CN103230270A - 一种用于检测汽车驾驶员心电信号的电容电极 - Google Patents

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本发明公开了一种用于检测汽车驾驶员心电信号的电容电极，包括支撑部件、信号检测部件和缓冲部件；所述支撑部件由金属板构成；所述信号检测部件由带有电压缓冲电路的双面PCB板构成，电压缓冲电路设置在PCB板的底面，由高输入阻抗、低噪声、CMOS型、双运放精密放大器组成；所述缓冲部件由弹簧构成，用于连接支撑部件和信号检测部件。本发明采用双面PCB板作为信号检测部件，结构简单，成本低廉；采用弹簧作为缓冲部件，有效抑制了信号检测过程中被测对象的身体运动引起的运动伪影；采用金属板作为支撑部件，不仅提供支撑作用，也为信号检测部件提供电磁屏蔽作用。

Description

一种用于检测汽车驾驶员心电信号的电容电极
技术领域
      本发明属于生物电信号检测技术领域，涉及一种用于检测汽车驾驶员心电信号的电容电极。
背景技术
       通过监测汽车驾驶员的心电信号可以检测其疲劳程度，进而防止疲劳驾驶。传统心电检测方法多采用金属电极直接接触被测对象的皮肤来获取信号，而驾驶环境的特殊性则不允许采用这种传统检测方法。
      近年来，非接触式心电检测技术开始快速发展，使得无需接触被测对象的皮肤，便可以检测其心电信号。非接触式心电检测技术利用电容耦合原理，以位移电流的形式检测心电信号。
如图1所示，为非接触式心电检测示意图。电容电极1、被测对象所穿的衣服2、被测对象的皮肤3一起形成耦合电容CS，被测对象的心电信号通过CS耦合到信号处理电路的输入端。由于耦合电容的阻抗在心电信号的频带范围内非常大，因此电容电极应该设计成带有电压缓冲电路的有源电极，以提高其输入阻抗；由于电容电极的输入阻抗很大，导致其对外部的噪声干扰尤其敏感，因此在设计电容电极时必须设计相应的屏蔽结构；此外，当被测对象的身体发生运动时，耦合电容的电容值发生改变，导致输出信号中出现运动伪影，如何抑制运动伪影，也是在设计电容电极时需要考虑的问题。
现有的电容电极设计方案大多采用三种方法来屏蔽干扰：采用3层或3层以上PCB板结构；在电压缓冲电路中加入复杂的反馈网络；在电容电极的底面安装金属屏蔽罩。第一种方法大大提高了电容电极的制作成本；第二种方法使得电容电极的电路结构变得复杂，而且过多的电子器件会引入大量噪声，如果设计不合理，反而会降低电容电极的抗干扰性能；第三种方法使得电容电极的机械结构变得复杂，大大影响了电容电极的应用灵活性。此外，现有的电容电极设计方案大多只包含信号检测部件，而没有缓冲部件，当用于信号检测时，电容电极固定放置，不可活动，被测对象身体的轻微运动就会引起明显的运动伪影。在检测汽车驾驶员的心电信号时，道路颠簸引起汽车的震动，导致驾驶员的身体发生运动，如何抑制身体运动引起的运动伪影是汽车驾驶员心电信号检测需要考虑的关键问题。
发明内容
       本发明的目的在于提供一种结构简单，成本低廉，且能抑制运动伪影的用于检测汽车驾驶员心电信号的电容电极。
       本发明所述的用于检测驾驶员心电信号的电容电极由支撑部件、信号检测部件和缓冲部件构成；所述支撑部件由金属板构成；所述信号检测部件由带有电压缓冲电路的双面PCB板构成，电压缓冲电路设置在PCB板的底面，由高输入阻抗、低噪声、CMOS型、双运放精密放大器组成；所述缓冲部件由弹簧构成，用于连接支撑部件和信号检测部件。
所述双面PCB板的顶面覆盖一层中心镂空的铜膜，铜膜上覆盖阻焊油墨。
所述双面PCB板的底面覆盖一层中心镂空的铜膜，铜膜上覆盖阻焊油墨。
       所述电压缓冲电路设置在PCB板底面铜膜的镂空处，包括运算放大器A1、运算放大器A2、输入保护电容C1、隔直电容C2、第一隔离电阻R1、第二隔离电阻R3、偏置电阻R2；输入保护电容C1的一端通过过孔与PCB板顶面的铜膜相连，另一端与运算放大器A1的同相输入端相连；运算放大器A1的输出端与其反相输入端相连；第一隔离电阻R1的一端与PCB板底面的铜膜相连，另一端与运算放大器A1的输出端相连；隔直电容C2的一端与运算放大器A1的输出端相连，另一端与运算放大器A2的同相输入端相连；运算放大器A2的输出端与其反相输入端相连；偏置电阻R2的一端与运算放大器A2的同相输入端相连，另一端接地；第二隔离电阻R3的一端与运算放大器A2的输出端相连，另一端为信号输出端。
       本发明采用双面PCB板作为信号检测部件，结构简单，成本低廉；采用弹簧作为缓冲部件，有效抑制了信号检测过程中被测对象的身体运动引起的运动伪影；另外采用金属板作为支撑部件，不仅可提供支撑作用，也为信号检测部件提供电磁屏蔽作用。
附图说明
图1为非接触式心电检测示意图；
