CN2894611Y - 一种人体阻抗测量装置及应用该装置的脂肪计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种人体阻抗测量装置，包括一对输入电极及一对输出电极、恒流源、电压测量单元和运算处理单元；运算处理单元通过电压测量单元测得由恒流源流过人体所产生的电压，并根据校正参数计算出人体阻抗，使用时省去了对测量标准电阻的比较，省去了电子模拟开关的多次切换，大大减少了测量时间，降低了产品的成本，使电路更简单，同时增强了电路的抗干扰性，减少了电路的功耗。本实用新型还公开了一种利用人体阻抗测量装置制作的人体脂肪计，进行阻抗测量后转换为人体脂肪含量，快速准确。

Description

一种人体阻抗测量装置及应用该装置的脂肪计

技术领域

本实用新型涉及一种测量人体阻抗的装置以及应用该装置的脂肪计。

背景技术

使用科学的方法测量脂肪含量一直是学术界研究的课题，目前世界上公认的人体脂肪测量方法主要有以下几种：a、根据人体不同部位对X射线吸收差异测量脂肪的双能量X射线吸收法；b、利用光纤发射低能量的近红外光照射二头肌来测量脂肪的近红外线测量法；c、用特制卡尺在人体不同部位测量皮下脂肪厚度，再代入公式计算脂肪的皮肤卡尺法；d、根据人体脂肪比重比水小的原理来测量脂肪的水下称重法。遗憾的是由于上述方法都不同程度的存在技术要求高、操作困难、计算繁琐等问题，因此只适用于医疗等专业机构，难以进入平常百姓的家庭。

目前随着技术的发展，出现了一种使用低电压及微量电流量通过人体，利用人体中不同组织对电流的阻抗不同，来测量脂肪含量的生物电阻抗测量法。其测量方法简便，可以轻轻松松地检测的脂肪和水分含量，随时掌握个人体形指标。

现有的生物阻抗人体脂肪测量法，基本原理是这样的：首先由恒流源，产生恒定的交流正弦波电流，将该电流加到人体及标准电阻间，运用电压检测装置，检得电流在人体所产生的电压降，并且与流过标准电阻所产生的电压降进行比较，从而获得人体电阻，再通过相应的计算方法计算出人体脂肪。具体是这样实现的：恒流源的输出端串联着两个标准电阻(其中，一个阻值约为300Ω，一个约为500Ω)以及被测的人体，标准电阻以及被测人体的两端都设有触点，有电压检测器的输入端与模拟开关连接，模拟开关的另一触点分别与标准电阻以及被测人体的触点相连，分别获得标准电阻和被测人体的电压，参照图2。根据欧姆定律，电压与电阻之间为线性关系R_x＝(U_x-U₀)/I₀，参照图1，通过标准电阻阻值以及相应的电压值计算出电压初始值U₀以及恒流源的电流值I₀，然后再根据被测人体的电压U_x，计算获得人体阻抗R_x。

现有根据上述方法所制造的产品存在以下缺点：①每个产品上都装有两个以上校正电阻和较多的电子模拟开关，电路复杂，成本高，抗干扰性差；②每次使用都要测量多个校正电阻，测量时间较长；③由于校正电阻跟人体电阻串联，整个回路电阻比较高，因此需要供电电压较高，这样不利于采用干电池供电，或者必须减少电流值，最终影响测量准确性，而且容易产生削波失真，影响测量结果。另外现有的人体脂肪测量法，测量时，没对两脚间的接触情况作出判定，两脚与测量电极接触不良时，导致测量结果不准确。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种人体阻抗测量装置，使用时省去了对测量标准电阻的比较，省去了电子模拟开关的多次切换，大大减少了测量时间，降低了产品的成本，使电路更简单，同时增强了电路的抗干扰性，减少了电路的功耗。

本实用新型的另一个目的在于提供一种人体脂肪计，利用人体阻抗测量装置进行阻抗测量后转换为人体脂肪含量，快速准确。

本实用新型是这样来实现上述目的的：

一种人体阻抗测量装置，其特征在于包括一对输入电极、一对输出电极、恒流源、电压测量单元以及运算处理单元；输入电极分别与恒流源输出端相连，输入电极与输出电极与人体接触，输出电极与电压测量单元输入端相连，电压测量单元输出端与运算处理单元相连。

