édric ano Uppsala 51199 010050693 Mätsystem F4Sys Pulsmätare med Isensor
Sammanfattning Jag har valt att konstruera en pulsmätare som arbetar genom att utnyttja Iteknik. Då ett finger placeras på Isensorn kan pulsen avläsas på ett oscilloskop. Isensorn består i det här fallet av en krets som integrerat en Ilysdiod som sänder iväg Iljus och en Ifototransistor som tar emot Iljus. Då fingret placeras över dessa båda kan det reflekterade ljuset mätas upp. Då detta varierar med bloddensiteten så kan jag detektera pulsen. En förstärkare och ett LPfilter är dessutom viktiga komponenter för att få en stark och ren signal.
Innehållsförteckning Inledning 4 Teori och Uppkoppling 5 eflexdetektorkretsen 5 Förstärkarkretsar och länkar 5 SallenKey filter 56 esultat och Diskussion Den sammankopplade kretsen Figurer 8 Extrauppgift: Överföringsfunktion 9 3
Inledning En intressant mätstorhet i många medicinska sammanhang är att mäta pulsen hos en människa för att undersöka hjärtverksamheten. För att kunna få mer exakta resultat används EKG, där man studerar flera punkter på bröstkorgen med hjälp av elektroder som mäter den elektriska aktiviteten för att kunna få mer information. Ibland vill man bara ha enklare information om den aktuella hjärtrytmen vid olika ansträngning, t.ex. i motionssammanhang eller liknande, då räcker det bra att mäta pulsen. Detta kan delvis användas som uppskattning av en persons kondition, vilket är ett mått på personens syreupptagningsförmåga, dvs. hur många gånger hjärtat måste pumpa för att ge tillräcklig mängd syre. Det är självklart också intressant hur stor hjärtvolymen är, dvs hur mycket blod som pumpas runt i varje hjärtslag, men det är ändå naturligt att pulsen kan ge ett approximativt mått på kondition. En lägre puls vid ett visst arbete innebär i allmänhet att en person är vid god kondition. Det finns många olika sätt att mäta pulsen hos en människa. Man kan t.ex. känna pulsen genom att lägga några fingrar på någon av kroppens större blodådror (t.ex. halsen eller insidan av handleden) och där känna pulsslagen. Om man räknar dessa under en minut så får man antalet hjärtslag per minut, vilket är den enhet som används vid pulsmätning. Men det kan vara så att det är svårt att känna dessa under aktivitet och dessutom behöver man relativt många slag för att själv kunna uppskatta pulsen. Det finns då flera automatiska metoder för detta. Man kan mäta de elektriska signalerna från hjärtat och på så sätt få pulsen, men då detta kräver mycket god elektrisk kontakt med huden, t.ex. mha. kontaktgel och elektroder så kan detta tyckas något bökigt och kladdigt. Det har därför varit intressant att hitta en annan lösning på detta. Den lösning som jag presenterar använder sig av infrarött ljus för att detektera pulsslagen. Genom att belysa blodbanorna med Iljus och sedan detektera den återreflekterade mängden ljus så kan man se pulsen som intensitetsförändringar. Då blodet förtätas vid ett hjärtslag så förändras reflektansen hos blodet och det är detta som gör att man kan mäta pulsen. Genom att mäta tiden mellan topparna så kan man snabbt få ett mått på pulsen. Då man vill studera blodet kan det vara bra att studera ett område med mycket blodkärlet. Det brukar därför vara lämpligt att mäta t.ex. på ett finger. Ett finger är dessutom bra eftersom det oftast är oklätt jämfört med andra kroppsdelar, man har inte så ofta vantar på sig I stället för att mäta reflektansen så skulle man kunna tänka sig att mäta transmittansen av Iljus enligt samma princip, men då bör man välja en kroppsdel som är lätt att applicera på två sidor, inte är för tjock och inte har några störande bendelar. För detta ändamål är örsnibben ett mycket bra mätobjekt. 4
Teori och Uppkoppling eflexdetektorkretsen För att omvandla en optisk signal till en elektrisk signal använder jag mej av en Isensor. Denna är uppbyggd efter reflexdetektorprincipen, dvs. en diod skickar upp ljus genom en lins, denna ljus reflekteras i de röda blodkropparna och studsar tillbaka till sensorn. På väg mot sensorn passerar den återigen en fokuseringslins. Den fokuserade ljusets styrka reglerar kollektorströmmen i sensorns fototransistor. eflexdetektorns principiella uppbyggnad kan ses i Figur 4. På grund av att dioden och transistorn i sensorn måste förspännas till en lämplig arbetspunkt, väljer man resistorerna D och E till lämpliga värden. Den önskade strömmen genom dioden väljs till ca 0mA vilket resulterar i ett värde på D på 0 Ω. Fototransistorn förspänns med hjälp av ett emitter motstånd. Den får vara mellan 5kΩ till 0kΩ. Värdet 5kΩ visar sig fungera alldeles utmärkt. I Figur 1 ser man hur D och E är kopplade till Isensorn. Hela kretsen arbetar med ett drivspänning på 5 Volt mot ett nollnivå som är GND. Förstärkarkretsar och länkar. Spänningen över E tjänar som insignal in i nästa kretssteg. Denna steg är ett förstärkare byggd med hjälp av två stycken OPförstärkare. Mellan sensorkretsen och förstärkarkretsen kopplas in ett högpassfilter som filtrerar bort all likspänning som finns över E. Högpassfiltret består av en seriekondensator 1 på 1μF och en resistor 1 på 100 kω ner till jord. Högpassfiltrets gräns beräknas då som fb = ( π 1 1 ) 1 och är lika med 1.6 Hz. Observera dock att länken är ett första ordningen högpassfilter och är inte brant ( 3 db/oktav) därför är det nästan uteslutande likspänning som filtreras bort. Som första förstärkarsteg sitter det en OP med förstärkningen 100 gånger vilket bestäms med 4 och 3. 