CN109805908A - 基于压电薄膜的人体生理信号检测电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗健康领域的传感器电路设计技术，公开了一种基于压电薄膜的人体生理信号检测电路及其检测方法，通过在电路设置电荷转换放大模块和有源滤波放大模块，同时采用数字电路和模拟电路同时供电的电路模式设计，能够实现将人体心跳、呼吸等微弱生理信号转换放大，从而增强传感器检测电路的灵敏性和信号数据获取的可靠性，另一方面，本发明的电路所用原件少、体积小便于集成，制作成本低。

Description

基于压电薄膜的人体生理信号检测电路及检测方法

技术领域

本发明涉及生理传感器技术领域，具体地说，是一种基于压电薄膜的人体生理信号检测电路及检测方法。

背景技术

基于压电效应的传感器叫压电传感器，这类传感器可以将动态力变化转变为电量，可以看作是电荷发生器，同时它又是一个电容器。聚偏二氟乙烯(PVDF)是压电传感器的一种，当压在这种薄膜上的力发生变化时，压电薄膜输出的非常微弱的电荷量，大概几十皮库。由于这种电荷信号很微弱，给信号采集和数据处理的过程增大难度，并且也会影响人体生理信号检测结果的真实性、准确性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种基于压电薄膜的人体生理信号检测电路及检测方法，通过把人体呼吸、心跳等生理动作产生的电荷量转换为电压量，实现生理信息的精准采集。

为实现上述目的，本发明采取的电路设计技术方案是：一种基于压电薄膜的人体生理信号检测电路，包括压电薄膜传感器、电源供电模块、运算放大器、电荷转换放大模块、有源滤波放大模块、模数转换器和数字信号处理器，

所述电源供电模块包括数字电源转换电路和模拟电源转换电路；

所述电荷转换放大模块包括反馈网络和运算放大器，所述反馈网络由T型电阻网络和电容并联组成，跨接于电荷转换放大模块中运算放大器的负极输入和输出之间；

有源滤波放大模块包括RC网路、反馈网络和运算放大器；

所述模数转换器和数字信号处理器共同作用对放大后的信号进行数据采集和数字化处理。

进一步地，所述检测电路至少包括一个支路的有源滤波放大模块。

进一步地，所述电荷转换放大模块分别和多个支路的有源滤波放大模块之间设有隔离电路，用于避免信号放大与滤波两个过程之间的相互干扰。

进一步地，所述检测电路还包括工频滤波器，用于抵抗由于工频信号引入的干扰信源。

进一步地，所述模拟电源转换电路将电源输入转换为模拟电源为模拟电路供电，模拟电路包括：压电薄膜传感器、电荷转换放大模块、有源滤波放大模块和模数转换器；所述数字电源转换电路将电源输入转换为数字电源为数字电路供电，数字电路包括：数字信号处理器、数字通信接口电路和LED指示电路。

为实现上述目的，本发明基于上述电路设计方案采取的另一技术方案是：一种基于压电薄膜的人体生理信号检测电路实现的检测方法，包括以下步骤：

步骤1：开启电源输入，通过短路保护、静电防护和电源滤波处理，进入模拟电源转换电路转换为模拟电源后为模拟电路供电、进入数字电源转换电路转换为数字电源为数字电路供电，同时压电薄膜传感器感应电荷信号进入电荷转换放大模块；

步骤2：电荷转换放大模块的反馈网络决定了电荷信号转换成电压的幅值和输出电压信号的截止频率，同时转换后输出的电压信号分为多个支路进入隔离电路；

步骤3：各支路电压信号进入有源滤波放大模块通过带增益的有源滤波器进行放大滤波；

步骤4：经放大滤波后的各支路电压信号通过各自不同通道进入模数转换器转换进行信号采集和数字化处理，通过数字信号处理器采集和处理来自不同通道的数据信息。

进一步地，上述步骤2所述截止频率由反馈网络中的T型电阻网络和电容数值共同决定。

进一步地，上述步骤3的放大滤波过程可以是：各支路电压信号分别通过隔离电路进入有源滤波放大模块，电压信号从运算放大器的负极输入，RC网络对电压信号进行交流耦合和信号滤波，并与反馈网络一起，控制信号增益，同时RC网络输入参考电压，匹配运算放大器失调电压，使交流信号正确偏置。

进一步地，上述步骤3的放大滤波过程可以是：所述步骤3的放大滤波过程包括：各支路电压信号分别通过隔离电路进入有源滤波放大模块，从有源滤波器中运算放大器的正极输入，通过反馈网络和RC网络进行反馈滤波放大，反馈网络、RC网络和运算放大器共同构成有源低通滤波器。

进一步地，上述步骤3的放大滤波过程还可以是：各支路电压信号分别通过隔离电路进入有源滤波放大模块，有源滤波放大模块的运算放大器构成带通滤波器对信号进行放大滤波。

本发明优点在于：

1、本发明提供一种低成本、结构简单、高精度的压电薄膜生理信号检测电路，是实现非接触式生理信号传感器的主要组成部分，所用元件少，体积小，便于集成。

2、本发明通过带反馈网络的电荷电压转换器和带放大功能的有源滤波器的作用，把人体呼吸、心跳等生理动作产生的微弱电荷信号转换为电压信号，实现生理信息的采集和数字化处理。