作为人体阻抗测量装置优选的实施方式，所述的校正参数包括电压和电流的温度补偿系数、恒流源的驱动能力补偿系数，存储于存储器中。

一种应用人体阻抗测量装置的人体脂肪计，其特征在于包括一对输入电极、一对输出电极、恒流源、电压测量单元、运算处理单元以及显示单元；输入电极分别与恒流源输出端相连，输入电极与输出电极与人体接触，输出电极与电压测量单元输入端相连，电压测量单元输出端与运算处理单元相连；显示单元与运算处理单元的输出端相连。

本实用新型的有益效果是：针对传统方案使用标准电阻的校正方法存在的缺点，本实用新型采用预先储存校正参数的校正方法，使用时只需检测流过人体所产生的电压，然后从存储器里读取校正参数，然后根据人体阻抗与电压的线性关系计算出人体阻抗，使用时省去了对测量标准电阻的比较，省去了电子模拟开关的多次切换，大大减少了测量时间，降低了产品的成本，使电路更简单，同时增强了电路的抗干扰性，减少了电路的功耗。本装置还充分考虑了影响测量人体阻抗的各种影响因素，包括环境温度的变化以及恒流源驱动能力不足等，利用相应的影响参数对人体阻抗的计算进行了校正，使得结果更加准确。而人体脂肪计则利用上述人体阻抗测量装置进行阻抗测量后转换为人体脂肪含量，快速准确。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

图1是电压与电阻的关系曲线图；

图2是现有人体阻抗测量装置结构图；

图3是本实用新型的人体阻抗测量装置结构框图；

图4是本实用新型的人体阻抗测量标定零点电压的连接图；

图5是本实用新型的人体阻抗测量标定恒流源输出电流的连接图；

图6是恒流源的输出电流与负载电阻的关系曲线图；

图7是本实用新型的人体阻抗测量标定恒流源的驱动能力补偿系数的连接图；

图8是温度以及恒流源驱动能力校正的电压与电阻的关系曲线图；

图9是本实用新型的人体脂肪计结构框图。

具体实施方式

参照图3，一种人体阻抗测量装置，包括一对跟人体接触并且向人体提供激励电流的输入电极1、1’；另外一对跟人体接触的检测由激励电流在人体所产生的电压降的输出电极2、2’；通过输入电极1、1’向人体提供恒定的激励电流的恒流源3；测量由激励电流在人体所产生的电压降的电压测量单元4；储存有校正参数，且对校正参数和电压测量单元4测量的电压进行运算处理从而计算出人体阻抗R_x的运算处理单元5。输入电极1、1’分别与恒流源3输出端相连，输入电极1、1’与输出电极2、2’与人体接触，输出电极2、2’与电压测量单元4输入端相连，电压测量单元4输出端与运算处理单元5相连。人体阻抗R_x的标定计算是这样进行的：运算处理单元5通过电压测量单元4测得由恒流源3流过人体所产生的电压，并根据校正参数计算出人体阻抗R_x。

其中所述电压测量单元4包括差动放大器41、整流器42和模/数转换器43，输出电极2、2’分别与差动放大器41的同向及反向输入端连接，差动放大器41的输出端与整流器42相连，整流器42的输出端与模/数转换器43相连，模/数转换器43的输出端与运算处理单元5相连。首先在差动放大器41的输出端获得一定电平的交变电压信号，交变电压信号输入到整流器42以获得相应电平值的直流电压信号，该直流电压信号送模/数转换器43，将相应的电压模拟信号转换为数字信号后运算处理单元5根据校正参数运算获得人体阻抗R_x。

其中上述运算处理单元5包括运算器51和存储器52，运算器51与电压测量单元4的输出端相连以获得电压信号相应的数字信号；存储器52与运算器51相连，校正参数存储于存储器52内，包括零点电压U₀、恒流源3的输出电流值I₀以及其他补偿参数。

下面详细的描述人体阻抗测量装置的工作过程及原理。

A.参数测定。根据电压与电阻间的线性关系R_x＝(U_x-U₀)/I₀，参照图1，需要对参数零点电压U₀及恒流源3的输出电流值I₀进行测定。首先，参照图4，把输入电极1、1’和输出电极2、2’这4个电极进行短接，这时电压测量单元4测得的电压为零点电压U₀，运算器51把零点电压U₀存入存储器52中的指定地址；然后，参照图5，把输入电极1、1’及输出入电极2、2’分别进行短接，在输出电极2与输出电极2’之间接上阻值为1000Ω的标准精密电阻R₀，这时电压测量单元4测得的电压为U_R0，根据欧姆定律，I₀＝(U_R0-U₀)/R₀，计算得出恒流源3的电流I₀。运算器51再把电流I₀的存入存储器52中的指定地址。

