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摘要：在维护人体生命健康的过程中，心率、血压、心音信号等生理信息的采集测量是保证人体生命健康的关键技术之一。本文针对人体生理信息监测的需要，设计了一种人体生理信息监测仪。本文介绍了振动传感器、压电传感器、压力传感器，论述了监测系统的结构及工作原理，详细设计了监测方案，并分析了监测系统的可行性。人体生理信息监测仪由振动传感器、压电传感器、压力传感器、传感信号检测电路、报警电路、放大滤波、信号处理及显示电路和系统软件等构成。本文设计的人体生理信息监测仪对人体生命健康，提高生活质量能起到关键作用。
关键词：振动传感器;压电传感器;压力传感器;生理信息监测;检测电路
一、设计背景
1.1 人体生理信息监测仪设计背景
近年来社会快速发展，竞争、压力与日俱增，加上老龄化愈加严重，老中青三代都有部分人的身体健康状况受到威胁，因此自主性的健康管理越来越受重视。人体生理信息常被指为血压、心率、心音信号等，当这些生理信息有所变异时，往往代表人体出现异状，需进一步检查。本人体生理信息监测仪将针对血压、心率、心音信号进行监测，让使用者更了解自身生理变化，用于个人健康管理。
1.1.1 人體生理信息监测仪概况
人体生理信息监测仪分为血压测量、心率测量、心音信号测量三个模块，主要通过无创的方法来测量人体血压、心率、心音信号等生理信息，由振动传感器、压电传感器、压力传感器、传感信号检测电路、放大滤波、信号处理及显示电路和系统软件等构成。
1.1.2 人体生理信息监测仪的意义
血压、心率、心音信号等生理信息都是主要的人体生理信息。人体生理信息是生命的象征，一旦停止，生命也就终止。测量人体生理信息技术就是应用现代科学技术研究各类人体生理信息，通过无创的方法获得各种信息，加以分析、综合和研究，服务于临床。人体不同的生理信息，可以反映相应部位的身体变化，是临床诊断的重要参考信息。例如，血压可以判断心脏功能与外周血管阻力，也是诊断疾病、观察病情变化与判断治疗效果的一项重要内容;通过测量心率，可以判断是否有心脏方面的疾病;通过测量心音信号，有助于诊断心脏血管病，观察病情、推断疾病发生的病理生理，选择治疗方法，估计预后等。在临床健康观察和疾病诊断中十分重要，从生命信息的科学的角度也具有重要的研究价值。
1.2 应用场合分析
本设计属于便携式的人体生理信息监测仪，可应用于社区医院、卫生院、卫生所、个人家庭等场所。便携式的人体生理信息监测仪的测量快速便捷，使用简单方便，但是测量的数据结果不够精准，适用于大型三甲医院不太合格，不能为医生的临床诊断提供精准的参考数据。但是应用于社区医院、卫生院、卫生所、个人家庭中，还是很好的，主要起到预防保健的作用。
1.3 应用需求分析
近年来，社会快速发展，竞争和压力越来越大，繁忙的工作、社会和家庭的压力导致部分中年人和青年人都有着严重的健康问题，而随着老龄化日益严重，老年人的健康问题同样受到重点关注。新闻中偶尔会出现某某大学学生期末复习自习室内猝死，某某公司员工深夜加班在工位上猝死等信息。本人体生理信息监测仪可在使用者生理信息有所异常时，发出警示，引起使用者重视，对个人的健康进行管理，可有效预防悲剧的发生。本人体信息生理信息监测仪的功能可满足使用者的日常需求且操作简单便捷，可以满足市场及个人使用者的应用需求。
二、设计方案
2.1 人体生理信息监测仪技术要求
实现心音信号测量，本设计采用振动传感器，由振动传感器将振动的心音信号转换成电压信号，设计心音采集电路时应考虑心音和心杂音强弱相差较悬殊，心音图要有较大的动态范围;心音的高频振幅小，低频振幅大，要有较高的高频增益。
实现血压测量，本设计采用压力传感器，使用贮气袖带将血液对动脉壁的压力固定在皮肤表面，传递给压力传感器;血压的读数随传感器的部位和高度而变，不在测量位置水平高度的读数应补上以测量位置为基准的相应读数。
实现心率测量，本设计采用压电传感器将人体脉搏通过压电陶瓷片转换为可处理的电信号，经高阻输入级隔离和电压放大级放大后将信号送入带通滤波器滤除噪声及高次谐波，经集成运放放大和触发器整形后进行处理。
