用于可穿戴健身设备的LED传感器

传感器设计

与所有传感器一样，信号质量是设计脉率和血氧饱和度测量用光学传感器时最重要的考虑因素之一。完整的检测器信号由一个非常大的恒定(直流)分量和一个小的可变(交流)分量——对应脉冲式动脉血——组成(图2)。举例来说，在浅色皮肤的人手腕上用波长为530nm、电流为8mA的LED进行测量，将产生约0.00035的交流/直流比。而对于一个深色皮肤的人来说，这个值就比较低，但在手指头上测量又可能高出约10倍。作为整个信号的一小部分，这种特别小的交流信号对数字化过程来说是一个艰巨的挑战——特别是测量血氧值时。在这种情况下，必须对整个信号进行数字化处理，以便交流分量的分辨率及其最大最小值(Imin和Imax)可以很高。在实际使用中，这意味着总体信号要求至少16位的分辨率。如果只需测量心率，那么只有信号的周期性变化才重要，信号绝对值则可以忽略。在这种情况下，恒定分量可以用带通滤波器加以抑制，剩下的交流分量经放大后给交流/直流转换器。光电流的最小和最大值要取得高的分辨率，紧靠着皮肤测量也很重要。典型的采样率每通道在25Hz和500Hz之间，LED脉冲长度则在0.5ms至5ms范围内。

另外一个因素是环境光线。即使传感器正确放置在皮肤上，环境光线也可能到达接收器，因为红外光能够透进皮肤很深，并在内部发散。环境光将对信噪比产生负面影响，因此需要尽可能地加以抑制，比如通过传感器与身体之间的良好接触，或通过检测器上专门带的环境光滤波器。这种滤波器将检测器的最大灵敏度从红外光谱转换到可见光谱，比如在使用光电二极管SFH 2430情况下转换到570nm，因此非常适合绿光LED使用。用于消除检测器信号中环境光效应的一个常用方法是在有LED和没有LED情况下做两次测量，然后取两个信号的差值。像TI AFE 4403这样的芯片组还能出于这个目的发出合适的暗信号。

总结

随着量化自我运动的持续发展，用于医疗应用的光学传感器开始渗透进消费电子领域，特别是健身手环、智能手表和智能手机。这得归功于具有优秀频谱纯度的高效率LED。用于测量脉率和血氧饱和度的集成化光学传感器代表了这个持续增长市场中技术的发展。