附图说明

为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中：

图1为本发明基于压电薄膜的人体生理信号检测电路框架示意图；

图2为本发明基于压电薄膜的人体生理信号检测电路的电源供电示意图；

图3为本发明基于压电薄膜的人体生理信号检测方法流程示意图；

图4为本发明基于压电薄膜的人体生理信号检测电路中电荷电压转换器的反馈网络电路示意图；

图5为本发明实施例一放大滤波过程示意图；

图6为本发明实施例二放大滤波过程示意图。

具体实施方式

本发明基于压电薄膜的人体生理信号检测电路，通过在检测电路中设置电荷转换放大模块，同时采用数字电路和模拟电路同时供电的电路模式设计，能够实现将人体心跳、呼吸等微弱生理信号转换放大，从而增强传感器检测电路的灵敏性和信号数据获取的可靠性，另一方面，本发明的电路所用元件少、体积小便于集成。

如附图1所示，本发明的检测电路包括压电薄膜传感器、电源供电模块、运算放大器(A1-A9)、电荷转换放大模块(Q-V转换)、有源滤波放大模块(滤波放大)、模数转换器(AD)和数字信号处理器(DSP)，所述电源供电模块包括数字电源供电电路和模拟电源供电电路。所述模数转换器和数字信号处理器共同作用对放大后的信号进行数据采集和数字化处理。

电路中的压电薄膜传感器是指聚偏二氟乙烯PVDF，当压在这种薄膜上的力发生变化时，压电薄膜输出的非常微弱的电荷量，大概几十皮库，这种电荷信号非常微弱。

在说明书中，电荷转换放大模块(Q-V转换)包括反馈网络1和运算放大器A1，所述反馈网络1如附图3所示，由T型电阻R网络和电容C并联组成，跨接于电荷转换放大模块(Q-V转换)中运算放大器A1的负极输入和输出之间。在电路中通常分设有多个支路(支路一和支路二)的有源滤波放大模块(滤波放大)，本说明书中以两个支路为例进行说明。为了避免信号放大与滤波过程之间的相互干扰，电荷转换放大模块(Q-V转换)分别和两个支路的有源滤波放大模块(滤波放大)之间设有隔离电路A2和隔离电路A3。为了进一步抵抗由于工频信号引入的干扰信源，检测电路中还设有工频滤波器(工频滤波)。

如附图2所示，本发明的检测电路的电源供电模块，将输入电源通过模拟电源转换电路转换为模拟电源为模拟电路供电，通过数字电源转换电路转换为数字电源为数字电路供电，其中，模拟电路包括：压电薄膜传感器、电荷转换放大模块、有源滤波放大模块和模数转换器，所述数字电路包括：数字信号处理器供电、数字通信接口电路供电和LED指示电路供电。

结合附图1-4所示，本发明检测电路检测人体生理信号的方法的详细步骤如下：

步骤1：开启电源输入，通过短路保护、静电防护和电源滤波处理，进入模拟电源转换电路转换为模拟电源后为模拟电路供电、进入数字电源转换电路转换为数字电源为数字电路供电，同时压电薄膜传感器感应电荷信号进入电荷转换放大模块(Q-V转换)；

步骤2：电荷转换放大模块(Q-V转换)的反馈网络1决定了电荷信号转换成电压的幅值和输出电压信号的截止频率，同时转换后输出的电压信号分为两个支路分别进入隔离电路A2和隔离电路A3。其中，反馈网络1由T型电阻网络和电容并联组成(如附图4所示)，故反馈网络1中的T型电阻网络和电容的参数数值共同决定了电荷信号转换成电压的幅值和输出电压信号的截止频率；

步骤3：各支路电压信号进入有源滤波放大模块(滤波放大)通过带增益的有源滤波器进行放大滤波，经放大滤波后的电压信号进入工频滤波器(工频滤波)。需要说明的是工频滤波器不是本发明检测电路的必要组成部分，实际应用中根据需要有选择的加入或者不加入。如果检测电路中未加入工频滤波器，相应地检测过程中不会进行工频滤波的步骤；

步骤4：经工频滤波后的各路电压信号通过各自不同通道进入模数转换器(AD)转换进行数据采集和数字化处理，通过数字信号处理器(DSP)采集和处理来自不同通道的数据信息。

以下，结合附图5-6通过实施例对步骤3的放大滤波过程的不同实施方式进行说明。

第一具体实施方式

如附图5所示，第一实施例中以支路一(心跳信号处理支路)为例，步骤3的放大滤波过程为：支路一的电压信号通过隔离电路A2进入有源滤波放大模块(滤波放大)，电压信号从运算放大器A4的负极输入，RC网络2对电压信号进行交流耦合和信号滤波，并与反馈网络3一起，控制信号增益。反馈网络3构成有源低通滤波，可以为一阶或二阶，根据需要也可以采用更高阶滤波。RC网络4输入参考电压，匹配运算放大器A4的失调电压，使交流信号正确偏置。由于支路一处理的为人体心跳信号，滤波参数决定截止频率，使高低频截止频率包含心跳脉冲及其必要谐波信号。

