昆明理工大学信息工程与自动化学院学生实验报告

（ 2016 —2017 学年 第 一 学期 ）

课程名称：医用传感器 开课实验室：信自104 实验日期：2016-12-30

一、实验原理

（一）实验原理

1、血氧测量原理

氧是维系人类生命的基础，心脏的收缩和舒张使得人体的血液脉动地流过肺部，一定量的还原血红蛋白(HbR)与肺部中摄取的氧气结合成氧和血红蛋白 (HbO2)，另有约2％的氧溶解在血浆里。这些血液通过动脉一直输送到毛细血管，然后在毛细血管中将氧释放，以维持组织细胞的新陈代谢。血氧饱和度 (SO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。而功能性氧饱和度为HbO2浓度与HbO2 Hb浓度之比，有别于氧合血红蛋白所占百分数。因此，监测动脉血氧饱和度(SaO2)可以对肺的氧合和血红蛋白携氧能力进行估计。

血氧饱和度是衡量人体血液携带氧的能力的重要参数。血氧饱和度的测量目前广泛应用有透射法（或反射法）、双波长（红光R：660nm和红外光IR：940nm）光电检测技术，检测红光和红外光通过动脉血的光吸收引起的交变成分之比IIR/IR和非脉动组织（表皮、肌肉、静脉血等）引起光吸收的稳定分量（直流）值，通过计算可得到血氧饱和度值SPO2，这里采用透射法双波长光电检测技术。由于光电信号的脉动规律与心脏搏动的规律一致，所以根据检出信号的周期可同时确定脉率，因而亦称该方法为脉搏血氧饱和度测量。这种测量方法用指套式血氧饱和度传感器测量红光（660nm）和红外光（940nm）波长光强度经过手指后的变化，计算其中的脉动量与直流量后，查表可以计算出血氧饱和度值。

2、光源切换

实验采用双波长透射光电检测方法来测量血氧饱和度，所以必须使无光、660nm的红光和940nm的红外光交替产生并采集得到各不同光时段的信号，通过减去无光时光电信号可以去除环境光的影响，并得到红光与红外光去除环境光影响后通过动脉血的光吸收引起的交变成分之比。这里各种光的交替切换通过对单片机的PF0，PF1端口编程得到。

3、电流电压转换

血氧传感器输出信号为微弱电流信号，输出电流在1uA左右，经过I-V转换电路后为电压信号。其中AD795具有很好的直流特性，它的输入偏置电流只有1pA，是精准的电流电压转换放大芯片，满足电流放大要求。C1与R3并联，起低通滤波作用并防止振荡；后接C6，R7进行高通滤波，滤除直流分量；再接二阶低通滤波以滤除杂波，此时660nm和940nm的光信号已经转为滤波后的电压信号。

4、电压放大

经过电流电压转换和高通低通滤波后所得的电压信号由AD620R采集并进行放大。放大倍数为：G=49.4/2+1=25.7

5、调零及滤波

因光电的直流分量较大，高通滤波截止频率过低会影响正确信号的波形，这里由加法电路的原理设计了调零电路来去除部分直流分量，并进行低通滤波和放大来改善波形。

6、电压跟随器的应用

经过有源二阶低通滤波后所得的信号可能不是很稳定，在这里我们应用了电压跟随器，它的作用是限制最大输出电压、加大电流输出和减小输出阻抗等。

7、50HZ工频滤波

本功能模块电路的输出信号同样需要经过50HZ工频滤波，电路的输出信号送至模数转换器，经模数转换后送至单片微处理器进行处理，最后送至LCD显示。

二、实验内容及步骤

1. 功能板安装。先关电，把血氧功能板通过上下两个板间插件固定在主电路板上；

2. 血氧功能板固定在主板上后，此处电源线和信号输出线都通过上下两个板间插件和主板连接在一起了，打开电源；

3. 在不接传感器的情况下，把示波器的探头一端与P6相连，另一端接GND。观察示波器显示的信号。如信号不在“0V”时，通过调节旋转电位器RP1，同时观察示波器显示的信号的变化，直至示波器的信号在“0V”时，停止调节电位器RP1，之后，关电取下示波器的探头；

