CN204106008U - 一种测脂电路及体脂秤 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种测脂电路及体脂秤，其中电阻选择电路中由第一测试电阻Rt、第二测试电阻Rt’和测量电极依次串联成串联电路，反相交流放大电路输出的交流电压加在串联电路的两端；电压采样电路先后采集测量电极两端的电压、第二测试电阻Rt’两端的电压、第一测试电阻Rt和第二测试电阻Rt’两端的电压，通过三次测量的电压方程即可求得人体电阻Rb的值；为了矫正因电阻误差及放大器误差带来的等效偏移，本实用新型通过引入外部测试电阻的方式间接计算测试电阻的等效偏移。待得出计算结果之后保存入测脂电路的存储器中，在实际测量中，将等效偏移代入人体电阻Rb的计算方程中，即可消除由于等效偏移产生的影响，得到人体电阻Rb的准确测量值。

Description

一种测脂电路及体脂秤

技术领域

本实用新型涉及健康管理技术领域，特别涉及一种测脂电路及体脂秤。 

背景技术

随着生活水平日渐提高，公众对身体情况的重视程度逐渐加深，了解身体的体重、体脂率等体征参数的愿望日益迫切。体脂率是指体内脂肪所占体重的比率，过高的体脂率易导致高血压、心脏疾病、糖尿病和癌症等慢性病，如果能够得到准确的体脂率，则可以此为依据进行有针对性的个人健康管理。因而将普通仅具备称重功能的人体秤扩展为兼具体脂测量功能，已经是当前智能人体秤的发展趋势。 

现有技术中具有测脂功能的测量仪主要是通过与皮肤相接处的电流电极向双手或双脚间施加一个直流电信号，然后测量在通过与皮肤相接触的电极上产生的电压，以此得到人体阻抗Z。该方法的测量原理主要是根据人体中的脂肪组织导电性要比非脂肪组织(肌肉)的导电性差，如果人体体内的脂肪量高的话，其身体内部的人体阻抗Z。根据测试者的身高H、体重W和人体阻抗Z，计算得到身体密度DB，其计算公式如下所示： 

DB-A-k×W×Z/H²

其中：A为常数，k为比例系数。 

则脂肪率的计算公式如式下所示： 

脂肪率＝(4.57/DB-4.142)×100 

由此可知，精确测量人体阻抗Z是得到高精度的脂肪率的关键。由于生物体中存在的水分为两种形态，即细胞外液和细胞内液，其中细胞外液流动于细胞膜外壁之间和血管内，细胞内液由细胞膜包裹在细胞之内。电流流过生物组织时细胞膜等效于电容，而细胞内、外液等效于爱你组。对于整个生物组织，科士威无视的细胞的集合，在低频电流流过时，由于细胞膜的容抗作用，等效于无数的电容并联对电流的容抗作用，因此可将细胞膜等效于一个总电容。根据cole-cole模型，当高频的电流施加于生物组织时，由于细胞内外液的电阻抗远大于细胞膜电容抗，可忽略 容抗作用，只考虑电阻抗。 

但由于现有技术中的测脂电路在测量人体阻抗Z时，采用理想化模型，即不考虑电阻及放大器的线性误差，这使得测得的人体阻抗Z与真实值之间具有较大误差，进而使得基于人体阻抗Z计算得到的脂肪率也严重失真，参考性较差。 

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种通过采用精度高温漂小的参考电阻以及等效偏移量的后校准方法，得到能够计算精确的人体阻抗测量值的测脂电路；以及使用该测脂电路的体脂秤。 

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是： 

一种测脂电路，其特征在于：它包括依次连接的振荡电路、反相交流放大电路、电阻选择电路、电压采样电路和峰值取样电路，其中所述振荡电路输出的交流信号经过所述反相交流放大电路的放大后，形成具有一定波形和频率的交流电压；所述电阻选择电路中第一测试电阻Rt、第二测试电阻Rt’和测量电极依次串联成串联电路，所述交流电压加在所述串联电路的两端；所述电压采样电路可采集测量电极两端的电压、第二测试电阻Rt’两端的电压、第一测试电阻Rt和第二测试电阻Rt’两端的电压，并将所述电压输入所述峰值取样电路；所述峰值取样电路输出所述电压的峰值； 

流过所述串联电路的电流为I，所述峰值取样电路中的二极管压降为VD，测量加在所述测量电极之间的人体电阻Rb的步骤包括： 

1)测试所述第一测试电阻Rt和第二测试电阻Rt’，在所述峰值取样电路的输出端获得第一输出电压： 

V1＝I×(Rt+Rt’)-VD             (1) 

2)测试所述第二测试电阻Rt’，在所述峰值取样电路的输出端获得第二输出电压： 

V2＝I×(Rt’)-VD             (2) 

