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脉搏信号提取原理

根据朗伯比尔（LamberBeer）定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。

脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖，组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对较大，因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。手指组织可以分成皮肤、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量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的，可以忽略，因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的，那么在恒定波长的光源的照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。

从光源发出的光除被手指组织吸收以外，一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出来。光电式脉搏传感器按光的接收方式可分为透射式和反射式两种。透射式的光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，从光源发出的光穿过皮肤进入深层组织，除被皮肤、色素、指甲、血液等吸收外，一部分由血液漫反射回，其余部分则透射出来，这种方法可较好地指示心律的时间关系，并可用于脉搏提取，但不能精确测量出血液容积量的变化;反射式的测量原理与透射式的基本相同，所不同的是测头当中的发射光源和光敏器件位于同一侧，接收的是漫反射回来的光，此信号可精确地测得血管内容积变化，本系统采用了透射式来提取脉搏信号。

系统硬件设计

显示人体脉搏波形的检测系统如图1所示：

光电脉搏检测电路图（一）

光电检测电路

单片机P2.0、P2.1和P2.2三个端口分别通过开关三极管9014驱动三种不同波长的发光二极管周期性点亮。使用开关三极管可以保证发光二极管发光强度稳定。

光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，见图，根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。不同波长的光在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光，在这一区域，因光照产生的光生载流子（电子），一旦漂移到耗尽层界面，就会在结电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流；波长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达N区和P区，形成光电流；波长更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子（空穴）一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向P区，形成光电流。因此，光照射时，流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。

运放CA3140，输入偏置电流仅为10^2nA，可作为光电流放大器，利用放大器反向输入端的虚地特性，可在输出端得到与光敏二极管中的光电流成正比的光电压。如图3-11所示电路，由于引入电压并联负反馈，所以具有输出电阻低，输入电阻也低的特点。输出电阻低，使输出电压接近理想电压源，输入电阻低，使光电流流入放大电路中为恒定值。为了减少输出的非线性，光敏二极管的工作电压应大于5V，可通过电位器调节工作电压，旁边加一个旁路电容，滤出电源纹波的影响。为了减少光敏区的暗电流，光敏二极管加保护环结构，利用环极将器件表面漏电流旁路而使光敏区漏电流减少。用示波器观察输出端波形时，噪声信号比较多，用金属铝片做成一个方盒将反馈电阻屏蔽后，波形中噪声大大减少。

关键词： 光电 脉搏 脉搏测量仪