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1、 学校代码：6155 学 号：202150712210 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 文献翻译 题 目 数字脉搏测试仪的设计与实现学生姓名 X X X 专业班级 电气工程及其自动化 学 号 202150712210 系 部 电气信息工程系 指导教师(职称) X X讲师 完成时间 2021年 2 月 17 日 压电薄膜脉搏传感器及电路设计 脉诊具有 2600多年临床实践 ,是我国传统中医四诊中的精髓。脉搏信息在中医、西医中都有着十分重要意义。在传统中医脉诊中 ,切脉技巧复杂难以掌握和运用 ,医生主观因素影响也较大 , 随着科学技术的开展 , PVdF (聚偏二氟乙
2、烯)压电薄膜的研制确定了不同的脉象仪用于脉诊的客观化，本设计的脉象仪传感器的敏感局部是人手指。本文将从模拟中医脉诊的角度 ,研制了 PVdF压电位体积能获得大的输出功率。因为换能器单位体薄膜传感器 ,并应用于脉象仪研究。积最大输出功率正比于机电耦合系数和能承受的定量化已成为中医诊断的必然趋势。几十年来 ,国家选择 PVdF压电薄膜 ,因为它有如下几个的优点：首先，膜轻且柔韧 ,易于制备 ,与人体组织的阻抗耦合性好 ,能紧贴皮肤 ,使得脉搏信号通过薄膜而不失真。另外由于薄膜类似于人类皮肤 ,可以制作仿生触觉传感器。压电常数大 ( d33 = 20 pC/ N) ,变力易于研究 ,但从研制情况看
3、,大局部传感器不能模拟中敏度。比石英晶体高 10倍 ,压电电压输出常数切脉时所取三部 ,按、浮、寸三种诊法，g = 174是所有压电体中最高的。检测脉搏信号 ,主要靠压力定标 ,适用性不够好。其次，机械品质因素低 ,阻尼小 ,密度低 ,具有宽带特性 ,能满足脉搏信号的频率特性。在非常高的交变电场中不至于去极化。由于 PVdF膜的柔性及其厚度方向伸缩振动的谐振频率很高 ,使得在很宽范围内有平坦的频率。基于 PVdF膜的以上优点 ,根据中医切脉模式 ,我们研制出了三点式的传感器 ,三个换能器分别由 PVdF薄膜作成正方形片状 ,面积相当于切脉时指腹的受力面积，在压电薄膜电荷生成的两极分别蒸镀铝电极
4、并引出导线 ,用柔性有机塑料薄膜封装并做成圆形基片，装在一根表带上。考虑到患者体征、老幼等因素 ,三个换能器独立地对应于按、浮、寸三个部位 ,且能在表带上纵横调节。测量时表带束在腕部，医生手指对应的放大三个换能器即可。医生可以透过薄片感觉到脉搏的波动。根据浮、中、沉模式把脉过程中可以人为地控制力度，做到因人而异克服以往缸体换能器压力定标所取浮缺乏。当周期性脉搏压力作用在换能器上时，将机械能转换为电能。脉象频谱分析说明脉象能谱中 99 %的能量集中在 10 Hz以下 ,最高频率不超过 40 Hz。调实现与微机的通信。PVdF压电薄膜换能器是本设计中的敏感部件 ,也是设计的关键环节之一 ,作用是能
5、模拟其中人的压觉 ,将微弱低频的脉搏压力信号转换成电信号。设置前置电荷放大器作用有二 :一是与换能器阻抗匹配 ,把高阻抗输入变为低阻抗输出；二是将微弱电荷转换成电压信号并放大。为了提高测量的精度和灵敏度 ,前置放大电路采用了线性修正的电荷放大电路 ,以获得较低的下限频率 ,消除电缆的分布馈电容。电容对灵敏度的影响 ,使设计的传感器体积小型化。第一个低通滤波电路由 R1和 C1组成，截止频率约为1000Hz ,以使脉搏信号的高次谐波能通过 ,让脉搏信号反映的病理性特征信息得到完整的保存。同时该上限截止频率和时间常数电路(由 C2和 R2组成)还会决定性地影响脉搏波形的失真度。如果电路的时间常数选
6、得过小 ,会造成信号的低频分量严重衰减和移相。实验说明 ,当时间足以保证脉搏波的低频分量不会失真。电压放大器主要是对电荷放大器输出的电压信号放大。并提供不同的增益。根据我们的经验 ,设置上限截止频率为 100Hz比拟理想。工频陷波器环节是为了滤除市电 50HZ干扰。电容应选钽电容作补偿电容，对市电噪声采取了硬件工频陷波和软件滤波并用的措施 ,实验证明 ,利用数字滤波技术 ,对工频干扰信号的抑制效果较好，对电磁信号抑制主要采取了两种方法,一是对信号线进行屏蔽 ,二是设计四阶巴特沃斯低通滤波器 ,截止频率为 100 Hz。对于人体的抖动噪声主要是通过软件滤波加以滤除 ,主要是采用了防脉冲干扰平均值
7、滤波法。该算法在凌阳单片机内实现 ,其根本思想是把测量得到的 256个数据看成一队列 ,每进行一次新的测量 ,就把测量结果放入队尾 ,而剔除原来队首的一次数据 ,这样在队列中始终有256个“最新数据 ,对 256个数据逐个比拟大小 , 去掉其中的最大值和最小值 ,然后计算 254个数据的平均值。这种滤波方法对周期性干扰有良好的抑制作用 ,还能对滤除脉诊过程中人体偶尔的抖动产生的干扰。实验中发现 ,尽管人的体温根本保持恒定 ,但手腕部位皮肤外表的温度受外界温度变化的影响仍很大 ,而且手腕部位皮肤与传感器外表的温差也会给测量带来很大影响 ,需要消除温度效应利用人体脉搏 (1 Hz左右)热电噪声信号