B.人体阻抗的测量。在测量时，人体两脚与输入电极1、1’，输出电极2、2’接触，所产生的恒流源信号从输入电极1、1’输入到人体，电流流过人体并产生电压，由电压测量单元4测得输出电极2、2’的电压U_x，并将该电压送运算器51，同时运算器51从存储器52里读取校正参数I₀及U₀，然后通过公式R_x＝(U_x-U₀)/I₀计算出人体阻抗R_x。

校正参数是厂家在出厂时，将测定的校正参数写入存储器52中。但在实际使用中可能由于环境、负载阻抗等因数影响会导致人体阻抗R_x的计算产生偏差，因此需要将上述影响因数也添加到校正参数中，对人体阻抗R_x的计算进行相应的修正。

(1)温度系数校正，包括零点电压温度系数以及输出电流温度系数。当用户使用的温度与出厂时写入校正参数的温度不同时，电压测量单元4中的差动放大器41，整流器42，模/数转换器43等电气参数会因温度变化而产生漂移，从而使零点电压U₀以及恒流源3的电流I₀发生相应的变化，参照图6。假定出厂时标定温度为T₀，使用温度为T₁，则使用时零点电压参数U₁，恒流源3的输出电流I₁，则有：

U₁＝U₀[1+(T₁-T₀)K₁]

I₁＝I₀[1+(T₁-T₀)K₂]

其中K₁，K₂为零点电压温度系数以及输出电流温度系数。

(2)恒流源的驱动能力补偿，在理想状态下，对于不同的负载，也就是输出的电压不同时，恒流源3的驱动能力是一致的，产生在负载电阻上的电压跟电阻值成线性关系。但在实际测量中，随着负载电阻值的不同，恒流源3输出电压也不同，恒流源3的实际输出电流会有所变化。一般情况下，恒流源3的输出电流随着输出电压的增大而减少，如图6所示。可以通过测定负载电阻和产生在该负载电阻上的电压来计算出恒流源的实际输出电流与输出电压的关系，从而对恒流源3的实际输出电流进行补偿。

在测量人体阻抗R_x时，人体与电极的接触电阻R_c受多种因数影响而有所不同，例如皮肤的湿润程度、接触面积的大小、皮肤角质层的厚度等。本实用新型所应用的开尔文电桥可以减少这些接触电阻R_c对测量的影响，但接触电阻R_c的增大会使恒流源的输出电流产生变化，从而也会一定程度上影响人体阻抗R_x的测量准确性。为使测量更准确，本实用新型运用了驱动能力修正技术，如图7。测量时，电压测量单元4与输入电极1、1’相连，检测恒流源3的电流流过接触电阻R_c以及人体阻抗R_x所产生的总压降U_c，假定恒流源3在一定的负载下输出的实际电流为I2，同时考虑温度影响因素后有：

I₂＝I₁[1+(U_c-U₁)K₃]

K₃为电流驱动能力系数。

最终人体阻抗R_x的计算公式为R_x＝(U_x-U₁)/I₂，将上述U₁、U_c、I₁以及I₂等代入上述公式即可计算获得人体阻抗R_x。电压温度系数K₁、电流温度系数K₂以及电流驱动能力系数K₃都存储在存储器52中，在使用时，运算器51在运算时会相应的调用电压温度系数K₁、电流温度系数K₂以及电流驱动能力系数K₃对电压信号与人体阻抗之间的线性关系进行温度校正。

在测量人体阻抗R_x时，如果皮肤和电极接触不良，例如穿袜子，的情况下，整个回路的电阻很高，恒流源3的理论输出电压大于实际电压工作范围，输出电流也变成非恒定，这时会产生削波失真，严重影响测量结果。因此在输出电极2、2’分别与差动放大器41之间还连接有模拟开关6，所述开关6一端分别与差动放大器41的同向及反向输入端连接，另一端与输入电极1、1’或输出电极2、2’相连，该开关6的控制端与运算处理单元5相连。使用时，通过运算处理单元5控制模拟开关6与输入电极1、1’连接，从而直接检得恒流源的总输出电压U_c，当检得的电压U_c大于设定的电压U_max时，则说明接触电阻R_c太大，也就是人体与电极接触不良，这时运算处理单元作出相应的提示。如果检得的电压U_c在正常的范围内，运算处理单元5控制模拟开关6与输出电极2、2’连接，检测输出电极2、2’的电压U_x，并进行人体阻抗R_x的计算。

