实验三光电式脉搏探测器

实验三光电式脉搏探测器第一页，共二十二页，编辑于2023年，星期二一、实验目的

了解血液的光吸收特性；了解基本的光电检测技术；熟悉光电器件的基本用法；了解正常人脉搏波的基本形态和生理意义；熟悉数字示波器的用法、掌握数字示波器与PC计算机的接口及数据采集/分析技术。第二页，共二十二页，编辑于2023年，星期二二、基本原理

光学检测技术的原理是因为外周组织中密布着大量的血管，其中充满了血液，由于血液对于光线有一定的吸收能力(参见下图)，当外周血管中的血液量改变时，外周组织的光吸收/反射特性随之改变。心脏周期性地跳动，这种特性随之改变，使用仪器测量外周组织对光线的吸收/反射性质的周期性变化就可以完成上述检测。

第三页，共二十二页，编辑于2023年，星期二基本原理可见光波长(nm)波长范围（nm）380-430430-450450-485485-495495-550550-570570-590590-620620-650650-780颜色紫靛蓝蓝青绿黄绿黄橙红深红第四页，共二十二页，编辑于2023年，星期二基本原理血液的主要成分的光吸收率与光线波长的关系

实验光源波长：970nm第五页，共二十二页，编辑于2023年，星期二三、具体的检测方法1：透射法使用LED作为测量光源，其光线穿透受试者的手指，在对侧安放一个光敏器件，接收穿透组织后的光线，并将这些光线转换电信号。由于光线穿透组织时有一部分光线被组织吸收，而组织的吸收率随血液的充盈程度而变化，所以穿越组织的光线被吸收的程度随之变化，导致光敏器件所接收到的光强相应变化，输出的电信号也相应变化。使用电子线路放大这些变化的电信号就可以得到随着心跳而周期变化的脉搏波。

第六页，共二十二页，编辑于2023年，星期二具体的检测方法2：反射法使用红外LED照射到皮肤表面，用光敏三极管接收反射回来的漫射光线，由于反射回来的光线中有一部分是经手指的内部组织反射的，所以这些光线中含有手指的内部组织中血液充盈程度变化的信息。光敏器件所接收到的光强随着血液充盈程度的变化而变化，输出的电信号也作相应变化。使用电子线路放大这些变化的电信号就可以得到随着心跳而周期变化的脉搏波。

第七页，共二十二页，编辑于2023年，星期二采用LM324的电路#1#2#3#4第八页，共二十二页，编辑于2023年，星期二实验内容1：红外线透射式脉搏波检测器1.首先将直流稳压电源接成正负电源形式，并调整电压旋钮将输出电压调至±12v，关闭电源；2.实验板如图：连接好电源，注意实验板上的正负电源线的颜色，把对应的电源插头插到直流稳压电源上，检查无误后，打开电源，实验板上两个指示灯亮，说明连接正确，否则连接有误，请检查电源连接；光槽RV1，调整LED电流RV2，调整工作点电源插座正、负电源指示灯测试点LM324运放第九页，共二十二页，编辑于2023年，星期二实验内容1：红外线透射式脉搏波检测器2.调节RV1使LED上的电流为5-10mA左右(此时R1上的电压降大约为2.5v~5.1V)，将手指放在光槽的空档之间，并用遮光物体盖住手指，然后用万用电表测量“J1”点的电压值，调节RV2使其大约在3~4V左右；第十页，共二十二页，编辑于2023年，星期二实验内容1：红外线透射式脉搏波检测器3.用示波器测量J1点的波形(灵敏度为1V/div，扫描时基为250ms/div)，应当观察到电压基本上在4V左右并伴随着有规律的波动，这种波动就是脉搏波；为仔细观察TP1点的波形，可将示波器的输入选择置于“交流”的位置上，适当提高示波器的灵敏度，使屏幕上的电压波动明显。第十一页，共二十二页，编辑于2023年，星期二实验内容1：红外线透射式脉搏波检测器4.将示波器的输入选择置于“直流”的位置上，保持上一步测量时的量程不变，将输入端接在J2上观察进入放大器之前的信号，然后将输入端接在Vout上，适当降低示波器的灵敏度直至屏幕上出现波幅满意的脉搏波；适当调节示波器的扫描触发模式和触发电平，使脉搏波显示清晰稳定，然后采用示波器的“单次扫描方式”捕捉一幅脉搏波的波形图；

