一種新型測脈電容傳感器的設(shè)計(jì)與仿真

摘 要：該課題研究由浙江省大學(xué)生科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助，該文介紹了一種全新的差動電容式脈象傳感器。三塊平行放置的金屬極板組成兩個電容器，一個用做測量脈搏跳動的檢測電容，另一個則作為參考電容。測量電容的金屬極板隨著人體脈搏的跳動而上下浮動，從而改變了兩個極板間的距離，使測量電容的值發(fā)生周期性變化。通過CAV424芯片，將參考電容的值與測量電容的值做差分運(yùn)算和放大運(yùn)算，輸出一個大小隨差分信號變化的電壓信號。AD采集此電壓信號，即為數(shù)字化后的人體脈搏信號。

關(guān)鍵詞：測脈 電容傳感器 CAV424

中圖分類號：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0057-03

隨著傳感器、集成電路和信號分析技術(shù)的快速發(fā)展，采集復(fù)雜和微弱的人體信息技術(shù)日趨成熟，將其應(yīng)用于傳統(tǒng)中醫(yī)診脈，對傳統(tǒng)中醫(yī)研究必然產(chǎn)生巨大推動作用，有利于弘揚(yáng)民族文化，造福人類。當(dāng)前，脈象傳感器按種類可以分為壓電晶片式、電磁式、炭粒式、電動切脈器式、應(yīng)電阻式、超聲波式[1]，但是基于電容式傳感器進(jìn)行測量的則較少，本文主要介紹一種新型的測脈電容壓力傳感器的設(shè)計(jì)與仿真，其信號處理電路運(yùn)用CAV424芯片。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強(qiáng)，非接觸測量、結(jié)構(gòu)簡單、精度高、非線性誤差小、動態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)[2]，動態(tài)響應(yīng)特性好和對高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)。CAV424電容信號檢測集成電路能與A/D轉(zhuǎn)換器及微處理器組成一個完整的高精度測量系統(tǒng)[3]，使得后續(xù)電路的設(shè)計(jì)也相對簡便。

1 電容式脈象傳感器原理

1.1 電容式脈象傳感器的結(jié)構(gòu)

電容式傳感器是一種將被測的非電量的變換轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器[4]，其設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其后的信號處理電路，因此，設(shè)計(jì)如圖1的傳感器結(jié)構(gòu)。其中1，2，3為三片導(dǎo)電性能很好的圓形金屬極板（相鄰兩極板間距離為d），7為固定金屬極板的夾具，6為高介電常數(shù)的聚合物材料，4為附著在最下層金屬極板下表面的具有良好彈性形變的硼硅膜，5為最下層金屬極板在有脈搏跳動時的移動位置（相對原位置移動的距離為Δd）。將極板2接地，作為公共極板，與極板1及介電材料構(gòu)成參考電容，與極板3及介電材料構(gòu)成測量電容。

當(dāng)脈搏跳動時，極板3會隨著脈搏上下浮動，Δd即為其浮動的距離。此時，極板2和3構(gòu)成的電容器因極板距離的變化而發(fā)生改變，從而產(chǎn)生一個變化的電容信號。變化的電容信號經(jīng)過后續(xù)信號處理電路的處理，就能得到脈搏信號（圖1）。

1.2 CAV424的特性

傳統(tǒng)的電容式傳感器信號處理電路一般是通過模擬電路來實(shí)現(xiàn)的，這種方式在實(shí)際應(yīng)用中有許多不足，比如電路的集成性較差，處理精度不高，容易受外界干擾等。因此采用集成電路的方式設(shè)計(jì)電路是比較好的選擇。CAV424是一款專門用于電容檢測轉(zhuǎn)換的集成芯片。它可以直接連接測量電容，不需要任何附加處理電路，其內(nèi)部能同時完成信號差分，濾波和放大功能，輸出一個正比于差分信號的電壓信號。電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容（1～2 m導(dǎo)線可達(dá)800 pF）、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與周圍道題構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大[5]，因此，將芯片與傳感器與芯片電路封裝在一起，可以克服這一缺陷。圖2是CAV424的電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