由于利用人体阻抗测量装置进行阻抗测量后可根据人体阻抗R_x与人体脂肪含量之间一定的对应关系制作人体脂肪计，其包括一对输入电极1、1’、一对输出电极2、2’、恒流源3、电压测量单元4、运算处理单元5以及显示单元7；输入电极1、1’分别与恒流源3输出端相连，输入电极1、1’与输出电极2、2’与人体接触，输出电极2、2’与电压测量单元4输入端相连，电压测量单元4输出端与运算处理单元5相连；显示单元7与运算处理单元5的输出端相连。运算处理单元5通过电压测量单元4测得由恒流源3流过人体所产生的电压，并根据校正参数计算出人体阻抗R_x，然后再根据人体阻抗R_x、人体参数(包括身高、体重等)与脂肪含量的对应关系运算获得人体的脂肪含量，最终通过与运算处理单元5相连的显示单元显示7出来。当然，在人体阻抗R_x与脂肪含量的转换关系中涉及到人体的体重，因此人体脂肪计还设有重量测量单元8，其与运算处理单元5输入端相连，这样就可以直接获得人体的体重参数，无需另外输入。

针对传统方案使用标准电阻的校正方法存在的缺点，本实用新型采用预先储存校正参数的校正方法，使用时只需检测流过人体所产生的电压U_x，然后从存储器里读取校正参数，然后根据人体阻抗R_x与电压U_x的线性关系计算出人体阻抗R_x，使用时省去了对测量标准电阻的比较，省去了电子模拟开关的多次切换，大大减少了测量时间，降低了产品的成本，使电路更简单，同时增强了电路的抗干扰性，减少了电路的功耗。本装置还充分考虑了影响测量人体阻抗R_x的各种影响因素，包括环境温度的变化以及恒流源驱动能力不足等，利用相应的影响参数对人体阻抗的计算进行了校正，使得结果更加准确。另外，本装置还通过测量输入电极的电压来判断是否接触良好或者使用者是否穿着袜子。而人体脂肪计则利用上述人体阻抗测量装置进行阻抗测量后转换为人体脂肪含量，快速准确。

Claims (8)

1.一种人体阻抗测量装置，其特征在于包括一对输入电极(1、1’)、一对输出电极(2、2’)、恒流源(3)、电压测量单元(4)以及运算处理单元(5)；输入电极(1、1’)分别与恒流源(3)输出端相连，输入电极(1、1’)与输出电极(2、2’)与人体接触，输出电极(2、2’)与电压测量单元(4)输入端相连，电压测量单元(4)输出端与运算处理单元(5)相连。

2.根据权利要求1所述的一种人体阻抗测量装置，其特征在于所述电压测量单元(4)包括差动放大器(41)、整流器(42)和模/数转换器(43)，输出电极(2、2’)分别与差动放大器(41)的同向及反向输入端连接，差动放大器(41)的输出端与整流器(42)相连，整流器(42)的输出端与模/数转换器(43)相连，模/数转换器(43)的输出端与运算处理单元(5)相连。

3.根据权利要求1所述的一种人体阻抗测量装置，其特征在于所述运算处理单元(5)包括运算器(51)和存储器(52)，运算器(51)与电压测量单元(4)的输出端相连；存储器(52)与运算器(51)相连，其内存储有校正参数，包括零点电压以及恒流源(3)的输出电流值。

4.根据权利要求3所述的一种人体阻抗测量装置，其特征在于存储器(52)中还存储有零点电压温度系数以及输出电流温度系数。

5.根据权利要求3或4述的一种人体阻抗测量装置，其特征在于存储器(52)中还存储有电流驱动能力系数。

6.根据权利要求2述的一种人体阻抗测量装置，其特征在于输出电极(2、2’)分别与差动放大器(41)之间还连接有模拟开关(6)，所述开关(6)一端分别与差动放大器(41)的同向及反向输入端连接，另一端与输入电极(1、1’)或输出电极(2、2’)相连；该开关(6)的控制端与运算处理单元(5)相连。

7.一种应用根据权利要求1所述的人体阻抗测量装置的人体脂肪计，其特征在于包括一对输入电极(1、1’)、一对输出电极(2、2’)、恒流源(3)、电压测量单元(4)、运算处理单元(5)以及显示单元(7)；输入电极(1、1’)分别与恒流源(3)输出端相连，输入电极(1、1’)与输出电极(2、2’)与人体接触，输出电极(2、2’)与电压测量单元(4)输入端相连，电压测量单元(4)输出端与运算处理单元(5)相连；显示单元(7)与运算处理单元(5)的输出端相连。

8.根据权利要求7述的一种人体脂肪计，其特征在于还设有重量测量单元(8)，其与运算处理单元(5)输入端相连。

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