传感器设计实验实验报告-脉搏

图 3.7 光电检测电路
图 3.6 血氧探头发光驱 动电路
性能测试：
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酒精传感器
测人体呼气中的酒精含量： 基于物质对光的选择性反射原理测量试纸条的颜色， 最终确定试纸条中酒精 含量的。仪器是主要是检测唾液试纸条的颜色，从而反映唾液中酒精的含量。唾 液试纸条是以滤纸为载体，将各种世纪成分浸泡后干燥，作为试剂层，再在其表 面覆盖一层纤维膜作为反射层。唾液浸入试剂带后，于试剂发生反应，产生颜色 变化。 后利用单色光对试纸块进行扫描，因单色光在不同颜色及颜色深浅不同的 情况下的反射率不同，通过反射率的大小进而确定唾液中酒精含量。[4] 测血液中酒精浓度： 气敏血液酒精浓度测定方法即利用气体传感器测定血液酒精浓度的方法。 气 体传感器即气体敏感元件 , 就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或 器件, 它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号, 从而可以进行检测。 把气体传感器技术引入血液酒精浓度的测试中,为血液酒精浓度的测试探索一种 全新的检测方法。 气体传感器属于半导体式气体传感器, 由一种非接触型、经钝化改性处理的 气敏元件构成 , 利用挥发性酒精成份从溶液中单向简单扩散的特性及汽液平衡 关系, 测量气相浓度 , 进而推算出液相浓度。探头的输出信号在一定的精度下 , 反映了血液酒精浓度。[5]
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对传感器的认识
国家标准（GB7665-87）对传感器下的定义是：能感受规定的被测量并按一 定规律将其转换成有用信号输出的器件或装置，称为传感器（Sensors） 。 从传感器的作用来看，实质上就是代替人体的 5 种感觉(视、听、触、嗅、 味)器官的装置。人们把外界信息通过五官接收进来，传递给大脑，在大脑中处 理信息，作出一个“结果” ，发出指令。 在电子设备中完成这一过程时，电子计算机相当于大脑，传感器作为电脑的 五官，就象人的眼、耳、鼻、舌、皮肤那样可以收集各种信息，这些信息送入电 脑后，由电脑进行判断处理，并发出各种控制信号去控制执行机构，从而满足各 种社会需要。 传感器通常由敏感元件和传感元件组成。敏感元件是直接感受被测非电量， 并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其他量(一般仍为非电量)的元件。传 感元件又称为变换器，是能将敏感元件输出的非电量直接转换成所需信号(一般 为电参量)的元件，例如应变式压力传感器中的弹性膜片就是敏感元件，而电阻 应变片就是传感元件。 敏感元件与传感元件也可两者合二为一，称为一次传感元件，它能直接输出 电量。如压电晶体、热电偶、热敏电阻、光学器件，它们直接感受被测量而输出 与之成确定关系的电量。 一些新型的集成电路传感器将敏感元件、传感元件以及 信号处理电路集成为一个器件。[1] 其中，我们主要了解了以下五种常见的传感器：热电阻、热电偶、光电传感 器、人体血氧含量的测量探头、酒精传感器。
依据。 红外光可以透过人体组织， 但会被血液吸收。由于动脉会产生和心跳周期相 同的搏动， 会使血管内的血液容积改变。这样血液容积的变化会改变人体对光的 吸收，可以用此特性来标记动脉的搏动。 方法①： 手指指尖处血管丰富， 当红光从一侧摄入时， 由于容积脉搏血流的变化， 造成透光率的变化，用光敏器件在指尖的另一侧可以取得脉搏的搏动 信号。 方法②：人体耳垂组织可以分成皮肤、肌肉等非血液组织和血液组织，其中非血 液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对于动脉 血是十分微弱的，可以忽略，因此可以认为光透过耳垂后的变化仅由 动脉血的充盈而引起的，那么在恒定波长的光源的照射下，通过检测 透过耳垂的光强的变化就可以间接测量到人体的脉搏信号。[3] 但是由于实验限制， 考虑到用耳垂组织总是有诸多不便， 不及用手指测量来 的方便，我们就选择了方法①，利用手指作为人体较薄的组织，这样有利于测得 人体脉搏信号。
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目录
对传感器的认识....................................................................................................................... 2 选题意义................................................................................................................................... 8 检验方法................................................................................................................................... 8 实验内容................................................................................................................................... 9 设计方案................................................................................................................................... 9 电路调试及测试结果与分析 ................................................................................................. 18 总结与自我评价..................................................................................................................... 21 参考文献................................................................................................................................. 21
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选题意义