第十二页，共二十二页，编辑于2023年，星期二实验内容1：红外线透射式脉搏波检测器5.使用示波器的游标功能测量捕捉到的脉搏波的幅度和周期，进而换算出来心率，并对脉搏波进行FFT；6.将所冻结的脉搏波波形和FFT结果传到PC机中，并将其粘贴到WORD文档中，在教师的打印机上输出，作为实验报告的材料（选做）。第十三页，共二十二页，编辑于2023年，星期二实验内容2：红外线反射式脉搏波检测器（选做）1.保持组装好的LED驱动电路、光敏接收电路以及放大器电路，将光槽拆下，换上红外线发射管和光敏三极管以并列方式组成反射式检测装置。检查无误后接通电源并观察有无异常现象若一切正常则进入下一步；2.重复上面实验的2~6步。第十四页，共二十二页，编辑于2023年，星期二四、注意事项为有利于手指脉搏的检测，应当保证肢体末端的血液循环良好，所以实验室的温度不应低于16C，否则应当开启空调加温；测量脉搏波时，为提高检测灵敏度，应注意让手指与发射LED和接收光敏管紧密接触，但不要有压迫感，以免妨碍血液循环；注意遮蔽环境光线并注意保持手指的位置稳定，以保证脉搏波形稳定；在进行反射式测量时，注意使发射管和光敏管之间保持5~10的夹角(参见图3)，同时注意在发射管和光敏管之间用不透光的卡片隔开；第十五页，共二十二页，编辑于2023年，星期二五、实验报告实验报告应当包括下列内容：1.所取得的脉搏波波形图和它的FFT频谱图；2.所取得的脉搏波的幅度、周期的测量值以及通过周期换算出来的心率；3.实验过程的记录(建议各种测量方式可以在同组学生之间交替进行，以使每个学生都有参与的机会)；4.实验现象的分析和讨论以及思考题解答等。第十六页，共二十二页，编辑于2023年，星期二思考题

1)

图4中的电路被虚线分割为#1，#2，#3，#4四个区域，请说明这四个区域中局部电路的功能。2)

在实验步骤的第3步中，为了仔细观察J1点的波形，为什么要将示波器的输入选择置于“交流”的位置上？3)

你所测到脉搏波形在每个心动周期中是如何变化的？其波形有什么特点？其生理意义是什么？4)

调节LED的供电电流会引起什么变化？为什么？第十七页，共二十二页，编辑于2023年，星期二思考题5)

反射式和透射式测量的结果有何异同？6)

是否可以利用本实验装置制作一个心率计？怎样改进？7)

本实验的测量装置是否可以直接用于血氧饱和度的测量？为什么？8)

若要在本实验的基础上制作光电式血氧饱和度检测仪，怎样改进？第十八页，共二十二页，编辑于2023年，星期二器件的识别——发光二极管LED器件在本质上是一只二极管，所以明显地具有单向导电的特性。用万用电表的二极管检测档可以直接出正反向电阻明显不同，对于发光波长在可见光范围之内的LED，当其正向导通时可以看到发出的光线，比较容易识别。对于红外发光二极管，因为其发光谱线在可见光之外，所以无法看到，但其二极管的特性还是容易用万用表测出。当红外二极管正向导电时因为有红外线发出，所以皮肤敏感的人可以在其发光部位附近体验到微弱的热感。发光二极管有2根引线，其中较长的一根为正极(A)，较短的一根为负极(K)。第十九页，共二十二页，编辑于2023年，星期二器件的识别——光敏三极管有两个PN结，有集电极和发射极，但是没有基极，因此只有2根引线，外观上容易与LED混淆。但用万用表的电阻档测量时，其情况与LED明显不同。将数字万用表的正表笔(红色)连接光敏三极管集电极(C)，负表笔(黑色)连接光敏三极管发射极(E)，当没有光线照射到光敏三极管上时应当读出一个较大的电阻，当有光线照射到光敏三极管上时，可以测得一个较小的电阻，于是可以区别于其它的器件。注意：当光敏三极管反接(即，正表笔连接光敏三极管的发射极，负表笔连接光敏三极管集电极)时，也可以测到一个随光线变化的电阻，但是，当强光照射时可以达到的最小电阻较大，约数十K，而正向连接时可以小至1K左右甚至更小。本实验所使用的光敏三极管的2根引脚中较长的一根为发射极。第二十页，共二十二页，编辑于2023年，星期二器件的识别——红外光槽

本来是用于机械动作光电信号检测的专用器件，这里之所以用来进行作为透射式脉搏检测组件是因为该器件已经装配了一个红外发射管和一个红外光敏三