光電檢測實驗報告

1、作者:日期:光電檢測技術(shù)課程設(shè)計光電脈搏檢測電路 題目：小組人員姓名：專業(yè)：班級：小組人員學號：指導(dǎo)教師：年 月曰光電脈搏檢測電路摘要：本電路由光電池、放大器等構(gòu)成，實現(xiàn)對光電脈搏信號的提取和放大。采 用目前效果較好光電池的電流轉(zhuǎn)電壓電路實現(xiàn)對脈搏的測量。整個電路的簡化能夠有效減小器件間匹配和級聯(lián)引起的干擾，提高脈搏測量精度。在實驗測試過程 中，采用該光電式脈搏傳感器對人體的脈搏進行實時測量，得到比較理想的脈搏波形，為實現(xiàn)脈搏信息的提取和分析提供了參考方案。一、系統(tǒng)設(shè)計1. 系統(tǒng)目標設(shè)計及意義設(shè)計制作一個光電脈搏測試儀，通過光電式脈搏傳感器對手指末端透光度的 監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號，并在顯示

2、器上顯示所測的脈搏跳動波形，要求測量穩(wěn)定、準確、性能良好。2. 設(shè)計思想(1) 傳感器：利用指套式光電傳感器，指套式光電傳感器的換能元件用硅光 電池，由于心臟的跳動，引起手指尖的微血管的體積發(fā)生相應(yīng)的變化 (當心臟收縮 時，微血管容積增大；當心臟舒張時，微血管容積減少)，當光通過手指尖射到 硅光電池時，產(chǎn)生光電效應(yīng)，兩極之間產(chǎn)生電壓由于指尖的微血管內(nèi)的血液隨著 心臟的跳動發(fā)生相應(yīng)于脈搏的容積變化，因而使光透過指尖射到硅光電池時也發(fā) 生相應(yīng)的強度變化，而非血液組織(皮膚、肌肉、骨格等)的光吸收量是恒定不變 的，這樣就把人體的脈搏(非電學量)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)于脈博的電信號，方便檢測。(2) 按正常人脈搏

3、數(shù)為6080次/min，老人為100150次/min，在運動后最高 跳動次數(shù)為240次/ min設(shè)計低通放大器。5Hz以上是病人與正常人脈搏波體現(xiàn)差 異的地方，應(yīng)注意保留。(3) 測量中考慮到并要消除的干擾有： 環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響、電磁 干擾對脈搏傳感器的影響、測量過程中運動的噪聲還有 50 Hz干擾。(4) 由于透過指尖射到硅光電池的光強很小，輸出短路電流約為0.1uA3 uA,所以總共放大106倍以便于觀察。傳感器得到的脈搏信號極為微弱，很容易淹沒 在噪聲及干擾信號之中，所以對取得的微弱信號先進行放大后再濾波。設(shè)計兩極放大，因為三級放大個別電路板的零點漂移大得足以達到滿幅，測量不

4、準確。每個單級放大器的放大倍數(shù)不大于30，以免自激振蕩。3. 整體框圖光電信號轉(zhuǎn)換電路LL 一級反向比k収大電路本系統(tǒng)共分為三個模塊:一一階低通放大電路方框圖中各部分的作用是：（1）傳感器：將脈搏的跳動轉(zhuǎn)換為電壓信號，放大 104倍。（2）一級放大電路：對微弱信號進行放大，放大約 5倍（3） 二階低通濾波電路：濾除干擾信號并進一步放大，再放大 20倍4. 單元電路的設(shè)計（光發(fā)射電路光發(fā)射電路采用了常見恒流源電路，通過穩(wěn)壓管使流過 流過LED的電流為恒定值。R1的電流為一定值，進而保證5V vcc :R9 39QQ :LED1丑曽-:12： ： J圖1光發(fā)射電路(2) 光電信號轉(zhuǎn)換電路1uF:R

5、2 . AA/V 20kQ圖2光電信號轉(zhuǎn)換電路如圖，換能元件為硅光電池(由于軟件仿真沒有硅光電池， 故用一個交流信 號源代替)，脈搏信號的拾取實際上是光透過指尖射到硅光電池時發(fā)生相應(yīng)的強 度變化,從而產(chǎn)生硅光電池電流的微弱變化，再經(jīng)過放大而得到的。所拾取的信 號為電壓信號。電路的輸出為：Vi ig?RiR1過大，穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生漂移誤差，影響增益精度，考慮到靈敏度和線 性度的協(xié)調(diào)，選R1=2OKQ，使得輸出達到mV級。為了抑制高頻干擾和消除運放輸 入偏置電流的影響，接入電容0、電阻F2和電容Q，電容的取值是基于脈搏信號 的頻率考慮。(3) 級反向放大電路10nF1：0DkG：T4:.:20I

6、CGU24-OPAMP 3TVIRTUALOf:圖3 一級反向放大電路為了與前面匹配，并使選用器件簡便， 選擇R3=20KQ,為滿足放大5倍，選 用 F4=100KQo得理想放大倍數(shù)H=-R4/R3=-5倍C3用來隔直；C4用以防止放大器自激并起到低通作用，為了不影響有用信 號又能濾掉50HZ干擾，0不能太大也不能太小，取0=0.01卩F#頻率截止到31HZ 恰好。(4) 后置二階低通放大電路按人體脈搏在最高跳動次數(shù) 240次/min計算，據(jù)歸一化法設(shè)計低通放大 器，如圖3所示。轉(zhuǎn)折頻率由矗、C5、R7和C6決定，放大倍數(shù)由R7和R5的比值決定，R8用來減小輸入阻抗不平衡的影響。J 07 81

7、 ! - b 18 Ki VA1-0 _ * ” ；500kQ ； C48F73nF.：R5 ：-VA20kfl :.R6AAA20kO :- U3丄塔: OP|AMP3rVIRTUALR8- 50dkIl0 ：圖4二階低通放大電路 二階低通濾波器的傳遞函數(shù)：E7?1VO(S) R5 R6R7C5C6Voi(s)S2 (丄丄丄)1C5 R5 R6 R7R6R7C5C6理想放大倍數(shù)為H=-R7/R5=-20倍。0.707倍零頻增益高頻轉(zhuǎn)折頻率：fH=14Hz低頻特性滿足條件，不影響有用信號5. 整體電路為：100j-uto |NoneS ncr1 p&t tionChflfirrtl BExt.

8、 Trigger廣Charnel EChannel_A2.827 V2.327 :-1. 133 uX posion |0 阿 Add坐| jgTrgcrEdgen勺書口 3*T2-TLY posit: onac | o |3c -1輸出信號輸入信號Chari理出Scale |汁莎Sees 130 ms;3貂 0scilloscope-ZSC3E創(chuàng)口 4-T2*T1Chimnel AChannel B1 Scale【2 VjtwScale 5 V.CiivYpo&ticn |oYOTitiQrr |oA 0 DC席ac | o Jdc -1 rTr ggiEdei Re .-errse i|Sdvext. Trigef河旦LeJFVLe el總結(jié):仁利用血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中 大幾十倍的特點，可通過光電傳感器對脈搏信號進行檢測， 并通過光電傳感技術(shù) 進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)智能化的脈搏測試技術(shù)。2. 應(yīng)用透射式光電傳感器：紅色發(fā)光二極管發(fā)出光線，透過手指照射到光敏 三極管上進行光電轉(zhuǎn)換3. 由于放大倍數(shù)較大，入射光強不要太強，否則會使輸出飽和，且不同的人