图2为本发明一实施例的结构图；
图3为实施例所采用的双面PCB板的二维纵断面结构图；
图4为实施例所采用的双面PCB板的顶面结构图；
图5为实施例所采用的双面PCB板的底面结构图；
图6为实施例所采用的电压缓冲电路的电路结构图；
图7为本发明应用于汽车驾驶员心电监测的示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图2所示，为本发明一实施例的结构图，包括支撑部件4、信号检测部件5和缓冲部件，缓冲部件由弹簧6、弹簧7、弹簧8和弹簧9构成。
支撑部件4采用铝制板，其尺寸选择为15                                                
Figure 545727DEST_PATH_IMAGE001
12cm，厚度选择为0.2cm。铝制板用来提供支撑作用，同时为信号检测部件提供电磁屏蔽作用。
信号检测部件5由带有电压缓冲电路的双面PCB板构成，其二维纵断面结构图如图3所示。本实施例采用的PCB板的尺寸选择为15
Figure 152289DEST_PATH_IMAGE001
12cm，厚度选择为0.3cm。如图4所示，为本实施例采用的PCB板的顶面结构图；PCB板的顶面覆盖一层中心镂空的铜膜10，铜膜厚度选择为50
Figure 2013101792997100002DEST_PATH_IMAGE002
m，镂空11的尺寸选择为3
Figure 21019DEST_PATH_IMAGE001
3cm；铜膜上覆盖一层阻焊油墨12，油墨厚度选择为10
Figure 713032DEST_PATH_IMAGE002
m。如图5所示，为本实施例采用的PCB板的底面结构图；PCB板的底面覆盖一层中心镂空的铜膜13，铜膜厚度选择为50
Figure 387727DEST_PATH_IMAGE002
m，镂空14的尺寸选择为3
Figure 848795DEST_PATH_IMAGE001
3cm；铜膜上覆盖一层阻焊油墨，油墨厚度选择为10m。PCB板的顶面铜膜为电极面，用于检测被测对象的心电信号；PCB板的底面铜膜为屏蔽面，用于屏蔽外界环境噪声对电极面产生的干扰。电压缓冲电路16设置在PCB板底面铜膜的镂空处，图6为本实施例采用的电压缓冲电路的电路结构图，所用芯片为CMOS型双运放精密放大器LMP7708，包括运算放大器LMP7708A、运算放大器LMP7708B、输入保护电容C1、隔直电容C2、第一隔离电阻R1、第二隔离电阻R3、偏置电阻R2；输入保护电容C1的一端通过过孔17与PCB板顶面的铜膜10相连，另一端与运算放大器LMP7708A的同相输入端相连；运算放大器LMP7708A的输出端与其反相输入端相连；第一隔离电阻R1的一端与PCB板底面的铜膜13相连，另一端与运算放大器LMP7708A的输出端相连；隔直电容C2的一端与运算放大器LMP7708A的输出端相连，另一端与运算放大器LMP7708B的同相输入端相连；运算放大器LMP7708B的输出端与其反相输入端相连；偏置电阻R2的一端与运算放大器LMP7708B的同相输入端相连，另一端接地；第二隔离电阻R3的一端与运算放大器LMP7708B的输出端相连，另一端为信号输出端。运算放大器LMP7702A的输出端与PCB板的底面铜膜相连，使其电压值跟随PCB板顶面铜膜的电压值，形成有源屏蔽，从而有效抑制外部环境噪声对电极面的干扰；另外采用铝制板作为支撑部件，进一步加强了屏蔽作用。隔直电容C2、偏置电阻R2、运算放大器LMP7708B构成有源高通滤波器，本实施例选择滤波截至频率为0.05Hz。所述PCB板采取底面向下，顶面向上放置方式，使其底面朝向支撑部件，顶面朝向被测对象的身体。
在本实施例中，弹簧6、弹簧7、弹簧8和弹簧9均采用压缩型、重荷重弹簧，具体规格为：外径：1.6cm；内径：0.8cm；自由长：2.5cm；弹性系数：125.8N/mm；压缩量：0.6cm；荷重：755N。弹簧6的一端固定在支撑部件的左下角，另一端固定在PCB板底面的左下角；弹簧7的一端固定在支撑部件的右下角，另一端固定在PCB板底面的右下角；弹簧8的一端固定在支撑部件的右上角，另一端固定在PCB板底面的右上角；弹簧9的一端固定在支撑部件的左上角，另一端固定在PCB板底面的左上角。
如图7所示，本发明所实现的电容电极18放置在驾驶座上，用作信号电极，其支撑部件朝下，信号检测部件朝上；汽车方向盘的左半圈外沿安装一个普通金属电极，与电路中的地相连，用于将驾驶员的身体接地。驾驶员穿着普通的衣服正常驾驶，其左手接触方向盘上的接地电极，心电信号通过驾驶座上的电容电极耦合到后续信号处理电路的输入端。由于采用了缓冲部件，本发明所实现的电容电极能有效抑制驾驶过程中产生的运动伪影。