2.2 常用技术方案对比分析
2.2.1 常用技术方案
血压测量模块：
方案一：传感器置于体外的有创测量
该测量方法是将带有冲洗装置的压力传感器的前端导管插入感应部位，导管通过归零调节阀与压力传感器相接，传感器后端分为两支，一支通过滚动夹钳连接压力驱动的冲洗液，另一支连接电插头通过电缆与放大器相接，再连接信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，进行记录显示。
方案二：传感器置于体内的有创测量
该测量方法是将光纤压力传感器直接放入血管内进行测量，光纤压力传感器由光电探测器、LED光源、混合纤维束、光导纤维、薄金属膜组成，通过导管与体外连接，导管依次连接三通阀、冲洗装置、气塞、压力传感器，压力传感器通过电缆与放大器相接，再连接信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，进行记录显示。
方案三：传感器置于体外的无创血压测量
该测量方法是将可充气放气的袖带（固定压力）套入胳膊，下端放有压力传感器，血液对动脉壁的压力传递至放置在皮肤表面的压力传感器，传感器通过电缆与放大器相接，再连接信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，进行记录显示。
心率测量模块：
方案一：压电传感器置于体外进行无创心率测量
该测量方法是将人体的脉搏通过压电陶瓷片转换为可处理的电信号，经高阻输入级隔离和电压放大器放大后将信号送入带通滤波器消除噪声及高次谐波，经集成运放放大和信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，进行记录显示。压电传感器的基本原理是利用压电材料的压电效应。 心音信号测量模块：
方案一：通过空气传导式心音传感器测量心音信号
空气传导式心音传感器是利用心脏搏动时通过胸壁传递出的心音波再经空气传递到传感器的敏感振动膜上，这个振动膜与换能器相连，当空气振动时膜片就发生振动，从而带动换能元件并使其产生与心音强度成比例的输出信号。再通过信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，进行记录显示。空气传导的心音传感器可采用电磁感应式、压电式和电容式等原理制成。
方案二：通过接触传导式心音传感器测量心音信号
接触传导的心音传感器是将胸壁传出来的心音波动信号直接通过敏感元件传递到换能元件上，产生与心音强度成比例的输出信号。再通过信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，进行记录显示。
2.2.2 方案比较选择
血压测量模块：
传感器置于体外的有创测量、传感器置于体内的有创测量两个方案都属于侵入性测量，测量的过程与传感器置于体外的无创血压测量的方案相比较为复杂，测量结果与传感器置于体外的无创血压测量的方案相比较为精确，但是携带不便，操作复杂。传感器置于体外的无创血压测量的方案，携带便捷、操作简单快捷、测量结果也很精确。因此选择传感器置于体外的无创血压测量的方案。
心率测量模块：
直接選择压电传感器置于体外进行无创心率测量的方案。
心音信号测量模块：
接触传导的心电传感器不采用空气作为传递心音信号的媒介，因此抵抗外界声波干扰的能力比空气传导的心音传感器要好的多，由于接触传导的心音传感器是通过敏感元件直接接受心音的波动信号，因此传递和转换心音信号能量的效率也比空气传导的心音传感器高得多，为传感器小型化提供了可能。因此选择通过接触传导式心音传感器测量心音信号的方案。
三、设计内容
3.1 人体生理信息监测仪结构及原理
血压测量原理：
血液对动脉壁的压力传递至放置在皮肤表面的压力传感器，传感器通过电缆与放大器相接，再连接信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，即可得到血压。
心率测量原理：