4. 以上二步完成后把血氧传感器接到主板的输入端J15上，手指插入血氧传感器的指套中，开通电源。血氧传感器所测的波形就可以在LCD上显示了；

5. 可以用示波器依次测试P1、P2、P3、P4、P5、P6，根据所测的的情况很容易得到各功能块的作用；

6. 在显示界面上选择“血氧信号采集”项，按“采样”键，进入血氧信号显示界面。

7. 记录血氧信号波形及数据。

三、电路原理图

1、电流电压转换及滤波电路

图4-1

2、放大及调零电路

图4-2

3、滤波放大及跟随电路

图4-3

4、电路分析

1、电流电压转换及滤波电路

在电流电压转换及滤波电路的第一个运算放大器AD795KN处进行了电流电压转换 ，血氧传感器输出信号为微弱电流信号，输出电流在1uA左右，经过I-V转换电路后为电压信号。

2、放大及调零电路

在放大调零电路的运算放大器AD620R处进行电压放大 ，经过电流电压转换和高通低通滤波后所得的电压信号由AD620R采集并进行放大。

3、滤波放大及跟随电路

调零及滤波，因光电的直流分量较大，高通滤波截止频率过低会影响正确信号的波形，这里由加法电路的原理设计了调零电路来去除部分直流分量，并进行低通滤波和放大来改善波形。

四、仿真结果

（一）电流电压转换及滤波电路

1.信号波形图

图4-4

在AD795KN处进行了电流电压转换 ，血氧传感器输出信号为微弱电流信号，输出电流在1uA左右，经过I-V转换电路后为电压信号。输出250.0uV的电压。

2. 幅频特性曲线

图4-5

C1与R2并联，起低通滤波作用；后接C4，R5 进行高通滤波，滤除直流分量；再接二阶低通滤波以滤除杂波,最后形成带通的幅频特性曲线。

（二）放大及调零电路

1.信号波形图

图4-6

利用放大及调零电路中的滑动变阻器R9调零，将R9的滑片置于中间位置，可将电路进行调零，输出波形的起始点就从0开始。输出4.159mV的电压。若将R9的滑片置于偏右的位置，输出波形的起始点从大于0开始，输出的电压值大于调零时的电压值，反之。

2.幅频特性曲线

图4-7

（三）滤波放大及跟随电路

1.信号波形图

图4-8

经过滤波放大之后，输出6.008mV的电压。

2.幅频特性曲线

图4-9

C17，C18产生二阶低通滤波，进行滤波之后最后形成低通的幅频特性曲线。

5、思考题

1、预习血氧饱和度传感器、Pclab-800 嵌入式生物医学电子实验箱；

2、计算4－2中AD620的放大倍数；

放大倍数为 G=49.4/2+1=25.7

3、计算图4－3滤波电路的f

六、心得体会

课程的最后两周，我们进行了实验及测量。首先我们对Pclab-800嵌入式生物医学电子实验箱中的各模块进行了了解。嵌入式生物医学电子实验箱为我们提供了可充分地发挥思维的空间。知道了Pclab-800 嵌入式生物医学电子实验箱可进行脉搏信号采集模块、呼吸信号采集模块、温度信号采集模块、和心电信号采集模块、血氧信号采集模块这六大部分功能。同时对自己的各类生理指标进行信号采集。然后我们选择了血氧饱和度该模块进行深入探究。

我们安装了Altium Designer软件，进行电路绘制并进行仿真，其中遇到了很多问题，如寻找对应元器件并使之实现功能，信号的输入输出等。先解决小模块功能，再合成总电，并运算仿真。

实验结束了，让我们的感受颇为深刻。通过这次实验，我们知道了自己目前所缺乏的东西，知道了自身存在的缺点，同时也知道了自身以后的发展道路，懂得自己接下来应该怎么做，应该在哪方面下大工夫。同时懂得了应该加大培养自己的动手能力，毕竟这个社会还是要靠能力的。实习可以给我们以很大的收获，可以让我们更加近距离的接触到社会，让我们对自身专业进行更加精确的定位，从书面到实际的刺激我们，让我们更加努力地去增强自身的专业能力。由于在计算原理图的放大上出现了很大的问题和困难，所以我觉得在以后的学习生活中，应该认真学习电子方面的理论知识，多多参加学校的一些实验来提升自我水平。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/70e0fc3c9a6648d7c1c708a1284ac850ad0204d8.html