脉搏感应传感器_一文读懂光电式脉搏传感器的原理

1引言人体心室的周期性收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血压以波的形式从主动脉根部沿整个动脉系统传播，称为脉搏波。脉搏波在形状、强度、速度和节律等方面的综合信息，在很大程度上反映了人体心血管系统的许多生理和病理血流特征。传统的脉诊采用的是脉诊方法，中医脉诊技术是中医脉诊的有效应用，但由于人为因素，测量精度不高。无创测量又称无创测量或间接测量，其特点是测量的检测部分不会侵入人体，不会对人体造成创伤。通常是在体外间接测量人体的生理生化参数，尤其是在体表测量[1]。生物医学传感器是获取生物信息并将其转换成易于测量和处理的信号的关键器件。光电脉搏传感器是基于光电容积法的脉搏传感器。通过监测手指末端的透射率可以间接地检测到脉搏信号。该光电脉搏传感器结构简单、无损伤、重复性好。本文论述了光电脉搏传感器的设计与实现。2光电脉冲传感器的原理和结构2.1光电脉冲传感器的原理根据朗伯-比尔定律，物质在某一波长的吸光度与其浓度成正比。当恒定波长的光照射人体组织时，人体组织吸收和反射衰减后测得的光强在一定程度上反映了被照射组织的结构特征。脉搏主要是由人体动脉的舒张和收缩产生的。在人的指尖，组织中动脉成分的含量较高，指尖的厚度相对于其他人体组织较薄，穿过手指后检测到的光强也比较大，所以光电脉搏传感器的测量位置通常在人的指尖。

手指组织可分为皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收是恒定的，而在血液中，静脉血的脉搏相对于动脉血非常微弱，可以忽略不计。因此，可以认为光通过手指后的变化只是动脉血液充盈所致，因此可以通过检测恒定波长的光源照射下通过手指的光强来间接测量人体的脉搏信号。2.2光电脉搏传感器的结构光源发出的光不仅被手指组织吸收，还有一部分被血液的漫反射返回。剩下的就传输了。光电脉搏传感器按受光方式可分为两种[2]，发射光源与光敏接收器件的距离相等且对称布置，接收发射光。这种方法能很好地反映心律的时间关系，但不能准确测量血容量的变化；反射发射光源和光敏器件位于同一侧，并接收从血液漫反射的光。这个信号可以精确地测量血管内部容积的变化。本文讨论的是透射式脉搏传感器，重点是脉搏信号的测量。

3光电脉冲传感器的制作3.1光电脉冲传感器由于采用了不同的光敏元件，所以实现的方式有很多种，其中光敏元件主要有光敏电阻、光电二极管、光电晶体管和硅光电池。传统的光电脉搏传感器设计中，通常采用独立的光敏元件，输出电流受半导体和光电效应的影响而变化，通常光敏元件的输出电流极低。容易受外界干扰，对后续放大器要求严格。放大器空载时的电流输出必须很小，以避免放大器输出电流对脉搏信号测量的干扰，从而使ordi

本文采用了一种新型光敏元件opt101[3]，将光敏元件和放大器集成在同一芯片上。这种集成设计方式有效克服了后端运算放大器空载电流输出对光敏元件输出电流的影响，芯片输出的电压信号可以通过外部精密电阻调节，有利于芯片适应整体电路设计，芯片的集成设计也可以降低系统的功耗。