压电传感器的基本原理是利用压电材料的压电效应，一定的压力作用会使压电材料石英晶体的两个极板间产生一定的电压。沿石英晶体电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴垂直的表面上将产生电荷：qx=d11*Fx，式中，d11=2.31×10-12C/N，为石英晶体电轴方向受力压电系数。压电传感器相当于一个以压电材料为介质的电容器：C=εA/h， 式中，A为极板面积（m2），h为压电体厚度（m），ε为压电材料介电常数（F/m）。
采用石英晶体为压电材料，其相对介电常数为εr，而标准介电常数为ε0，则石英晶体的介电常数为ε=εr·ε0。设压电体两极板间（沿电轴方向）承受一个大气压的压力，则与电轴垂直的表面产生电荷qx=d11*Fx=2.31×10-12×9.8×A，两极板间产生电压Ux=qx/C。压电陶瓷片产生的电压很小，因此在电压信号送至后级电路处理前必须经高阻输入级以尽量减少电荷泄放，确保获取电压信号的准确性。由于运算放大器通常具有极高的输入阻抗，采用运放实现高阻输入级据后级电路处理要求，要放大采集的电压信号。为滤除电压信号中的噪声信号，便于后级数字电路处理获得的信号，后端电路采用20～200Hz的带通滤波器进一步处理信号，经触发器整形后再送入微型计算机中，即可得到心率。
心音信号测量原理：
胸壁传出来的心音波动信号直接通过敏感元件传递到换能元件上，产生与心音强度成比例的输出信号。再通过信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算，即可得到心音。
3.2 传感器的选择
振动传感器是用于将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量的机电转换装置，在本设计心音信号测量模块中主要用于将采集到的心音信号转换成电压信号。
压电传感器是一种基于压电效应，用于测量力和能变换为电的非电物理量的装置，在本设计心率测量模块中主要利用压电效应将采集到的心率信号通过压电材料转换成电压信号。
压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的装置，在本设计血压测量模块中主要用来将接收到的血液对血管的侧压力信号转换成电压信号。
3.3误差分析及解决
3.3.1 人体生理信息监测仪定性分析
本人体生理信息监测仪是便携式的人体生理信息监测仪，特点是易携带、操作简单便捷、测量快捷，三个测量模块均采用的是间接测量。间接测量会出现一些不可避免的误差，会受到外部环境、人体的姿态、测量装置准确性的影响。
3.3.2 误差产生原因
在血压测量模块，手臂放入贮气袖带中，测量过程中出现的运动轨迹与引入系统的振动形式有关：如握拳、手臂弯曲和移动及身体的移动、换气过度、触摸手臂（相当于压力效应）都会改变读数，导致测量误差。
在心率测量模块，压电陶瓷片的灵敏度、外部环境的噪声、测量装置的准确性、人体的测量姿态都会导致测量误差。
在心音信号测量模块，敏感元件的灵敏度、外部声波的干扰、测量装置的准确性、人体的测量姿态都会导致测量误差。
3.3.3误差解决办法分析
制作人体生理信息监测仪时选择灵敏度高的敏感元件，选择准确性高的测量装置。在测量过程中，使用者应选择正确的测量姿势，保持肢体自然放置，心态平和，杜绝不规范的小动作，选择在安静的场所进行测量。
四、结论
本人体生理信息监测仪运用传感器、电路、计算机等相关知识设计，可有效监测人体血压、心率、心音信号的变化，当监测到使用者的生理信息出现了异常变化，可向使用者发出警示，属于便携式人体生理信息监测仪，具有操作简单便捷，测量准确迅速的特点。
参考文献
[1]郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用（第四版）.西安电子科技大学出版社，2014
[2] Wolf W， 孙玉芳等译. 嵌入式计算系统设计原理. 北京： 机械工业出版社， 2002
[3]王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）.北京：机械工业出版社，2008