CAV424的原理是通過電容控制頻率可調(diào)的參考振蕩器驅(qū)動兩個構(gòu)造對稱的積分器并使它們在時間和相位上同步。兩個積分器的振幅分別由參考電容和測量電容來決定。由于積分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以兩個積分器的振幅的差值信號就反映出兩個電容和的差值。這個電壓差值通過其后的有源濾波器濾波為直流電源信號（整流效應(yīng)），然后送到可調(diào)的放大器，調(diào)整到所需要的輸出電壓值。如果兩個電容和值相同，那么經(jīng)過整流和濾波得到的直流電壓信號就為零。如果測量電容改變了，那么得到的輸出電壓與之是成正比的。如果兩個電容和值不相同，那么當(dāng)時，在輸出端得到的是一個偏置值，它始終是疊加在直流電壓信號上的。差分電壓輸出可直接聯(lián)接到A/D轉(zhuǎn)換電路上。

2 傳感器特性計(jì)算與仿真

2.1 靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)或緩慢變化時，傳感器輸出值與輸入值之間的關(guān)系[6]，其主要參數(shù)為靜態(tài)靈敏度和線性度。傳感器的初始值為

當(dāng)隨著脈搏浮動Δd以后，其值變化為，，變化量和靜態(tài)靈敏度分別為

將式3展開為泰勒級數(shù)

當(dāng)極距變化時，又因，可得

所以，傳感器的輸出與輸入之間不是線性關(guān)系。

2.2 動態(tài)特性

傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是指傳感器在受到隨時間變化的輸入量作用時，輸出—輸入之間的關(guān)系[7]。傳感器的輸入為極板間距離，與的關(guān)系為

而經(jīng)過兩個積分器處理后，輸出變?yōu)闉榉e分器的電壓差值。芯片輸出信號與成正比關(guān)系，因此，設(shè)放大器的放大倍數(shù)為k，則，于是

3 傳感器仿真

Simulink是著名的數(shù)學(xué)分析計(jì)算軟件的Matlab的重要組件之一，是一種可視化的仿真工具。它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。由于其基于Matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，無需編寫大量的程序，只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)拖拽仿真模塊，設(shè)定參數(shù)，即可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)，具有模塊化、可重裝、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程及可視化等特點(diǎn)，可以大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性[8]，貼近實(shí)際，方便靈活，操作簡單，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用與各種需要進(jìn)行仿真計(jì)算的領(lǐng)域。在此，我們選用Simulink對電容脈象傳感器進(jìn)行仿真，其仿真框圖如圖3。

系統(tǒng)輸入信號是振幅為1，頻率為1Hz的正弦信號，如圖X所示，Scope2是輸出信號，如圖4所示。

可以看出，系統(tǒng)的輸入輸出是非線性關(guān)系。因此，需要對其進(jìn)行改進(jìn)。因系統(tǒng)的輸出u應(yīng)為的n倍，即，所以，將其帶入式7，得

改進(jìn)后的仿真框圖如圖5所示

以原信號作為系統(tǒng)輸入，對應(yīng)的輸出信號Scope3如圖6所示。

4 結(jié)語

利用專用的信號處理芯片有利于脈象信號傳感器朝著微型化，專業(yè)化的方向發(fā)展。電容式脈象傳感器采用CAV424集成芯片作為信號處理的核心，免去了處理傳統(tǒng)電容信號的復(fù)雜模擬電路，使其噪聲控制性能和測量精度顯著提高，設(shè)計(jì)更加簡單快捷。需要注意的是在設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量縮短傳感器與CAV424之間的連線長度，并且注意在遠(yuǎn)離電磁輻射的環(huán)境中使用。

參考文獻(xiàn)

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