脉搏波的检测
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第一章 绪论
脉搏波中蕴藏着极丰富的心血管系统生理病理信息。大量的临床实测结果证实，脉搏波的波形特征与心血管生理状态有着密切的关系。脉搏波所表现出的形态（波的形状）、强度（波的幅值）、速率（波的速度）与节律（波的周期）等方面的综合信息的确在相当程度上反映出人体心血管系统的许多生理和病理特征。而在脉搏波检测过程中，传感器是检测的第一步，因此传感器的检测方式是检测的重要环节。有良好的传感检测方式，对于采集的信号的准确度，以及对于信号的进一步处理都有重要意义。
光敏电阻受光照后，其阻值会变小。用来制作光敏电阻的典型材料有硫化镉(CdS)及硒化镉(CdSe)两种。光敏电阻的CdS或CdSe沉积膜面积越大，其受光照后的阻值变化也越大，故通常将沉积膜做成“弓”字形，以增大其面积。光敏电阻工作时的响应速度较慢，如CdSe光敏电阻的响应时间约为10ms，CdS的响应时间约为100ms。因此，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。
光电流Il（mA）
峰值波长（A）
最大功耗Pm（mw）
开关时间
环境
温度
℃
tτ
td
ti
to
3DU11
≥15
≥10
≤0.3
0.5-1.0
8800
30
≤3
≤2
≤3
≤1
-40~+125
3DU12
≥45
≥30
50
3DU13
≥75
≥50
100
3DU21
≥15
≥10
1.0-2.0
30
3DU22
≥45
≥30
50
3DU23
（3）复杂且易变的随机信号
脉搏信号因人体生理、病理、心理的不同而不同，用受环境、时间、气候的影响，表现出一个人在不同时间、地点有不同的脉象。有时也会有不同疾病表现出统一脉。由于脉搏信号的复杂性和变异性，一方面使得我们较难直接从观测结果总结信号的特征和规律；另一方面，在有些情况下，有些有用的信息恰恰蕴藏在变异性中。我们研究脉搏信号的主要任务就是提取脉搏信号并加以处理，并由此分析、推演出所需要的信息，供医生准确的诊断出疾病。
在此我们采用的是光敏元件来检测脉搏波。
第二章 光敏元件
基于半导体光电效应的光电转换传感器，又称光电敏感器。采用光-电转换技术能实现无接触、远距离、快速和精确测量，因此半导体光敏元件还常用来间接测量能转换成光量的其他物理或化学量。半导体光敏元件按光电效应的不同而分为光导型和光生伏打型（见光电式传感器）。光导型即光敏电阻，是一种半导体均质结构。光生伏打型包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电场效应管和光控可控硅等，它们属于半导体结构型器件。半导体光敏元件的主要参数和特性有灵敏度、探测率、光照率、光照特性、伏安特性、光谱特性、时间和频率响应特性以及温度特性等，它们主要由材料、结构和工艺决定。半导体光敏元件广泛应用于精密测量、光通信、计算技术、摄像、夜视、遥感、制导、机器人、质量检查、安全报警以及其他测量和控制装置中。例如：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管，它们的特性如下：
图1-1是一个典型的脉搏波信号，从中我们可知脉搏信号具有如下特点：
图1-1 一个典型的脉搏波信号
（1）强干扰下的微弱信号
脉搏信号幅度很小，大约是uv到mv的数量级范围。因此，极容易引入干扰，这些干扰有些来自50hz的工频干扰,有来自肌体抖动、精神紧张带来的假信号等。
（2）频率低但能量相对集中的信号
人体的脉搏频率非常低，约为0.5~10hz，一般情况下为1hz左右，脉搏信号可看成一个准直流信号，也可以看成一个甚低频交变信号。根据脉搏功率普能量分析，健康人的脉搏能量绝大部分分布于1~5hz，而病人脉搏在1hz以下和较高频段。
放大倍数的选择：
LM324简介：
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。其管脚连接图如图3-3所示。
这里我们采用的是3DU硅光敏三极管，3DU系列硅光敏三极管适用于近红外光探测器、光耦合、编码器、特性识别电路、过程控制电路及激光接收电路等。3DU系列硅光敏三极管的主要特性参数见表3-1。
表3-13DU系列硅光敏三极管主要特性参数
