實驗三、光電式脈搏探測器

1、實驗三實驗三 光電式脈搏探測器光電式脈搏探測器20張日欣生命科學與技術學院教學實驗中心2009.3.一、實驗目的 l了解血液的光吸收特性；l了解基本的光電檢測技術；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熟悉數字示波器的用法、掌握數字示波器與PC計算機的接口及數據采集/分析技術。二、基本原理 l光學檢測技術的原理是因為外周組織中密布著大量的血管，其中充滿了血液，由于血液對于光線有一定的吸收能力(參見下圖)，當外周血管中的血液量改變時，外周組織的光吸收/反射特性隨之改變。心臟周期性地跳動，這種特性隨之改變，使用儀器測量外周組織對光

2、線的吸收/反射性質的周期性變化就可以完成上述檢測。 基本原理l可見光波長(nm)波長范圍（nm）380-430430-450450-485485-495495-550550-570570-590590-620620-650650-780顏色紫靛藍藍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的關系 實驗光源波長：970nm三、具體的檢測方法三、具體的檢測方法1：透射法透射法l使用LED作為測量光源，其光線穿透受試者的手指，在對側安放一個光敏器件，接收穿透組織后的光線，并將這些光線轉換電信號。由于光線穿透組織時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，導致光敏器件所接收到的光強相應變化，輸出的電信號也相應變化。使用電子線路放大這些變化的電信號就可以得到隨著心跳而周期變化的脈搏波。 具體的檢測方法具體的檢測方法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的漫射光線，由于反射回來的光線中有一部分是經手指的內部組織反射的，所以這些光線中含有手指的內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隨著血液充盈程度的變化而變化，輸出的電信號也作相應變化。使用電子線路放大這些變化的電信號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實驗內容實驗內

4、容1：紅外線透射式脈搏波檢測器紅外線透射式脈搏波檢測器1.首先將直流穩(wěn)壓電源接成正負電源形式，并調整電壓旋鈕將輸出電壓調至12v，關閉電源；2.實驗板如圖：連接好電源，注意實驗板上的正負電源線的顏色，把對應的電源插頭插到直流穩(wěn)壓電源上，檢查無誤后，打開電源，實驗板上兩個指示燈亮，說明連接正確，否則連接有誤，請檢查電源連接；光槽RV1，調整LED電流RV2，調整工作點電源插座正、負電源指示燈測試點LM324運放實驗內容實驗內容1 1：紅外線透射式脈搏波檢測器紅外線透射式脈搏波檢測器2.調節(jié)RV1使LED上的電流為5-10mA左右(此時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，然后用萬用電表測量“J1”點的電壓值，調節(jié)RV2使其大約在34V左右；實驗內容實驗內容1：紅外線透射式脈搏波檢測器紅外線透射式脈搏波檢測器3.用示波器測量J1點的波形(靈敏度為1V/div，掃描時基為250ms/div)，應當觀察到電壓基本上在4V左右并伴隨著有規(guī)律的波動，這種波動就是脈搏波；l為仔細觀察TP1點的波形，可將示波器的輸入選擇置于“交流”的位置上，適當提高示波器的靈敏度，使屏幕上的電壓波動明顯。實驗內容實驗內容1：紅外線透射式脈搏波檢測器紅外線透射式脈搏波檢測器4.將示波器的輸入選擇置于“直流”的位置上，保持上一步測量時的量程不變，將輸入端接在J2上觀察

6、進入放大器之前的信號，然后將輸入端接在Vout上，適當降低示波器的靈敏度直至屏幕上出現波幅滿意的脈搏波；適當調節(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； 實驗內容實驗內容1：紅外線透射式脈搏波檢測器紅外線透射式脈搏波檢測器5.使用示波器的游標功能測量捕捉到的脈搏波的幅度和周期，進而換算出來心率，并對脈搏波進行FFT；6.將所凍結的脈搏波波形和FFT結果傳到PC機中，并將其粘貼到WORD文檔中，在教師的打印機上輸出，作為實驗報告的材料（選做）。實驗內容實驗內容2：紅外線反射式脈搏波檢測器（選做）紅外線反射式脈搏波檢測器（選做）

7、1.保持組裝好的LED驅動電路、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裝置。檢查無誤后接通電源并觀察有無異?，F象若一切正常則進入下一步；2.重復上面實驗的26步。四、注意事項l為有利于手指脈搏的檢測，應當保證肢體末端的血液循環(huán)良好，所以實驗室的溫度不應低于16C，否則應當開啟空調加溫；l測量脈搏波時，為提高檢測靈敏度，應注意讓手指與發(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在進行反射式測量時，注意使發(fā)射管和光敏管之間保持510的夾角(參見圖3)，同時

8、注意在發(fā)射管和光敏管之間用不透光的卡片隔開； 五、實驗報告實驗報告應當包括下列內容：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、周期的測量值以及通過周期換算出來的心率；3.實驗過程的記錄(建議各種測量方式可以在同組學生之間交替進行，以使每個學生都有參與的機會)；4. 實驗現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，#4四個區(qū)域，請說明這四個區(qū)域中局部電路的功能。2) 在實驗步驟的第3步中，為了仔細觀察J1點的波形，為什么要將示波器的輸入選擇置于“交流”的位置上？3) 你所測到脈搏波形在每個心動周期中是如何變化的？其波形有什

9、么特點？其生理意義是什么？4) 調節(jié)LED的供電電流會引起什么變化？為什么？思考題5) 反射式和透射式測量的結果有何異同？6) 是否可以利用本實驗裝置制作一個心率計？怎樣改進？7) 本實驗的測量裝置是否可以直接用于血氧飽和度的測量？為什么？8) 若要在本實驗的基礎上制作光電式血氧飽和度檢測儀，怎樣改進？器件的識別器件的識別發(fā)光二極管lLED器件在本質上是一只二極管，所以明顯地具有單向導電的特性。用萬用電表的二極管檢測檔可以直接出正反向電阻明顯不同，對于發(fā)光波長在可見光范圍之內的LED，當其正向導通時可以看到發(fā)出的光線，比較容易識別。對于紅外發(fā)光二極管，因為其發(fā)光譜線在可見光之外，所以無法看到，

10、但其二極管的特性還是容易用萬用表測出。當紅外二極管正向導電時因為有紅外線發(fā)出，所以皮膚敏感的人可以在其發(fā)光部位附近體驗到微弱的熱感。發(fā)光二極管有2根引線，其中較長的一根為正極(A)，較短的一根為負極(K)。器件的識別器件的識別光敏三極管l有兩個PN結，有集電極和發(fā)射極，但是沒有基極，因此只有2根引線，外觀上容易與LED混淆。但用萬用表的電阻檔測量時，其情況與LED明顯不同。將數字萬用表的正表筆(紅色)連接光敏三極管集電極(C)，負表筆(黑色)連接光敏三極管發(fā)射極(E)，當沒有光線照射到光敏三極管上時應當讀出一個較大的電阻，當有光線照射到光敏三極管上時，可以測得一個較小的電阻，于是可以區(qū)別于其它的器件。l注意：注意：當光敏三極管反接 (即，正表筆連接光敏三極管的發(fā)射極，負表筆連接光敏三極管集電極) 時，也可以測到一個隨光線變化的電阻，但是，當強光照射時可以達到的最小電阻較大，約數十K，而正向連接時可以小至1 K左右甚至更小。本實驗所使用的光敏三極管的2根引腳中較長的一根為發(fā)射極。器件的識別器件的識別紅外光槽 l本來是用于機械動作光電信號檢測的專用器件，這里之所以用來進行作為透射式脈搏