實(shí)驗(yàn)三、光電式脈搏探測(cè)器

1、實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)三 光電式脈搏探測(cè)器光電式脈搏探測(cè)器20張日欣生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心2009.3.一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?l了解血液的光吸收特性；l了解基本的光電檢測(cè)技術(shù)；l熟悉光電器件的基本用法；l了解正常人脈搏波的基本形態(tài)和生理意義；l熟悉數(shù)字示波器的用法、掌握數(shù)字示波器與PC計(jì)算機(jī)的接口及數(shù)據(jù)采集/分析技術(shù)。二、基本原理 l光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的原理是因?yàn)橥庵芙M織中密布著大量的血管，其中充滿了血液，由于血液對(duì)于光線有一定的吸收能力(參見(jiàn)下圖)，當(dāng)外周血管中的血液量改變時(shí)，外周組織的光吸收/反射特性隨之改變。心臟周期性地跳動(dòng)，這種特性隨之改變，使用儀器測(cè)量外周組織對(duì)光

2、線的吸收/反射性質(zhì)的周期性變化就可以完成上述檢測(cè)。 基本原理l可見(jiàn)光波長(zhǎng)(nm)波長(zhǎng)范圍（nm）380-430430-450450-485485-495495-550550-570570-590590-620620-650650-780顏色紫靛藍(lán)藍(lán)青綠黃綠黃橙紅深紅基本原理l血液的主要成分的光吸收率與光線波長(zhǎng)的關(guān)系 實(shí)驗(yàn)光源波長(zhǎng)：970nm三、具體的檢測(cè)方法三、具體的檢測(cè)方法1：透射法透射法l使用LED作為測(cè)量光源，其光線穿透受試者的手指，在對(duì)側(cè)安放一個(gè)光敏器件，接收穿透組織后的光線，并將這些光線轉(zhuǎn)換電信號(hào)。由于光線穿透組織時(shí)有一部分光線被組織吸收，而組織的吸收率隨血液的充盈程度而變化，所以穿

3、越組織的光線被吸收的程度隨之變化，導(dǎo)致光敏器件所接收到的光強(qiáng)相應(yīng)變化，輸出的電信號(hào)也相應(yīng)變化。使用電子線路放大這些變化的電信號(hào)就可以得到隨著心跳而周期變化的脈搏波。 具體的檢測(cè)方法具體的檢測(cè)方法2：反射法反射法l使用紅外LED照射到皮膚表面，用光敏三極管接收反射回來(lái)的漫射光線，由于反射回來(lái)的光線中有一部分是經(jīng)手指的內(nèi)部組織反射的，所以這些光線中含有手指的內(nèi)部組織中血液充盈程度變化的信息。光敏器件所接收到的光強(qiáng)隨著血液充盈程度的變化而變化，輸出的電信號(hào)也作相應(yīng)變化。使用電子線路放大這些變化的電信號(hào)就可以得到隨著心跳而周期變化的脈搏波。 采用采用LM324的電路的電路#1#2#3#4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)

4、容1：紅外線透射式脈搏波檢測(cè)器紅外線透射式脈搏波檢測(cè)器1.首先將直流穩(wěn)壓電源接成正負(fù)電源形式，并調(diào)整電壓旋鈕將輸出電壓調(diào)至12v，關(guān)閉電源；2.實(shí)驗(yàn)板如圖：連接好電源，注意實(shí)驗(yàn)板上的正負(fù)電源線的顏色，把對(duì)應(yīng)的電源插頭插到直流穩(wěn)壓電源上，檢查無(wú)誤后，打開(kāi)電源，實(shí)驗(yàn)板上兩個(gè)指示燈亮，說(shuō)明連接正確，否則連接有誤，請(qǐng)檢查電源連接；光槽RV1，調(diào)整LED電流RV2，調(diào)整工作點(diǎn)電源插座正、負(fù)電源指示燈測(cè)試點(diǎn)LM324運(yùn)放實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 1：紅外線透射式脈搏波檢測(cè)器紅外線透射式脈搏波檢測(cè)器2.調(diào)節(jié)RV1使LED上的電流為5-10mA左右(此時(shí)R1上的電壓降大約為2.5v5.1V)，將手指放在光槽的空檔之