Claims (8)

1. 一种用于检测汽车驾驶员心电信号的电容电极，其特征在于：由支撑部件、信号检测部件和缓冲部件构成，所述支撑部件和信号检测部件通过缓冲部件相连。
2.根据权利要求1所述的用于检测汽车驾驶员心电信号的电容电极，其特征在于：所述支撑部件由金属板构成。
3.根据权利要求1所述的用于检测汽车驾驶员心电信号的电容电极，其特征在于：所述信号检测部件由双面PCB板构成，双面PCB板设置有电压缓冲电路。
4.根据权利要求1所述的用于检测汽车驾驶员心电信号的电容电极，其特征在于：所述缓冲部件由弹簧构成。
5.根据权利要求3所述的用于检测汽车驾驶员心电信号的电容电极，其特征在于：所述双面PCB板的顶面覆盖一层中心镂空的铜膜，铜膜上覆盖阻焊油墨。
6.根据权利要求3所述的用于检测汽车驾驶员心电信号的电容电极，其特征在于：所述双面PCB板的底面覆盖一层中心镂空的铜膜，铜膜上覆盖阻焊油墨。
7.根据权利要求3或5或6所述的用于检测汽车驾驶员心电信号的电容电极，其特征在于：所述双面PCB板的顶面铜膜的形状和底面铜膜的形状相同。
8.根据权利要求3所述的用于检测汽车驾驶员心电信号的电容电极，其特征在于：所述电压缓冲电路设置在PCB板底面铜膜的镂空处，包括运算放大器A1、运算放大器A2、输入保护电容C1、隔直电容C2、第一隔离电阻R1、第二隔离电阻R3、偏置电阻R2；输入保护电容C1的一端通过过孔与PCB板顶面的铜膜相连，另一端与运算放大器A1的同相输入端相连；运算放大器A1的输出端与其反相输入端相连；第一隔离电阻R1的一端与PCB板底面的铜膜相连，另一端与运算放大器A1的输出端相连；隔直电容C2的一端与运算放大器A1的输出端相连，另一端与运算放大器A2的同相输入端相连；运算放大器A2的输出端与它的反相输入端相连；偏置电阻R2的一端与运算放大器A2的同相输入端相连，另一端接地；第二隔离电阻R3的一端与运算放大器A2的输出端相连，另一端为信号输出端。
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