[4]百度文库，心音/脉搏模块设计
[5]原创力文档，血压测量原理
[6] OF week电子工程网，心率测量原理
[7]戴梅萼，史嘉权，微型计算机技术及应用.北京：清华大学出版社，2008
[8]童诗白，华成英，叶朝辉.模拟电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，2015
关键词：振动传感器;压电传感器;压力传感器;生理信息监测;检测电路
一、设计背景
1.1 人体生理信息监测仪设计背景
近年来社会快速发展，竞争、压力与日俱增，加上老龄化愈加严重，老中青三代都有部分人的身体健康状况受到威胁，因此自主性的健康管理越来越受重视。人体生理信息常被指为血压、心率、心音信号等，当这些生理信息有所变异时，往往代表人体出现异状，需进一步检查。本人体生理信息监测仪将针对血压、心率、心音信号进行监测，让使用者更了解自身生理变化，用于个人健康管理。
1.1.1 人體生理信息监测仪概况
人体生理信息监测仪分为血压测量、心率测量、心音信号测量三个模块，主要通过无创的方法来测量人体血压、心率、心音信号等生理信息，由振动传感器、压电传感器、压力传感器、传感信号检测电路、放大滤波、信号处理及显示电路和系统软件等构成。
1.1.2 人体生理信息监测仪的意义
血压、心率、心音信号等生理信息都是主要的人体生理信息。人体生理信息是生命的象征，一旦停止，生命也就终止。测量人体生理信息技术就是应用现代科学技术研究各类人体生理信息，通过无创的方法获得各种信息，加以分析、综合和研究，服务于临床。人体不同的生理信息，可以反映相应部位的身体变化，是临床诊断的重要参考信息。例如，血压可以判断心脏功能与外周血管阻力，也是诊断疾病、观察病情变化与判断治疗效果的一项重要内容;通过测量心率，可以判断是否有心脏方面的疾病;通过测量心音信号，有助于诊断心脏血管病，观察病情、推断疾病发生的病理生理，选择治疗方法，估计预后等。在临床健康观察和疾病诊断中十分重要，从生命信息的科学的角度也具有重要的研究价值。
1.2 应用场合分析
本设计属于便携式的人体生理信息监测仪，可应用于社区医院、卫生院、卫生所、个人家庭等场所。便携式的人体生理信息监测仪的测量快速便捷，使用简单方便，但是测量的数据结果不够精准，适用于大型三甲医院不太合格，不能为医生的临床诊断提供精准的参考数据。但是应用于社区医院、卫生院、卫生所、个人家庭中，还是很好的，主要起到预防保健的作用。
1.3 应用需求分析
近年来，社会快速发展，竞争和压力越来越大，繁忙的工作、社会和家庭的压力导致部分中年人和青年人都有着严重的健康问题，而随着老龄化日益严重，老年人的健康问题同样受到重点关注。新闻中偶尔会出现某某大学学生期末复习自习室内猝死，某某公司员工深夜加班在工位上猝死等信息。本人体生理信息监测仪可在使用者生理信息有所异常时，发出警示，引起使用者重视，对个人的健康进行管理，可有效预防悲剧的发生。本人体信息生理信息监测仪的功能可满足使用者的日常需求且操作简单便捷，可以满足市场及个人使用者的应用需求。
二、设计方案
2.1 人体生理信息监测仪技术要求
实现心音信号测量，本设计采用振动传感器，由振动传感器将振动的心音信号转换成电压信号，设计心音采集电路时应考虑心音和心杂音强弱相差较悬殊，心音图要有较大的动态范围;心音的高频振幅小，低频振幅大，要有较高的高频增益。
实现血压测量，本设计采用压力传感器，使用贮气袖带将血液对动脉壁的压力固定在皮肤表面，传递给压力传感器;血压的读数随传感器的部位和高度而变，不在测量位置水平高度的读数应补上以测量位置为基准的相应读数。
实现心率测量，本设计采用压电传感器将人体脉搏通过压电陶瓷片转换为可处理的电信号，经高阻输入级隔离和电压放大级放大后将信号送入带通滤波器滤除噪声及高次谐波，经集成运放放大和触发器整形后进行处理。
2.2 常用技术方案对比分析
2.2.1 常用技术方案
血压测量模块：
方案一：传感器置于体外的有创测量
