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傳感器是可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)的核心

2021-11-03

從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，從可穿戴設(shè)備生成符合目標(biāo)的結(jié)果是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

要使這些設(shè)備核心的光學(xué)生物傳感器發(fā)揮最佳性能，需要深入了解光線撞擊和穿過(guò)皮膚時(shí)的行為。

心率通常是通過(guò)一種稱為光電容積描記 (PPG) 的技術(shù)來(lái)測(cè)量的。

為了從可穿戴設(shè)備獲取PPG信號(hào)，皮膚首先被LED照亮。接下來(lái)，產(chǎn)生與接收光量成正比的電流的光電二極管檢測(cè)反射光強(qiáng)度的變化。當(dāng)心臟泵血時(shí)，從皮膚返回到光電二極管的光量會(huì)記錄振幅（交流信號(hào)）的微小變化。

這個(gè)小的變化疊加在一個(gè)大的靜態(tài)幅度（直流信號(hào)）上。靜態(tài)幅度表示通過(guò)組織的吸收以及進(jìn)行測(cè)量的環(huán)境（背景）光照條件。

電流信號(hào)被數(shù)字化后，發(fā)送到可穿戴設(shè)備中的微處理器；設(shè)備內(nèi)部的算法計(jì)算心率。

闡明準(zhǔn)確性

準(zhǔn)確性挑戰(zhàn)來(lái)自兩個(gè)不可預(yù)測(cè)且無(wú)法控制的關(guān)鍵條件。
首先，設(shè)備用戶在鍛煉或進(jìn)行日常活動(dòng)時(shí)遇到的照明條件會(huì)發(fā)生變化。

當(dāng)光照條件快速變化時(shí)，這可能會(huì)在測(cè)量過(guò)程中引入偽影。為了提高準(zhǔn)確性，人工制品是需要解決的重要條件。

接收信號(hào)的大變化，偽影可以有效地掩蓋小的交流信號(hào)，這使得微處理器難以正確計(jì)算脈搏率。

為確保讀數(shù)準(zhǔn)確，可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)必須能夠補(bǔ)償環(huán)境照明的巨大變化。

環(huán)境光補(bǔ)償通常包含在許多現(xiàn)代健康和健身設(shè)備中，但幅度（環(huán)境范圍）和質(zhì)量（環(huán)境抑制）往往差異很大。

許多可用產(chǎn)品報(bào)告的環(huán)境范圍高達(dá) 25μA，環(huán)境抑制高達(dá) 55dB（在 120Hz 時(shí)）。

第二個(gè)挑戰(zhàn)源于用戶的運(yùn)動(dòng)，尤其是在進(jìn)行高強(qiáng)度訓(xùn)練時(shí)。這也可能導(dǎo)致偽影。數(shù)字濾波技術(shù)可以補(bǔ)償這些運(yùn)動(dòng)偽影，盡管它們并不總是成功的。

可穿戴設(shè)備的另一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是低功耗，以延長(zhǎng)電池壽命，盡管它們的外形尺寸很小。當(dāng)前可用的許多解決方案使用多個(gè)光電二極管檢測(cè)器，這些檢測(cè)器以高頻順序工作。

這種方法并不理想，因?yàn)?/span>LED是這些設(shè)備中最耗電的組件，而在準(zhǔn)確讀數(shù)所需的高頻率下運(yùn)行會(huì)大大消耗為設(shè)備供電的電池。這種方法會(huì)消耗超過(guò)450μW 的功率（在25samples/s 時(shí)）。

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