3)测试所述人体电阻Rb，在所述峰值取样电路的输出端获得第三输出电压： 

V3＝I×Rb-VD             (3) 

4)可计算出所述人体电阻Rb： 

Rb＝Rt×K+(Rt+Rt’)             (4) 

其中，K＝(V3-V1)/(V1-V2)； 

考虑所述第一测试电阻Rt的等效偏移ΔR1和第二测试电阻Rt’的等效偏移ΔR2后，方程(4)变为 

Rb＝(Rt+ΔR1)×K+(Rt+Rt’)+ΔR2    (5) 

5)将第一外部测试电阻Rcal1＝Rt+Rt’放置到所述测量电极之间，并在所述峰值取样电路的输出端测得第一测试电压Vc1； 

6)将第二外部测试电阻Rcal2＝Rt’放置到所述测量电极之间，并在所述峰值取样电路的输出端测得第二测试电压Vc2； 

7)将所述第一外部测试电阻Rcal1、所述第二外部测试电阻Rcal2、所述第一测试电压Vc1、所述第二测试电压Vc2代入方程(5)中，得到： 

ΔR1＝(Rt×(Vc1-Vc2))/(V1-V2)-Rt 

ΔR2＝((Vc1-V1)/(Vc1-Vc2))×Rt 

将所述第一测试电阻Rt的等效偏移ΔR1和第二测试电阻Rt’的等效偏移ΔR2的值储存起来，并在实际测量人体电阻Rb时代入方程(5)中可得到人体电阻Rb的精确数值。 

所述振荡电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一运算放大器、第一电容、第二电容和第三电容；所述第一电阻连接在第一运算放大器正输入端和输出端之间；所述第四电阻连接在所述第一运算放大器的负输入端和输出端之间；所述第二电阻和第三电阻串联后与所述第一电容并联成一混联电路，且所述混联电路连接在电源与接地点之间，所述第二电阻和第三电阻的中点连接所述第一运算放大器的正输入端；所述第二电容连接在所述第一运算放大器的负输入端和接地点之间；所述第一运算放大器的输出端通过所述第三电容连接所述反相交流放大电路中的第五电阻。 

所述反相交流放大电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第四电容、第五电容和第二运算放大器；所述第六电阻和第五电容并联后构成的并联电路连接在所述第二运算放大器的输出端和负输入端之间；所述第二运算放大器的输出端连接第五电阻；所述第七电阻和第八电阻串联后的串联电路连接在电源与接地点之间，且所述第四电容与第八电阻并联。 

所述电阻选择电路包括第一测试电阻、第二测试电阻、一对测量电极，以及并联在所述第一测试电阻两端的第一开关组、并联在所述第二测试电阻两端的第二开关组、并联在所述测量电极两端的第三开关组；所述第一测试电阻、第二测试电阻、一对测量电极依次串联后再与所述第五电容C5并联。 

所述电压采样电路包括第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第三运算放大器和第六电容；所述第三运算放大器的正输入端同时连接所述第一开关组、第二开关组和第三开关组的正极开关，所述第三运算放大器的负输入端同时连接所述第一开关组、第二开关组和第三开关组的负极开关；所述第三运算放大器的正输入端还通过第九电阻连接第二运算放大器的正输入端，所述第十二电阻连接在第三运算放大器的负输入端和输出端之间；所述第三运算放大器的输出端通过第六电容连接在峰值取样电路中二极管的正极。 

所述峰值取样电路包括第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第七电容和二极管；其中所述第十三电阻和第十四电阻串联后的串联电路连接在电源与接地点之间，所述第十三电阻和第十四电阻的中点连接二极管的正极；所述第七电容与第十五电阻并联后的并联电路一端连接所述二极管的负极，另一端连接接地点；所述二极管的负极作为所述测脂电路的输出端。 

所述交流电压的频率为50KHZ。 

一种体脂秤，其特征在于：所述体脂秤包括如上所述的测脂电路。 

本实用新型的技术效果如下： 

本实用新型的一种测脂电路，其特征在于：它包括依次连接的振荡电路、反相交流放大电路、电阻选择电路、电压采样电路和峰值取样电路，其中振荡电路输出的交流信号经过反相交流放大电路的放大后，形成具有一定波形和频率的交流电压；电阻选择电路中第一测试电阻Rt、第二测试电阻Rt’和测量电极依次串联成串联电路，交流电压加在串联电路的两端；电压采样电路可采集测量电极两端的电压、第二测试电阻Rt’两端的电压、第一测试电阻Rt和第二测试电阻Rt’两端的电压，并将电压输入峰值取样电路；峰值取样电路输出电压的峰值；通过三次测量的电压方程即可求得人体电阻Rb的值。 