该测量方法是将带有冲洗装置的压力传感器的前端导管插入感应部位，导管通过归零调节阀与压力传感器相接，传感器后端分为两支，一支通过滚动夹钳连接压力驱动的冲洗液，另一支连接电插头通过电缆与放大器相接，再连接信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，进行记录显示。
方案二：传感器置于体内的有创测量
该测量方法是将光纤压力传感器直接放入血管内进行测量，光纤压力传感器由光电探测器、LED光源、混合纤维束、光导纤维、薄金属膜组成，通过导管与体外连接，导管依次连接三通阀、冲洗装置、气塞、压力传感器，压力传感器通过电缆与放大器相接，再连接信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，进行记录显示。
方案三：传感器置于体外的无创血压测量
该测量方法是将可充气放气的袖带（固定压力）套入胳膊，下端放有压力传感器，血液对动脉壁的压力传递至放置在皮肤表面的压力传感器，传感器通过电缆与放大器相接，再连接信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，进行记录显示。
心率测量模块：
方案一：压电传感器置于体外进行无创心率测量
该测量方法是将人体的脉搏通过压电陶瓷片转换为可处理的电信号，经高阻输入级隔离和电压放大器放大后将信号送入带通滤波器消除噪声及高次谐波，经集成运放放大和信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，进行记录显示。压电传感器的基本原理是利用压电材料的压电效应。 心音信号测量模块：
方案一：通过空气传导式心音传感器测量心音信号
空气传导式心音传感器是利用心脏搏动时通过胸壁传递出的心音波再经空气传递到传感器的敏感振动膜上，这个振动膜与换能器相连，当空气振动时膜片就发生振动，从而带动换能元件并使其产生与心音强度成比例的输出信号。再通过信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，进行记录显示。空气传导的心音传感器可采用电磁感应式、压电式和电容式等原理制成。
方案二：通过接触传导式心音传感器测量心音信号
接触传导的心音传感器是将胸壁传出来的心音波动信号直接通过敏感元件传递到换能元件上，产生与心音强度成比例的输出信号。再通过信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，进行记录显示。
2.2.2 方案比较选择
血压测量模块：
传感器置于体外的有创测量、传感器置于体内的有创测量两个方案都属于侵入性测量，测量的过程与传感器置于体外的无创血压测量的方案相比较为复杂，测量结果与传感器置于体外的无创血压测量的方案相比较为精确，但是携带不便，操作复杂。传感器置于体外的无创血压测量的方案，携带便捷、操作简单快捷、测量结果也很精确。因此选择传感器置于体外的无创血压测量的方案。
心率测量模块：
直接選择压电传感器置于体外进行无创心率测量的方案。
心音信号测量模块：
接触传导的心电传感器不采用空气作为传递心音信号的媒介，因此抵抗外界声波干扰的能力比空气传导的心音传感器要好的多，由于接触传导的心音传感器是通过敏感元件直接接受心音的波动信号，因此传递和转换心音信号能量的效率也比空气传导的心音传感器高得多，为传感器小型化提供了可能。因此选择通过接触传导式心音传感器测量心音信号的方案。
三、设计内容
3.1 人体生理信息监测仪结构及原理
血压测量原理：
血液对动脉壁的压力传递至放置在皮肤表面的压力传感器，传感器通过电缆与放大器相接，再连接信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算后，即可得到血压。
心率测量原理：
压电传感器的基本原理是利用压电材料的压电效应，一定的压力作用会使压电材料石英晶体的两个极板间产生一定的电压。沿石英晶体电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴垂直的表面上将产生电荷：qx=d11*Fx，式中，d11=2.31×10-12C/N，为石英晶体电轴方向受力压电系数。压电传感器相当于一个以压电材料为介质的电容器：C=εA/h， 式中，A为极板面积（m2），h为压电体厚度（m），ε为压电材料介电常数（F/m）。