5、間，并用遮光物體蓋住手指，然后用萬(wàn)用電表測(cè)量“J1”點(diǎn)的電壓值，調(diào)節(jié)RV2使其大約在34V左右；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1：紅外線透射式脈搏波檢測(cè)器紅外線透射式脈搏波檢測(cè)器3.用示波器測(cè)量J1點(diǎn)的波形(靈敏度為1V/div，掃描時(shí)基為250ms/div)，應(yīng)當(dāng)觀察到電壓基本上在4V左右并伴隨著有規(guī)律的波動(dòng)，這種波動(dòng)就是脈搏波；l為仔細(xì)觀察TP1點(diǎn)的波形，可將示波器的輸入選擇置于“交流”的位置上，適當(dāng)提高示波器的靈敏度，使屏幕上的電壓波動(dòng)明顯。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1：紅外線透射式脈搏波檢測(cè)器紅外線透射式脈搏波檢測(cè)器4.將示波器的輸入選擇置于“直流”的位置上，保持上一步測(cè)量時(shí)的量程不變，將輸入端接在J2上觀察

6、進(jìn)入放大器之前的信號(hào)，然后將輸入端接在Vout上，適當(dāng)降低示波器的靈敏度直至屏幕上出現(xiàn)波幅滿意的脈搏波；適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器的掃描觸發(fā)模式和觸發(fā)電平，使脈搏波顯示清晰穩(wěn)定，然后采用示波器的“單次掃描方式”捕捉一幅脈搏波的波形圖； 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1：紅外線透射式脈搏波檢測(cè)器紅外線透射式脈搏波檢測(cè)器5.使用示波器的游標(biāo)功能測(cè)量捕捉到的脈搏波的幅度和周期，進(jìn)而換算出來(lái)心率，并對(duì)脈搏波進(jìn)行FFT；6.將所凍結(jié)的脈搏波波形和FFT結(jié)果傳到PC機(jī)中，并將其粘貼到WORD文檔中，在教師的打印機(jī)上輸出，作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告的材料（選做）。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2：紅外線反射式脈搏波檢測(cè)器（選做）紅外線反射式脈搏波檢測(cè)器（選做）

7、1.保持組裝好的LED驅(qū)動(dòng)電路、光敏接收電路以及放大器電路，將光槽拆下，換上紅外線發(fā)射管和光敏三極管以并列方式組成反射式檢測(cè)裝置。檢查無(wú)誤后接通電源并觀察有無(wú)異?，F(xiàn)象若一切正常則進(jìn)入下一步；2.重復(fù)上面實(shí)驗(yàn)的26步。四、注意事項(xiàng)l為有利于手指脈搏的檢測(cè)，應(yīng)當(dāng)保證肢體末端的血液循環(huán)良好，所以實(shí)驗(yàn)室的溫度不應(yīng)低于16C，否則應(yīng)當(dāng)開(kāi)啟空調(diào)加溫；l測(cè)量脈搏波時(shí)，為提高檢測(cè)靈敏度，應(yīng)注意讓手指與發(fā)射LED和接收光敏管緊密接觸，但不要有壓迫感，以免妨礙血液循環(huán)； l注意遮蔽環(huán)境光線并注意保持手指的位置穩(wěn)定，以保證脈搏波形穩(wěn)定；l在進(jìn)行反射式測(cè)量時(shí)，注意使發(fā)射管和光敏管之間保持510的夾角(參見(jiàn)圖3)，同時(shí)

