号同步采集, 体 积小, 价格低廉, 效果好。 1 脉搏压力传感器设计 1. 1 传感器结构
( School of Op to e lec tron ic Engineering, Chongq ing Un iversity, Chongq ing 400030, Ch ina)
Abstract: A im ed a t the defects of single pu lse pressure sensor, a techno logy o f touch m em brane button pane l is presented. A sensor w ith several rou tew ay pulse pressure sensors is m ade to obta in seve ra l rou tew ay pulse signals and the assoc iated hardw are circu itry is designed to conduct the pulse signa.l Exper imenta l results show that the linearity and repeatab ility o f the pu lse pressure senso r are exce llent, and the sensitiv ity is up to 1100 v /mmH g in pressure of 0~ 300 mmH g. T he pu lse signa ls acquired by pulse sensor a re d isp layed on the com puter mon itor through the osc illoscope ser ia l comm un ica tion expansion modu le. T he e ffect is rem arkab le. K ey word s: pulse signa;l elastic film; pu lse pressure senso r
V out = 2. 97- 0. 001 1p .
(6)
通 过信号 调理电路 的高通 滤波器, 滤 除直流电 平成分
后, 得到交流信号部分
V out = - 0. 001 1p .
(7)
传感器的灵敏度 S 为
S = dV out = 0. 001 1 .
(8)
dp
脉搏压力传感器 的灵敏度为 1100 V /mmHg。
析于一体的大型通用有限元分析软件。建立脉搏压力传感
收稿日期: 2010 03 22
第 12期
邹 建, 等: 一种新型的脉搏压力传感器
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器的 简单结 构模型, 进 行挠度分 析。结构 单元选择 8节点 So lid45单元, 薄膜材 料参数与传感器结构尺寸如表 1所示。
表 1 PVC薄膜材料参数与传感器结构尺寸 T ab 1 Pa ram eters o f PVC and structure size of sensor
图 2 薄膜挠度分布图
Fig 2 D istribution diagram of m embrane deflection 在相同压强 作用下 , 由 于敏 感元 各点变 形不 同, 因此,
电容量 Cx 的表达式应该表示为
Cx =
dCx =
R 0 2 rdr 0 l0 - w ( r)
=
4 0 R2
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传 感器与微系统 ( T ransducer and M ic rosystem T echno log ies)
2010年 第 29卷 第 12期
一种新型的脉搏压力传感器
邹 建, 卢 平, 应苑松, 钱 波
(重庆大学 光电工程学院, 重庆 400030)
摘 要: 针对单部脉 搏压力传感器的缺陷, 提出了一种采用轻触式薄膜按 键面板工艺, 自制的多通道脉搏
压力 p 的关系表达式, 其 中 C 为分布电容。
图 4 实测值与理论值对比图 F ig 4 Comparison diagram of experim ental and theo