为了矫正因电阻误差及放大器误差带来的等效偏移，本实用新型通过引入外部测试电阻的方式间接计算测试电阻的等效偏移。待得出计算结果之后保存入测脂电路的存储器中，在实际测量中，将等效偏移代入人体电阻Rb的计算方程中，即可消除由于等效偏移产生的影响，得到人体电阻Rb的准确测量值。 

附图说明

图1是本实用新型的测脂电路结构框图 

图2是本实用新型的测脂电路实施例示意图 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。 

如图1所示，本实用新型的测脂电路包括振荡电路1、反相交流放大电路2、电阻选择电路3、电压采样电路4和峰值取样电路5。 

振荡电路1用于输出一定波形和频率的交流信号，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一运算放大器A1、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3。第一电阻R1连接在第一运算放大器A1正输入端和输出端之间；第四电阻R4连接在第一运算放大器A1的负输入端和输出端之间；第二电阻R2和第三电阻R3串联后与第一电容C1并联成一混联电路，且该混联电路连接在电源VDD与接地点之间，第二电阻R2和第三电阻R3的中点连接第一运算放大器A1的正输入端；第二电容C2连接在第一运算放大器A1的负输入端和接地点之间；第一运算放大器A1的输出端通过第三电容C3连接反相交流放大电路2中的第五电阻R5。其中交流信号的频率为50KHZ。 

反相交流放大电路2用于对振荡电路1输出的交流信号进行放大，包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第四电容C4、第五电容C5和第二运算放大器A2。第六电阻R6和第五电容C5并联后构成的并联电路连接在第二运算放大器A2的输出端和负输入端之间；第二运算放大器A2的输出端连接第五电阻R5；第七电阻R7和第八电阻R8串联后的串联电路连接在电源VDD与接地点之间，且第四电容C4与第八电阻R8并联。反相交流放大电路2的放大倍数基本上由第五电阻R5和第六电阻R6的比值决定。 

电阻选择电路3用于选通被测电阻，包括第一测试电阻Rt、第二测试电阻Rt’、一对测量电极，以及并联在第一测试电阻Rt两端的第一开关组T1、并联在第二测试电阻Rt’两端的第二开关组T2、并联在测量电极两端的第三开关组T3，且第一测 试电阻Rt和第二测试电阻的范围为300Ω～600Ω。第一测试电阻Rt、第二测试电阻Rt’、一对测量电极依次串联后再与第五电容C5并联。当用户将测量电极置于身体规定部位时，相当于将人体电阻Rb接入第一测试电阻Rt、第二测试电阻Rt’所在的串联电路中，则可以通过开闭第一开关组T1、第二开关组T2和第三开关组T3来选择测量哪个电阻两端的电压。 

电压采样电路4可在不改变被测电阻两端电压波形的前提下，进行电压采样，包括第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第三运算放大器A3和第六电容C6。第三运算放大器A3的正输入端同时连接第一开关组T1、第二开关组T2和第三开关组T3的正极开关，第三运算放大器A3的负输入端同时连接第一开关组T1、第二开关组T2和第三开关组T3的负极开关；第三运算放大器A3的正输入端还通过第九电阻R9连接第二运算放大器A2的正输入端，第十二电阻R12连接在第三运算放大器A3的负输入端和输出端之间；第三运算放大器A3的输出端通过第六电容C6连接在峰值取样电路5中二极管D1的正极。 

峰值取样电路5用于采集电压采样电路4输出的电压峰值，包括第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第七电容C7和二极管D1。其中第十三电阻R13和第十四电阻R14串联后的串联电路连接在电源VDD与接地点之间，第十三电阻R13和第十四电阻R14的中点连接二极管D1的正极；第七电容C7与第十五电阻R15并联后的并联电路一端连接二极管D1的负极，另一端连接接地点；二极管D1的负极作为整个测脂电路的输出端，向外输出第一测试电阻Rt、第二测试电阻Rt’、测量电极上的峰值电压。 

一般的体脂测量过程中，测试人体阻抗的方法是使用理想化模型，即不考虑电阻及放大器线性误差，假设由振荡电路1输出的交流电流为I，电路等效的放大倍数为A，二极管压降为VD。其步骤包括： 

1)测试Rt+Rt’的电阻，在测脂电路的输出端获得第一输出电压： 

V1＝I×(Rt+Rt’)×A-VD        (1) 

2)测试Rt’的电阻，在测脂电路的输出端获得第二输出电压： 

V2＝I×(Rt’)×A-VD        (2) 

3)测试人体电阻Rb，在测脂电路的输出端获得第三输出电压 

V3＝I×Rb×A-VD            (3) 