Байду номын сангаас型号
反向击穿电压Vce（v）
最高工作电压Vrm（v）
暗电流Io(uA)
30
-40~+85
3DU012
≥45
≥30
50
3DU013
≥75
≥50
100
第三章 脉搏信号检测的电路设计
由脉搏信号非常小所以我们首先要将采集的信号进行放大，然后要经过一个滤波电路将干扰信号滤除，才能将脉搏信号直观显现出来，其原理框图见图3-1。
图3-1 脉搏信号处理的原理框图
3.1 信号放大电路
脉搏传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要进放大。所以，设计信号负反馈放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。选用如图3-2所示的反相放大电路，运算放大器采用LM324。
光敏二极管是根据硅PN结受光照后产生的光电效应原理制成的。光敏二极管工作于反向偏压下，其光谱响应特性主要由半导体材料中所掺的杂质所决定。光敏二极管的最大工作频率为几十MHz。
光敏三极管也是利用硅PN结的光电效应制成的。光敏三极管使用时，其基极通常开路，基极－集电极产生的光感生电流直接馈入基极，并被光敏三极管自己所放大，因此光敏三极管的灵敏度比光敏二极管大得多，通常要大100多倍。光敏三极管的最大工作频率只有几百kHz。此外，还有用两个光敏三极管制成的达林顿式光敏三极管，这种器件的灵敏度又要比光敏三极管高十倍，但其最大工作频率更低，只有几十kHz。
目前，脉搏波检测的方式很多，主要有如下几种：按照检测位置分类，可以分为耳脉检测、肱动脉脉搏检测、桡动脉脉搏检测和指端脉搏检测；按照检测方法分类，可以分为压力脉搏波检测和容积脉搏波检测；而按照传感器的不同，压力传感器包括应变式、压电晶体式、压阻式、气压式（袖套）等类型，光电传感器又有透射式和反射式等类型设计制作的传感器。
≥75
≥50
100
3DU31
≥15
≥10
>2.0
30
3DU32
≥45
≥30
50
3DU33
≥75
≥50
100
3DU51A
≥15
≥10
≤0.2
≥0.3
30
-55~+125
3DU51
≥0.5
3DU52
≥45
≥30
3DU53
≥75
≥50
3DU54
≥45
≥30
≥1.0
3DU011
≥15
≥10
≤0.3
0.05-0.1
脉搏波中蕴藏着极丰富的心血管系统生理病理信息。大量的临床实测结果证实，脉搏波的波形特征与心血管生理状态有着密切的关系。脉搏波所表现出的形态（波的形状）、强度（波的幅值）、速率（波的速度）与节律（波的周期）等方面的综合信息的确在相当程度上反映出人体心血管系统的许多生理和病理特征。而在脉搏波检测过程中，传感器是检测的第一步，因此传感器的检测方式是检测的重要环节。有良好的传感检测方式，对于采集的信号的准确度，以及对于信号的进一步处理都有重要意义。
光敏电阻受光照后，其阻值会变小。用来制作光敏电阻的典型材料有硫化镉(CdS)及硒化镉(CdSe)两种。光敏电阻的CdS或CdSe沉积膜面积越大，其受光照后的阻值变化也越大，故通常将沉积膜做成“弓”字形，以增大其面积。光敏电阻工作时的响应速度较慢，如CdSe光敏电阻的响应时间约为10ms，CdS的响应时间约为100ms。因此，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。
光电流Il（mA）
峰值波长（A）
最大功耗Pm（mw）
开关时间
环境
温度
℃
tτ
td
ti
to
3DU11
≥15
≥10
≤0.3
0.5-1.0
8800
30
≤3
≤2
≤3
≤1
-40~+125
3DU12
≥45
≥30
50
3DU13
≥75
≥50
100
3DU21
≥15
≥10
1.0-2.0
30
3DU22
≥45
≥30
50
3DU23
（3）复杂且易变的随机信号
脉搏信号因人体生理、病理、心理的不同而不同，用受环境、时间、气候的影响，表现出一个人在不同时间、地点有不同的脉象。有时也会有不同疾病表现出统一脉。由于脉搏信号的复杂性和变异性，一方面使得我们较难直接从观测结果总结信号的特征和规律；另一方面，在有些情况下，有些有用的信息恰恰蕴藏在变异性中。我们研究脉搏信号的主要任务就是提取脉搏信号并加以处理，并由此分析、推演出所需要的信息，供医生准确的诊断出疾病。
在此我们采用的是光敏元件来检测脉搏波。