4 väljs till 100kΩ och 3 till 1kΩ för att uppnå ovannämnda förstärkning. Denna förstärkning får anses vara hög och i och med att produkten mellan förstärkning och bandbredd är alltid konstant fungerar även första OPsteget som en LPfilter. Nästa Opsteg kaskadkopplas till den första genom en länk. Även denna är ett högpassfilter med samma värden på och ( samma tidskonstant ) som första länken. Den andre Opstegets förstärkning är gånger och den regleras med hjälp av resistorerna 6 ( kω ) och 5 ( 1kΩ ). Kompletta kopplingsschemat över sensorkretsen och förstärkarkretsen kan ses i Figur 1. SallenKey filter Efter att ha passerat filterkretsen i Figur 1 är nu signalen förstärkt men väldigt brusig. För att man ska en chans att upptäcka en puls måste denna signal filtreras. Detta görs med hjälp av ett aktiv lågpassfilter, konstruerad för en brytfrekvens på några Hertz. Lågpassfiltret i Figur är ett fjärde ordningens aktiv filter bestående av två stycken SallenKeylänkar. Med denna speciella filtertopologi uppnår man fördelen att gränsfrekvensen beror ej på förstärkningen i OP och vice versa. Efter sista förstärkarsteget kaskadkopplar man filterkretsen genom en länk precis som förut för att ta bort eventuella oönskade offset Dnivåer. Filtrets OP avstäms med hjälp av två resistorer och 8. Båda väljs till kω, således blir OPens förstärkning lika med 5
1. SallenKeylänkens gränsfrekvens avstäms med hjälp av resistorn och kondensatorn. Dessa två väljs för en brytfrekvens på ungefär 5 Hz enligt formeln f b = ( π) 1. Ett lämpligt värde på blir 1μF och då blir motsvarande värde på ungefär 33kΩ. Den andra SallenKeylänken kaskadkopplas till den första genom en länk efter samma princip som förut vid övergång från ett steg till ett annat. 6
esultat och Diskussion Jag valde att testa de tre delarna var för sig innan de kopplades samman. Förstärkaren testades med en bestämd insignal vilken sedan uppmättes tillsammans med utsignalen på ett oscilloskop. Förstärkningen verkade stämma bra överens med den beräknade och detta försäkrade oss om att förstärkardelen var korrekt. Filtret dimensionerades för ca 5 Hz och testades genom att skicka in en variabel frekvens samtidigt sm utsignalen studerades med oscilloskopet. Förstärkningen var här vald till 1 eftersom man redan tidigare har en förstärkning på signalen. Brytfrekvensen verkade ligga vid ca 56 Hz, vilket fungerar bra för våran tillämpning. Idetektorns arbetspunkt ställdes in med resistanserna. Denna testades sedan genom att koppla den direkt till ett oscilloskop som var inställd på hög känslighet för att kunna se att utsignalen reagerade vid applicerat finger. Det gjorde den, men stora störningar gjorde här att det inte gick att utläsa någon puls. Det visade sig att lysrören störde mycket kraftigt vid frekvensen 50Hz. Då signalen är mycket störd är det därför nödvändigt att filtrera den med ett lågpassfilter. Den sammankopplade kretsen Då delarna kopplats samman kunde kopplingen testas. Det visade sig att signalen efter förstärkardelen är mycket störd, eftersom även störningarna förstärkts, men efter filtret ges en mycket mer stabil signal. Jag valde att öka förstärkningen hos förstärkaren för att få en starkare pulssignal, men upptäckte då att om förstärkningen blev för stor så gjorde störningarna att den andra OPförstärkaren bottnade, vilket medför att hela pulssignalen förloras i nedfiltreringen. Jag nöjde mej därför med att höja förstärkningen med en faktor. Detta gav ett mycket tillfredsställande resultat. Kurvan på oscilloskopet visar pulsen som distinkta toppar då fingret hålls mot reflexdetektorn.
Figurer Figur 1: Förstarkare eflexdetektor 5V 4 6 I D GPS05 I E 1 3 5 1 D E 1 Figur : Filterkrets 8 1 8 Figur 3: Schmitttrigger Figur 4: eflexdetektorn monterad i 8pinnars Isockel 100k 10k 8 6 5 1 4 100k 3 10k 1 3 4 8
Överföringsfunktion Jag skall försöka approximera systemets överföringsfunktion, för att göra detta delar jag upp systemet i flera komponenter och multiplicera deras respektive överföringsfuntioner med varandra (detta går bra endast om de inkopplade systemen, dvs de olika blockerna, inte påverkar varandras karakteristiska nämvärt, man kan dock se att resistansen i länkarna är så stora att antagandet att strömmen fortsätter direkt in i nästa komponent är inte så dumt). länkarna (HPfilter) är isatta för att ta bort Doffset från de övriga aktiva komponent och påverkar inte signalen mycket, så man kunde även ta bort dem från det slutgiltiga överföringsfunktion! Figur 1: Förstarkare eflexdetektor 5V 4 =1 4 / 3 6 =1 6 / 5 I D GPS05 I E 1 3 5 1 D E 1 Figur : Filterkrets =V in = jω 1 1 /(11/(jω 1 1 ) = jω /(11/(jω ) = ( jω) ( ) 1 8 jω 1 8 = 1 8 1 8 V V in ut = 1 = jω /(11/(jω ) = jω /(11/(jω ) 4 3 1 6 5 ( jω) ( ) 1 8 jω 3 8 1 1 =V ut 4 1 1 jω 9