采用石英晶体为压电材料，其相对介电常数为εr，而标准介电常数为ε0，则石英晶体的介电常数为ε=εr·ε0。设压电体两极板间（沿电轴方向）承受一个大气压的压力，则与电轴垂直的表面产生电荷qx=d11*Fx=2.31×10-12×9.8×A，两极板间产生电压Ux=qx/C。压电陶瓷片产生的电压很小，因此在电压信号送至后级电路处理前必须经高阻输入级以尽量减少电荷泄放，确保获取电压信号的准确性。由于运算放大器通常具有极高的输入阻抗，采用运放实现高阻输入级据后级电路处理要求，要放大采集的电压信号。为滤除电压信号中的噪声信号，便于后级数字电路处理获得的信号，后端电路采用20～200Hz的带通滤波器进一步处理信号，经触发器整形后再送入微型计算机中，即可得到心率。
心音信号测量原理：
胸壁传出来的心音波动信号直接通过敏感元件传递到换能元件上，产生与心音强度成比例的输出信号。再通过信号处理器进行信号处理，通过微型计算机计算，即可得到心音。
3.2 传感器的选择
振动传感器是用于将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量的机电转换装置，在本设计心音信号测量模块中主要用于将采集到的心音信号转换成电压信号。
压电传感器是一种基于压电效应，用于测量力和能变换为电的非电物理量的装置，在本设计心率测量模块中主要利用压电效应将采集到的心率信号通过压电材料转换成电压信号。
压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的装置，在本设计血压测量模块中主要用来将接收到的血液对血管的侧压力信号转换成电压信号。
3.3误差分析及解决
3.3.1 人体生理信息监测仪定性分析
本人体生理信息监测仪是便携式的人体生理信息监测仪，特点是易携带、操作简单便捷、测量快捷，三个测量模块均采用的是间接测量。间接测量会出现一些不可避免的误差，会受到外部环境、人体的姿态、测量装置准确性的影响。
3.3.2 误差产生原因
在血压测量模块，手臂放入贮气袖带中，测量过程中出现的运动轨迹与引入系统的振动形式有关：如握拳、手臂弯曲和移动及身体的移动、换气过度、触摸手臂（相当于压力效应）都会改变读数，导致测量误差。
在心率测量模块，压电陶瓷片的灵敏度、外部环境的噪声、测量装置的准确性、人体的测量姿态都会导致测量误差。
在心音信号测量模块，敏感元件的灵敏度、外部声波的干扰、测量装置的准确性、人体的测量姿态都会导致测量误差。
3.3.3误差解决办法分析
制作人体生理信息监测仪时选择灵敏度高的敏感元件，选择准确性高的测量装置。在测量过程中，使用者应选择正确的测量姿势，保持肢体自然放置，心态平和，杜绝不规范的小动作，选择在安静的场所进行测量。
四、结论
本人体生理信息监测仪运用传感器、电路、计算机等相关知识设计，可有效监测人体血压、心率、心音信号的变化，当监测到使用者的生理信息出现了异常变化，可向使用者发出警示，属于便携式人体生理信息监测仪，具有操作简单便捷，测量准确迅速的特点。
参考文献
[1]郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用（第四版）.西安电子科技大学出版社，2014
[2] Wolf W， 孙玉芳等译. 嵌入式计算系统设计原理. 北京： 机械工业出版社， 2002
[3]王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）.北京：机械工业出版社，2008
[4]百度文库，心音/脉搏模块设计
[5]原创力文档，血压测量原理
[6] OF week电子工程网，心率测量原理
[7]戴梅萼，史嘉权，微型计算机技术及应用.北京：清华大学出版社，2008
[8]童诗白，华成英，叶朝辉.模拟电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，2015