脉搏是人体的一项重要的生理指标。 在每一个心动周期中心室的收缩和舒张， 可引起动脉扩张和回缩， 这种发生在主动脉根部的搏动波可沿着动脉壁依次向全 身各动脉传播，这种由节律的动脉搏动，称为脉搏。在手术室暴露动脉可以直接 看到这种搏动。用手指也能摸到身体浅表部位的脉搏。脉搏的强弱与心输出量、 动脉的可扩张性和外周阻力有密切关系。因此，脉搏是反映心血管功能的一项重 要指标。祖国医学历来十分重视通过切脉来诊断疾病。现代医学上，脉搏更是判 断病人是否休克、心力衰竭的重要依据。 临床意义： 医院的护士们每天要给住院的病人把脉记录病人每分钟的脉搏数， 这样的工 程十分浩大繁杂， 所以我们设计的脉搏的测量仪，如果应用在临床上将对目前的 状况十分有利，同时也开辟了一条全新的医学诊断方法。 目前脉搏测量仪在多个领域广泛应用，除了应用于医学领域，如无创心血管 功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等，商业应用也在不断拓展，如 运动、健身器材中的心率测试都用到了技术先进的脉搏测量仪。 应用前景： 近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器， 这类传感器的重要特征是 测量的探测部分不侵入机体， 不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误 差，测量精度高，通常在体外，尤其在体表间接测量人体生理和生化参数。 其中光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器， 通过手指末端 透光度的检测，间接检测出脉搏信号，具有结构简单、无损伤、精度高、可重复 使用等优点。
SaO2 O2 Hb 100% 是呼吸循环的重要生理参数。而功能 O2 Hb Hb COHb MetHb
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性氧饱和度为 HbO2（氧合血红蛋白）浓度与 HbO2（氧合血红蛋白）+Hb（还原 血红蛋白）浓度之比： Functional SaO2
O2 Hb 100% ，有别于氧合血红 O2 Hb Hb
（数据见附表） 采集数据时，采集了 3 组数据，就是为了减少随机误差，所以数据处理的时 候我把三组数据取了均值，做出了如上的折线图。 普通 Excel 折线图就能清楚的看出来，热电阻产生的电流值随温度是线性变 化的，变化率大概在 0.38mA/摄氏度。
热电偶
工作原理： 热电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换 成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。 热电偶测温基本原理:将两种不同材料的导体或半导体 A 和 B 焊接起来，构 成一个闭合回路。当导体 A 和 B 的两个执着点 1 和 2 之间存在温差时，两者之
热电阻
工作原理： 几乎所有物质的电阻率都随其本身温度变化而变化， 这一物理现象称为热电 阻效应。 温度升高， 金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过
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传感器Hale Waihona Puke Baidu计实验
金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正 温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。 而热电阻就是利用了热电阻效应做成的温度传感器。 性能测试：
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间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应（温 差电现象或塞贝克效应） 。热电偶就是利用这一效应来工作的。 热电偶温度测量原理是看在了回路中所产生的电动势，叫热电势，热电势包 括两部分：接触电势和温差电势。 性能测试：
（数据见附表） 采集数据时，采集了 3 组数据，就是为了减少随机误差，所以数据处理的时 候我把三组数据取了均值，做出了如上的折线图。 普通 Excel 折线图就能清楚的看出来，热电偶两端产生的电压值随温度是线 性变化的，变化率大概在 0.04mV/摄氏度。
在没有东西遮挡的情况下， 发光二极管的红外线和发射光电三极管的红外线 接受都非常好，三极管基本没有产生什么分压，电流达到最大。在有东西阻挡的 时候，三极管产生的电流逐渐减小，而减小的多少，主要看遮挡物的厚薄与透光 程度。
血氧传感探头
工作原理： 动脉血氧饱和度指在全部动脉血容量中， 被血红蛋白结合的氧容量占全部可 结 合 氧 容 量 的 百 分 比 ， 血 氧 饱 和 度 分 数 F r a c t i o n a l
检验方法
容积脉搏血流是指存在于外周血管中的微动脉、 毛细血管和微静脉内流过的 血液。 该部分微血管的血液在心脏搏动下呈脉动性变化。当心脏收缩时血液容积 增大，而在心脏舒张时容积最小，它可以动态的反映脉搏的波动。如果把这样的 信号用电子产品测量出来可以为医生的诊断提供方便， 也可以为病人的自检提供
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光电传感器
工作原理： 由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的, 按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开 关)式光电传感器. 模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流 ,它与
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被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透 射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光 路中,恒光源发出的光能量穿过被测物 ,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上 ; 所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投 射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份, 使投射到光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关。 性能测试：
蛋白所占百分数。血氧探头就是应用 Lambert-Beer 定律制作成的。 图 3.6 为血氧探头的发光驱动电路，当 U red 为高电平时，U ired 为低电平，红 光发光二极管亮；当 U ired 高电平时， U red 为低电平，红外发光二极管亮。 血氧传感探头是将光信号通过硅光管转化为电流信号。但是，电流信号处理 起来不方便，所以需要将电流信号转换为电压信号，然后对电压信号进行处理。 可以采用反相放大电路来完成电流电压转换。电路如图 3.7 所示：[2]