光电式脉搏传感器及由其组成的血压测量仪[1]

《电测与仪表》199813 总第 35 卷 第 387 期 光电式脉搏传感器及由其组成的血压测量仪 黑龙江大学 　　李秀农 　汪国强 摘要 　本文叙述了光电式脉搏传感器的结构及 工作原理 ,介绍了血压压力传感器以及由它们 组成的血压测量仪 ,该血压测量仪以 MSC - 51 单片机为控制核心 ,用液晶显示器显示结果 ,测 量仪具有体积小、功耗低、使用灵活等特点。 关键词 　光电式脉搏传感器 　收缩压 　舒张压 　脉搏 　心率 　单片机 一、引 　言 血压在生物医学测量中是一种常用而重要 的指标。世界上出现比较完整的血压测量仪器 已有近一百年的历史。近来随着科学技术的发 展出现了各种新颖的血压测量仪器 ,特别是电 子血压仪的出现 ,使血压测量变得非常方便。 我们利用光电式脉搏传感器及压力传感 器 ,人手指的血压信号 ,并利用 8031 单片 机进行控制和信号采集 ,将人体血压和心率等 测量值自动显示并打印出来 ,达到了方便、快 捷、准确地测量血压的目的。制成的血压仪样 机性能良好 ,结构简单 ,有较好的应用和推广价 值。 二、传感器结构原理 图 　1 11 光电式脉搏传感器 图 1 是光电式脉搏传感器示意图 ,它由红 外发光二极管和红外光敏三极管构成。发光二 极管发出的红外光照射到血管上 ,部分光经血 管反射被光敏三极管接收并转换成电信号送检 测电路 ,测出血流状态。血管不受压力时 ,血流 均匀 ,反射光也比较均匀 ,故传感器无脉搏信号 输出 ;当血管受压血液不流动时 ,传感器也无输 出信号 ;只有当血管受到挤压 ,血管中的血液断 续流动时 ,反射光也随之变化 ,这时传感器输出 脉搏信号 ,达到了测量脉搏的作用。 21 压力传感器 图 2 所示是我们的血压传感器 (即压 力传感器) 的结构图。圆形感压膜片固接于铝 支架上 ,膜片采用 012mm 厚的磷青铜制成 直径 19mm 圆片。半导体力敏电桥粘贴于膜片 的适当位置上 ,压力P 由膜片的一侧作用于膜 片上 (图中箭头所示) ,膜片在压力作用下的变 形引起力敏电桥产生与压力成比例的应变 ,使 电桥四臂的电阻发生变化 ,产生与压力成正比 的输出电压。 图 　2 把上述光电式脉搏传感器与压力传感器有 机地组合起来 ,在微机的控制下 ,即能组成一台 血压、心率测量仪。 三、血压仪的测量原理 11 血压仪电路框图 图 3 是我们设计的血压测量仪 (以下简称 血压仪)的原理框图。血压仪由套在手指上的 气囊 (也称气袖 ,它由充气泵进行充气) 、压力传 感器、光电式脉搏传感器及 8031 微机、显示等 组成 ,可以用来测量人的血压和心率。其工作 原理是 :利用充气泵把气袖充气 ,使其压力达到 83 图 　3 250mmHg ,这时气袖紧压手指上血管 ,使血液 不流动。然后通过压力控制单元 ,控制气袖中 的压力以 2～3mmHg/ s 的速率下降。与此同 时 ,压力传感器始终测量气袖中的压力。光电 式脉搏传感器对准套于血管上 ,检测血流状态。 当压力大于收缩压时 ,血液因血管受压迫而停 止流动 ,光电脉搏传感器检测不到脉搏 ;压力继 续下降 ,当达到收缩压时 ,血液开始断续流动 , 脉搏传感器测出脉搏信号 ,此信号由微机检测 到 ,并显示此时气袖中的压力 ,它即为收缩压 ; 压力继续下降 ,当达到舒张压时 ,由于血管不受 压迫 ,血流均匀 ,脉搏传感器测出的脉搏信号消 失 ,微机检测到此状态 ,并对此时气压进行显 示。对脉搏信号进行计数与显示即得到心率指 示。此时气袖中的压力即为舒张压。整个测量 过程如图 4 所示。最后由 8031 单片机进行处 理 ,显示并打印出收缩压、舒张压、心率等测量 结果和测量日期。 图 　4 21 血压仪的压力控制 图 5 是血压仪气路系统示意图。启动血压 仪 ,关闭电磁泄气阀 ,充气泵给气袖充气 ,由于 充气泵的充气速度比较快 ,气袖中的气体压力 很快达到 250mmHg ,此时停止充气 ,由微泄气 阀以 2～3mmHg/ s 的速度泄气 ,随之测出收缩 压、舒张压和心率。当测量结束时 ,打开电磁泄 气阀 ,使气袖中的空气迅速放出 ,完成整个测量 过程。 图 　5 四、检测电路原理 11 脉搏检测电路原理 图 6 是脉搏传感器的恒流源电路和检测电 路。恒流源提供 10mA 的稳定电流 ,供脉搏传 感器的发光管发光。脉搏放大电路为同相交流 放大器 ,对直流无放大作用 ,由于反馈电容数值 比较小 ,所以起到了高频滤波的作用。因此只 将脉搏信号进行放大 ,送到微机系统。 图 　6 图 　7 21 力敏电桥及其放大电路 图 7 是力敏电桥及其放大电路 ,图中r1 ～ r4 是电桥的四个臂 ,W0 是电桥的调零电位器 ,&U0 是电桥的输出电压。R1 、R2 、Rf 、Rf′和 LM324 组成了电桥的放大电路 ,U0 是放大电 路的输出电压。设力敏电阻的灵敏系数为K , 在小压力情况下 (例如测血压时)电桥的输出电 93 压为 &U = 3 KE0 8 h2 E (1 -μ2 )·X2 ·P (1) 式中 　μ ———膜片材料的泊松系数 　E ———膜片材料的杨氏模量 　h ———膜片的厚度 　X ———膜片中心到力敏电阻的距离 　E0 ———激励源电压 根据运放原理有 : U0 = (1 + RfR1 ) &U (2) U0 经 A/ D 后由微机处理 ,在脉搏信号的 作用下显示、舒张压、收缩压及心率。 五、结束语 此血压仪由气袖和测量仪组成。在使用 时 ,只需将手指插入气袖中并使脉搏传感器对 正手指血管 ,轻轻按动启动按钮 ,气泵开始充 气 ,压力达到 250mmHg 时停止充气 ,随后缓慢 放气即可自动测出收缩压、舒张压、心率等数 据。测量结束时 ,显示并打印结果。 本血压仪具有设计简单、使用灵活等特点 , 与水银式血压计相比排除了测量中人为因素的 影响 ,且可由患者自身使用。故不仅适用于医 院 ,更适合于家庭使用。 参 　考 　文 　献 1 　王明时 1 医用传感器与人体信息检测 1 天津科学技 术出版社 ,1987 2 　藤国平、李元密 1 血压测量和电子数字血压计 1 福建 科学技术出版社 ,1986 3 　王云章 1 电阻应变式传感器应用技术 1 中国计量出 版社 ,1991 4 　秦世才、前其敖 1 集成运算放大器实用电路 1 天津科 学技术出版社 ,1981 收稿日期 :1997 - 12 - 16 (王 　宁 　编发) 04