4)基于由以上公式则可计算出人体电阻： 

Rb＝Rt×K+(Rt+Rt’)        (4) 

其中，K＝(V3-V1)/(V1-V2)。 

由于运放器件以及电子开关的不一致性，测量时的电阻误差及放大器误差并不能完全忽略，Rt及Rt+Rt’经过电子开关及放大器驱动后，会出现等效偏移，变为Rt+ΔR1和Rt+Rt’+ΔR2， 

则人体电阻Rb变为Rb＝(Rt+ΔR1)×K+(Rt+Rt’)+ΔR2     (5) 

可以验证，这个系统误差ΔR1和ΔR2仍然是线性的，于是在上述测脂电路的基础上，增加存储模块S1，并通过第一外部测试电阻Rcal1和第二外部测试电阻Rcal2对人体电阻Rb做以下硬件校正步骤： 

5)将第一外部测试电阻Rcal1＝Rt+Rt’放置到Rb位置，并在测脂电路的输出端测得第一测试电压Vc1； 

6)将第二外部测试电阻Rcal2＝Rt’再次放置到Rb位置，并在测脂电路的输出端测得第二测试电压Vc2； 

7)将Rcal1、Rcal2、Vc1、Vc2代入方程(5)中，得到： 

ΔR1＝(Rt×(Vc1-Vc2))/(V1-V2)-Rt 

ΔR2＝((Vc1-V1)/(Vc1-Vc2))×Rt 

将ΔR1及ΔR2的值存入存储器S1中，并在用户实际测量所述人体电阻Rb时代入方程(5)中可以得到人体电阻Rb的精确数值。 

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本实用新型创造，但不以任何方式限制本实用新型创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本实用新型创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本实用新型创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型创造专利的保护范围当中。 

Claims (6)

1.一种测脂电路，其特征在于：它包括依次连接的振荡电路、反相交流放大电路、电阻选择电路、电压采样电路和峰值取样电路，所述反相交流放大电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第四电容、第五电容和第二运算放大器；所述第六电阻和第五电容并联后构成的并联电路连接在所述第二运算放大器的输出端和负输入端之间，所述第五电阻连接在所述第二运算放大器的输出端和所述振荡电路的输出端之间；所述第七电阻和第八电阻串联后的串联电路连接在电源与接地点之间，且所述第四电容与所述第八电阻并联； 

所述电阻选择电路包括第一测试电阻、第二测试电阻、一对测量电极，以及并联在所述第一测试电阻两端的第一开关组、并联在所述第二测试电阻两端的第二开关组、并联在所述测量电极两端的第三开关组；所述第一测试电阻、第二测试电阻、一对测量电极依次串联后再与所述第五电容并联。 

2.如权利要求1所述的一种测脂电路，其特征在于：所述振荡电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一运算放大器、第一电容、第二电容和第三电容；所述第一电阻连接在第一运算放大器正输入端和输出端之间；所述第四电阻连接在所述第一运算放大器的负输入端和输出端之间；所述第二电阻和第三电阻串联后与所述第一电容并联成一混联电路，且所述混联电路连接在电源与接地点之间，所述第二电阻和第三电阻的中点连接所述第一运算放大器的正输入端；所述第二电容连接在所述第一运算放大器的负输入端和接地点之间；所述第一运算放大器的输出端通过所述第三电容连接所述反相交流放大电路中的第五电阻。 

3.如权利要求1所述的一种测脂电路，其特征在于：所述电压采样电路包括第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第三运算放大器和第六电容；所述第三运算放大器的正输入端同时连接所述第一开关组、第二开关组和第三开关组的正极开关，所述第三运算放大器的负输入端同时连接所述第一开关组、第二开关组和第三开关组的负极开关；所述第三运算放大器的正输入端还通过第九电阻连接第二运算放大器的正输入端，所述第十二电阻连接在第三运算放大器的负输入端和输出端之间；所述第三运算放大器的输出端通过第六电容连接在峰值取样电路中二极管的正极。 

4.如权利要求1所述的一种测脂电路，其特征在于：所述峰值取样电路包括第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第七电容和二极管；其中所述第十三电阻和第十四电阻串联后的串联电路连接在电源与接地点之间，所述第十三电阻和第十四电阻的中点连接二极管的正极；所述第七电容与第十五电阻并联后的并联电路一端连接所述二极管的负极，另一端连接接地点；所述二极管的负极作为所述测脂电路的输出端。 

5.如权利要求1～4之一所述的一种测脂电路，其特征在于：所述第一测试电阻Rt和第二测试电阻的范围为300Ω～600Ω。 

6.一种体脂秤，其特征在于：所述体脂秤包括如权利要求1～6之一所述的测脂电路。