8、。 由于人体的脉搏信号具有频率低、幅度小干扰大，不稳定度低，随机性强等特点，使得对脉搏信号的采集放大电路的设计提出了很严格的要求，尤其是抗干扰变为十分重要，需要设计低通滤波器进行滤波。选择放大器时需要从增益、频率响应，输入阻抗，共模抑制比，噪声，漂移等几个方面加以综合考虑。1抗干扰首先，工频50HZ干扰及其各次谐波使用频率为50HZ的市电的电子仪器设备会对检测系统会产生较大的干扰，其幅值大约是脉搏信号峰峰值的50%,是主要的干扰源；其次，肌电干扰肌肉的收缩会产生微伏级的电势，其幅值大约是脉搏信号峰峰值的10，维持时间大约是50ms，频带范围可以在0HZ10000HZ；再次，由于呼吸引起的基线漂
9、移和ECG幅度变化呼吸引起的基线漂移可以看成是一个以呼吸的频率参加ECG信号的窦性成分正弦曲线，这个正弦成分的幅度和频率是变化的。呼吸所引起的ECG信号的幅度的变化可以到达15。基线漂移的频率是从0.150.3HZ。（2） 低噪声、低漂移在脉搏信号放大器中，由于增益较高，噪声和漂移是两个较重要的参数。脉搏信号放大器运行过程中的噪声主要表现为电子线路的固有热噪声和散粒噪声，这些都属于白噪声，其幅值为正态分布。为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格要求。另外，温度变化会造成零点漂移，漂移现象限制了放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法被放大。而脉搏信号具有很低的频率成分，为了能
10、正常测量，必须采取措施来限制放大器的漂移。所以放大器应选用低漂移，高输入阻抗并且具有高共模抑制比的集成运放电路。其它传感器的比拟首先，压电式传感器目前常用的是一次性心电电极,它是用印刷方法制得的Ag/ Agcl传感器。这种传感器采用接扣与敏感区别离的方法,能明显的减少由于人体运动产生的干扰。电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用,采用的电极应有贴力强,能紧附在人体外表,柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特点。中选用电极传感器时,需要3个电极分别置于左右手和左腿,构成标准导联。临床上为了统一和便于比拟所获得的脉搏信号,在检测脉搏信号时,对电极的位置,引线与放大器的连接方式都有严格的
11、统一规定。目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器,其灵敏度高,频带范围好,结构简单,便于使用。当手指前端受到轻微的压力时，可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉，将这个信号用传感器提取出来，转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以获得人体的脉搏信号。其次，光电式传感器血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。反向偏压的光敏二极管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透光度随心搏改变时，将使光电三
12、极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。常用检测脉搏的光电传感器分为红外对管和红外放射管。采用红外对管，将对管夹于手指端部，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比拟等处理便可以得到理想的信号。采用反射式的红外管。现在市场上的心率计普遍采用这种传感器来采集信号，因为此红外管接收和发射都在手指的同一侧，因此便不用考虑每个人手指情况不同所造成的麻烦。接收的是血液漫反射回来的光，此信号可以精确地测得血管内容积变化。再次，集成传感器当前,市面上有很多类型的集成心电传感器,其灵敏度高,集成度高,直接就可以反映出心率
13、的变化,且已包含了滤波等抗干扰电路,波形经过放大可以直接处理使用。缺点是价格非常昂贵，一般均在五百元以上，就本次设计来说，考虑到经费以及锻炼自己的目的，不选择使用该型传感器。光电式优点是灵敏度高，易于操作,响应速度快，结构简单。但缺点是1、外部光源的变化对测量结果的影响较大；2、需要购置专门的医用光电传感器，价格较贵且不易购置；3、对这样的器件接触很少，对其进行调试时可能会出现较大困难。压电式优点是结构简单，实时性好，工作频带宽，应用电路简单，且价格低廉。但缺点是直接与人体相接触，容易因为人体肌肉的颤抖等而产生干扰，并且容易受到外界其他信号的干扰。集成式优点是集成度高,包含了滤波,放大电路,可
14、以直接输出信号,便于操作,有效的减少了各种干扰。但缺点降低了本任务的难度,如果采用该传感器，只需将其直接接上单片机即可实现功能，且价格非常昂贵。考虑到种种情况，结合本系统的设计要求以及经费的考虑，最终选择压电薄膜脉搏传感器。该传感器价格较低，而且输出电压变化较为明显，可以实现我们的实验目的。压电薄膜脉搏传感器包括三个局部，镀银层、压电陶瓷以及铜片。外部压力作用于铜片时，压电陶瓷就可以感受压力而产生电信号，并最终通过镀银层将该信号输出。在使用时，压电陶瓷片要通过导线与电路板连接,注意在焊接压电陶瓷片时,时间不能太长以免烫坏压电陶瓷片的镀银层。由于压电陶瓷片的资料比拟少，为了确定使用该传感器能够实现本次设计的目的，先要对其进行实验，来确定它的输出电压是否符合要求。由于只需要4mv-5mv左右的电压输出，就可以实现设计要求。由试验，可以得知压电陶瓷片可以实现我们所要到达的目标。整体电路分析经实验可知,采用GaAs红外发光二极管作为光源时，可根本抑制由呼吸运动造