第二具体实施方式

如附图6所示，第二实施例中以支路二(呼吸信号处理支路)为例，步骤3的放大滤波过程可以是：支路二的电压信号通过隔离电路A3进入有源滤波放大模块(滤波放大)，电压信号经RC网络7从运算放大器A5的正极输入。通过反馈网络6和RC网络5进行反馈滤波放大。反馈网络6和RC网络5和运算放大器A5构成的有源低通滤波器可以为一阶或二阶，根据需要也可以采用更高阶滤波器。

第三具体实施方式

步骤3的放大滤波过程还可以是：各路电压信号分别通过隔离电路进入运算放大器，运算放大器构成带通滤波器对信号进行放大滤波，通过反馈网络输入参考电压，使交流信号正确偏置。

上述过程中，电源输入后，模拟电源和数字电源为电路持续供电。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于压电薄膜的人体生理信号检测电路，其特征在于，所述检测电路包括压电薄膜传感器、电源供电模块、运算放大器、电荷转换放大模块、有源滤波放大模块、模数转换器和数字信号处理器，

所述电源供电模块包括数字电源转换电路和模拟电源转换电路；

所述电荷转换放大模块包括反馈网络和运算放大器，所述反馈网络由T型电阻网络和电容并联组成，跨接于电荷转换放大模块中运算放大器的负极输入和输出之间；

有源滤波放大模块包括RC网路、反馈网络和运算放大器；

所述模数转换器和数字信号处理器共同作用对放大后的信号进行数据采集和数字化处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜的人体生理信号检测电路，其特征在于，所述检测电路至少包括一个支路的有源滤波放大模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于压电薄膜的人体生理信号检测电路，其特征在于，所述电荷转换放大模块分别和多个支路的有源滤波放大模块之间设有隔离电路，用于避免信号放大与滤波两个过程之间的相互干扰。

4.根据权利要求1所述的一种基于压电薄膜的人体生理信号检测电路，其特征在于，所述检测电路还包括工频滤波器，用于抵抗由于工频信号引入的干扰信源。

5.根据权利要求2所述的一种基于压电薄膜的人体生理信号检测电路，其特征在于，所述模拟电源转换电路将电源输入转换为模拟电源为模拟电路供电，模拟电路包括：压电薄膜传感器、电荷转换放大模块、有源滤波放大模块和模数转换器；所述数字电源转换电路将电源输入转换为数字电源为数字电路供电，数字电路包括：数字信号处理器、数字通信接口电路和LED指示电路。

6.一种利用权利要求1所述基于压电薄膜的人体生理信号检测电路实现的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：开启电源输入，通过短路保护、静电防护和电源滤波处理，进入模拟电源转换电路转换为模拟电源后为模拟电路供电、进入数字电源转换电路转换为数字电源为数字电路供电，同时压电薄膜传感器感应电荷信号进入电荷转换放大模块；

步骤2：电荷转换放大模块的反馈网络决定了电荷信号转换成电压的幅值和输出电压信号的截止频率，同时转换后输出的电压信号分为多个支路进入隔离电路；

步骤3：各支路电压信号进入有源滤波放大模块通过带增益的有源滤波器进行放大滤波；

步骤4：经放大滤波后的各支路电压信号通过各自不同通道进入模数转换器转换进行信号采集和数字化处理，通过数字信号处理器采集和处理来自不同通道的数据信息。

7.根据权利要求6所述的一种基于压电薄膜的人体生理信号检测方法，其特征在于，步骤2所述截止频率由反馈网络中的T型电阻网络和电容数值共同决定。

8.根据权利要求6所述的一种基于压电薄膜的人体生理信号检测方法，其特征在于，所述步骤3的放大滤波过程包括：各支路电压信号分别通过隔离电路进入有源滤波放大模块，电压信号从运算放大器的负极输入，RC网络对电压信号进行交流耦合和信号滤波，并与反馈网络一起，控制信号增益，同时RC网络输入参考电压，匹配运算放大器失调电压，使交流信号正确偏置。

9.根据权利要求6所述的一种基于压电薄膜的人体生理信号检测方法，其特征在于，所述步骤3的放大滤波过程包括：各支路电压信号分别通过隔离电路进入有源滤波放大模块，从有源滤波器中运算放大器的正极输入，通过反馈网络和RC网络进行反馈滤波放大，反馈网络、RC网络和运算放大器共同构成有源低通滤波器。

10.根据权利要求6所述的一种基于压电薄膜的人体生理信号检测方法，其特征在于，所述步骤3的放大滤波过程包括：各支路电压信号分别通过隔离电路进入有源滤波放大模块，有源滤波放大模块的运算放大器构成带通滤波器对信号进行放大滤波。