第二章 光敏元件
基于半导体光电效应的光电转换传感器，又称光电敏感器。采用光-电转换技术能实现无接触、远距离、快速和精确测量，因此半导体光敏元件还常用来间接测量能转换成光量的其他物理或化学量。半导体光敏元件按光电效应的不同而分为光导型和光生伏打型（见光电式传感器）。光导型即光敏电阻，是一种半导体均质结构。光生伏打型包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电场效应管和光控可控硅等，它们属于半导体结构型器件。半导体光敏元件的主要参数和特性有灵敏度、探测率、光照率、光照特性、伏安特性、光谱特性、时间和频率响应特性以及温度特性等，它们主要由材料、结构和工艺决定。半导体光敏元件广泛应用于精密测量、光通信、计算技术、摄像、夜视、遥感、制导、机器人、质量检查、安全报警以及其他测量和控制装置中。例如：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管，它们的特性如下：
图1-1是一个典型的脉搏波信号，从中我们可知脉搏信号具有如下特点：
图1-1 一个典型的脉搏波信号
（1）强干扰下的微弱信号
脉搏信号幅度很小，大约是uv到mv的数量级范围。因此，极容易引入干扰，这些干扰有些来自50hz的工频干扰,有来自肌体抖动、精神紧张带来的假信号等。
（2）频率低但能量相对集中的信号
人体的脉搏频率非常低，约为0.5~10hz，一般情况下为1hz左右，脉搏信号可看成一个准直流信号，也可以看成一个甚低频交变信号。根据脉搏功率普能量分析，健康人的脉搏能量绝大部分分布于1~5hz，而病人脉搏在1hz以下和较高频段。
放大倍数的选择：
LM324简介：
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。其管脚连接图如图3-3所示。
这里我们采用的是3DU硅光敏三极管，3DU系列硅光敏三极管适用于近红外光探测器、光耦合、编码器、特性识别电路、过程控制电路及激光接收电路等。3DU系列硅光敏三极管的主要特性参数见表3-1。
表3-13DU系列硅光敏三极管主要特性参数
Байду номын сангаас型号
反向击穿电压Vce（v）
最高工作电压Vrm（v）
暗电流Io(uA)
30
-40~+85
3DU012
≥45
≥30
50
3DU013
≥75
≥50
100
第三章 脉搏信号检测的电路设计
由脉搏信号非常小所以我们首先要将采集的信号进行放大，然后要经过一个滤波电路将干扰信号滤除，才能将脉搏信号直观显现出来，其原理框图见图3-1。
图3-1 脉搏信号处理的原理框图
3.1 信号放大电路
脉搏传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要进放大。所以，设计信号负反馈放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。选用如图3-2所示的反相放大电路，运算放大器采用LM324。
光敏二极管是根据硅PN结受光照后产生的光电效应原理制成的。光敏二极管工作于反向偏压下，其光谱响应特性主要由半导体材料中所掺的杂质所决定。光敏二极管的最大工作频率为几十MHz。
光敏三极管也是利用硅PN结的光电效应制成的。光敏三极管使用时，其基极通常开路，基极－集电极产生的光感生电流直接馈入基极，并被光敏三极管自己所放大，因此光敏三极管的灵敏度比光敏二极管大得多，通常要大100多倍。光敏三极管的最大工作频率只有几百kHz。此外，还有用两个光敏三极管制成的达林顿式光敏三极管，这种器件的灵敏度又要比光敏三极管高十倍，但其最大工作频率更低，只有几十kHz。
目前，脉搏波检测的方式很多，主要有如下几种：按照检测位置分类，可以分为耳脉检测、肱动脉脉搏检测、桡动脉脉搏检测和指端脉搏检测；按照检测方法分类，可以分为压力脉搏波检测和容积脉搏波检测；而按照传感器的不同，压力传感器包括应变式、压电晶体式、压阻式、气压式（袖套）等类型，光电传感器又有透射式和反射式等类型设计制作的传感器。
≥75
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3DU31
≥15
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