基于电感耦合谐振电路的无源无线生物电测量仪

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1、指导教师评定成绩(五级制)：指导教师签字：基于电感耦合谐振电路的无源无线生物电测量仪关键词：感应、谐振、生物电、变容二极管摘要：介绍了采用无源LC谐振传感器测量生物电的方法。该传感器由一个LC谐振回路组成，其中电容部分的组成是变容二极管与生物电电极相连后在变容二极管出结束。这样变容二极管的电容变化可以通过感应链路作为改性反射阻抗来测量。传感器本身都消耗几乎没有能量，当然在电阻和传感器组件中会有一些损耗。该传感器是制造成本低并且因为它是一个完全无源器件，它非常适合于植入的应用程序。本文还介绍了两种不同的测量反射阻抗的方法，一种是通

2、过斜率检测器另一种是锁相检测器。两种方法所测量出的人体ECG数据结果在本文中都会讨论。这种传感器被证明适用于测量在传感器和接收器之间存在一些动作局限的生物电。同时介绍了两种测量方法的特点和性能，仪器的测量范围即在传感器和测量的线圈之间的距离是在空气中大约5厘米。锁相测量装置似乎比斜率检测器更好，因为它的信噪比仍然在整个测量范围（距离）几乎是恒定的。1介绍ECG测量在传统上是在患者皮肤上连接到具有高输入阻抗的放大器的电极进行。从艾因特霍芬开始我们就一直使用这种方法。其中一个关于信号质量的限制因素是对于长时间的测量放大器输入阻抗有限

3、。生物电在振幅上原本就很微弱所以对干扰非常敏感。有限输入阻抗在实际应用遇到的一个障碍是生物信号是通过一个电容接在一个表面阻抗很高的电击伤测量的。当然也有人建议补偿阻抗。例如Kim等人所提出的[1]。现今，在硅芯片和FET输入的集成电路（IC）放大器时代，输入阻抗不再是一个问题，但有一点必须要注意，那就是信号是否在它达到高阻抗前置放大器之前被预处理，因为信号调节电子元件通常降低输入阻抗。其测量系统同时也依赖一些复杂电子设备和外部电源。这些都增加了设备的费用和尺寸。由于较大的尺寸和动力源，例如电池，该装置不适合被注入。而另一种测量生

4、物信号的方法就是本文将要提到的。这种相比于现有设备高度简化的生物电测量仪器没有必要在测量单元增加外部电源。我们所说的测量方法是基于一种在基站或读取器设备电感耦合的LC谐振器。测量时通过利用链路属性实现并且测量装置整体上消耗的能量非常小。类似的无源谐振电路已经被Takahata[2]纳杰菲和Ludomirsky[3]等人用于测量心脏内血压。实际应用中感应部分是一个电容压力传感器。Coosemans等人也用相同的原理来测量眼内压[4]。Filshie等人[5]也基于可变电容二极管，也称为变容二极管通过频率在所述谐振电路的偏移成分用无

5、线（无线电）系统测量了禽类的心电图。尽管这个系统仍需电池供电。在Karilainenetal.[6]和Finnbergetal.[7]等人的论文中具有锯齿形延迟线的变电抗器已经被作为传感元件用于ECG测量。其方法是利用变容二极管作为电位测量部分，通过使用SAW的传感器作为延迟线来分离来自不同传感器的信号将测量结果无线传输到外部读取设备。将六根引线接入同一个读取装置，因为不同的传感器会被SAW延迟线引入的延迟混合。霍尼阁首次在1965年用这种测量生物电的方法申请并获得了专利[8]。然而至今没有围绕这个问题的行动。在2007年的IE

6、EE会议上，由塔提出了相同的测量理论[9]。他叙述的传感器是用来神经检测但发布时是用心电信号举例的。在本文中我们将更加彻底的讨论比较这种传感器。在一些应用中工作功率通过感应链路向测量部分传送。这使得测量装置可以变得很轻，并且容易附着植入。作者还发表了电感式电源和数据传输与生物电结合的相关论文[10,11]。通过被动谐振传感器，测量所需要的功率比起传统有源放大器用于调节ECG心电图信号所需的功率大大减少。在测量模式下较低的功率需求使得工作距离变长，并且该装置对耦合系数并不敏感，这意味着较低的耦合系数就足够是装置正常运行。2方法2.

7、1测量装置这种成型的测量装置由两个相互联接成为连接口建立起感应链路的单元组成的线圈。传感器不需要电池，工作起来也几乎不需要能量。这是和其他测量设备的主要区别，例如[12,13]。传感单元仅仅因为导线和元件的欧姆电阻而消耗极少的能量。传感器基本上是一个LC储能电路，由一个作为感应链路的线圈，一个电阻器（或电阻的导线）和一个电容器（传感器）组成。简化的读取装置和感应单元示意图如图1。通过一个感应链路连接到读取器的电路的谐振传感器可以减少为单一的电路元件X2，分别在读取电路和感应电路采用基尔霍夫第二定理：（1）图1读取器和传感器示意图

8、方程（1）中的变量M表示变压器初级线圈和次级线圈的互感，ω表示读卡器与感应磁场的角频率，Z2（ω）表示次级（检测）电路的阻抗。次级电路的负载阻抗公式如下：（2）其中R2是导线的电阻，L2、C2分别是次级电路的电感电容。R1表示主电路的导线的电阻，C1是初级电路的