8、注意在發(fā)射管和光敏管之間用不透光的卡片隔開(kāi)； 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)當(dāng)包括下列內(nèi)容：1.所取得的脈搏波波形圖和它的FFT頻譜圖；2.所取得的脈搏波的幅度、周期的測(cè)量值以及通過(guò)周期換算出來(lái)的心率；3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程的記錄(建議各種測(cè)量方式可以在同組學(xué)生之間交替進(jìn)行，以使每個(gè)學(xué)生都有參與的機(jī)會(huì))；4. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析和討論以及思考題解答等。思考題 1) 圖4中的電路被虛線分割為#1，#2，#3，#4四個(gè)區(qū)域，請(qǐng)說(shuō)明這四個(gè)區(qū)域中局部電路的功能。2) 在實(shí)驗(yàn)步驟的第3步中，為了仔細(xì)觀察J1點(diǎn)的波形，為什么要將示波器的輸入選擇置于“交流”的位置上？3) 你所測(cè)到脈搏波形在每個(gè)心動(dòng)周期中是如何變化的？其波形有什

9、么特點(diǎn)？其生理意義是什么？4) 調(diào)節(jié)LED的供電電流會(huì)引起什么變化？為什么？思考題5) 反射式和透射式測(cè)量的結(jié)果有何異同？6) 是否可以利用本實(shí)驗(yàn)裝置制作一個(gè)心率計(jì)？怎樣改進(jìn)？7) 本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量裝置是否可以直接用于血氧飽和度的測(cè)量？為什么？8) 若要在本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上制作光電式血氧飽和度檢測(cè)儀，怎樣改進(jìn)？器件的識(shí)別器件的識(shí)別發(fā)光二極管lLED器件在本質(zhì)上是一只二極管，所以明顯地具有單向?qū)щ姷奶匦?。用萬(wàn)用電表的二極管檢測(cè)檔可以直接出正反向電阻明顯不同，對(duì)于發(fā)光波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍之內(nèi)的LED，當(dāng)其正向?qū)〞r(shí)可以看到發(fā)出的光線，比較容易識(shí)別。對(duì)于紅外發(fā)光二極管，因?yàn)槠浒l(fā)光譜線在可見(jiàn)光之外，所以無(wú)法看到，

10、但其二極管的特性還是容易用萬(wàn)用表測(cè)出。當(dāng)紅外二極管正向?qū)щ姇r(shí)因?yàn)橛屑t外線發(fā)出，所以皮膚敏感的人可以在其發(fā)光部位附近體驗(yàn)到微弱的熱感。發(fā)光二極管有2根引線，其中較長(zhǎng)的一根為正極(A)，較短的一根為負(fù)極(K)。器件的識(shí)別器件的識(shí)別光敏三極管l有兩個(gè)PN結(jié)，有集電極和發(fā)射極，但是沒(méi)有基極，因此只有2根引線，外觀上容易與LED混淆。但用萬(wàn)用表的電阻檔測(cè)量時(shí)，其情況與LED明顯不同。將數(shù)字萬(wàn)用表的正表筆(紅色)連接光敏三極管集電極(C)，負(fù)表筆(黑色)連接光敏三極管發(fā)射極(E)，當(dāng)沒(méi)有光線照射到光敏三極管上時(shí)應(yīng)當(dāng)讀出一個(gè)較大的電阻，當(dāng)有光線照射到光敏三極管上時(shí)，可以測(cè)得一個(gè)較小的電阻，于是可以區(qū)別于其它的器件。l注意：注意：當(dāng)光敏三極管反接 (即，正表筆連接光敏三極管的發(fā)射極，負(fù)表筆連接光敏三極管集電極) 時(shí)，也可以測(cè)到一個(gè)隨光線變化的電阻，但是，當(dāng)強(qiáng)光照射時(shí)可以達(dá)到的最小電阻較大，約數(shù)十K，而正向連接時(shí)可以小至1 K左右甚至更小。本實(shí)驗(yàn)所使用的光敏三極管的2根引腳中較長(zhǎng)的一根為發(fā)射極。器件的識(shí)別器件的識(shí)別紅外光槽 l本來(lái)是用于機(jī)械動(dòng)作光電信號(hào)檢測(cè)的專用器件，這里之所以用來(lái)進(jìn)行作為透射式脈搏