1、前語(yǔ)

當(dāng)今，具有智能傳感器技能撿測(cè)頭的呼吸醫(yī)療監(jiān)督儀現(xiàn)已聞世，這就比較理想地處理了對(duì)各種情感和呼吸之間聯(lián)絡(luò)作很多研討的問(wèn)題，并且能夠用來(lái)實(shí)在紀(jì)錄一個(gè)人的呼吸情況及其改動(dòng)。

在此本文對(duì)呼吸監(jiān)督儀頂用微型傳感器-硅壓阻式傳感器（SPRT）與MAX1450或MAX1457信號(hào)調(diào)度器組成新式智能傳感器及在技能計(jì)劃中的功用作一個(gè)分析與介紹。

2、呼吸醫(yī)療監(jiān)督儀與智能傳感器及技能（其組成框圖，見(jiàn)圖1所示）

2.1呼吸醫(yī)療監(jiān)督儀（見(jiàn)圖1右面所示）

該監(jiān)督儀的用途是用來(lái)監(jiān)督呼吸情況，并能給出大致的呼吸深度。這個(gè)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)一些能夠用來(lái)評(píng)價(jià)焦慮程度的重要參數(shù)：呼吸頻率、呼吸的均勻程度以及呼氣和吸氣之間的間歇。安靜、積極的心情通常會(huì)導(dǎo)致呼出善于吸入，二者時(shí)間之比的參數(shù)，能從一個(gè)方面揭示人的焦慮程度。相對(duì)較高水平的胸呼吸（相對(duì)于腹呼吸）也可說(shuō)明焦慮程度。監(jiān)督儀對(duì)胸呼吸的調(diào)查反映出監(jiān)督儀具有很多的可視信息功用。

2.2智能傳感器技能

圖1中的呼吸監(jiān)督儀選用硅壓阻式傳感器（SPRT—Siliconpiezoresistancetransducer）檢測(cè)吸入與呼出時(shí)對(duì)應(yīng)壓力的下降和添加。SPRT的輸出被饋入一個(gè)MAX1450或MAX1457信號(hào)調(diào)度器芯片，而MAX1450或MAX1457信號(hào)調(diào)度器芯片又對(duì)SPRT的進(jìn)行驅(qū)鼓勵(lì)（或用電流源鼓勵(lì)），其SPRT固有差錯(cuò)又被饋入MAX1450或MAX1457之后并被校對(duì)，然后將通過(guò)補(bǔ)償?shù)碾妷盒盘?hào)送入具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）MAX1202。ADC輸出（數(shù)字化的壓力信號(hào)）進(jìn)入一個(gè)PC接口MAX3232，并被轉(zhuǎn)換為RS-232電平。最終信號(hào)被傳遞到PC機(jī)系統(tǒng)，這樣就能夠顯示出呼吸波形，并對(duì)以上所述參數(shù)進(jìn)行分析。

3、關(guān)于硅壓阻式傳感器（SPRT）

3.1硅壓阻式傳感器（SPRT）檢測(cè)原理

硅壓阻式傳感器一般配置為一個(gè)緊密的惠斯登電橋。當(dāng)有壓力施加到SPRT的靈敏電橋的橋臂時(shí)（見(jiàn)圖2a所示），對(duì)角橋臂的電阻值R將發(fā)作相同方向、相同巨細(xì)的改動(dòng),即R+△R和R-△R。當(dāng)一個(gè)對(duì)角橋臂上的兩個(gè)電阻值在壓力的作用下添加時(shí)，另外一個(gè)對(duì)角橋臂的電阻值下降，反之亦然。對(duì)于SPRT半靈敏電橋（見(jiàn)圖2b所示），則只有半邊橋臂的電阻值發(fā)作改動(dòng)。不管是全橋仍是半靈敏電橋的傳感器都具有高靈敏度（>10mv/v）、杰出的線(xiàn)性、溫度穩(wěn)定性及無(wú)信號(hào)滯回等優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)量規(guī)?？缮现疗茐男詷O限。

3.2硅壓阻式傳感器的使用

當(dāng)今，因?yàn)樾碌腎C技能現(xiàn)已能夠準(zhǔn)確校準(zhǔn)SPRT，所以將硅壓阻式傳感器使用規(guī)模從中、低精度檢測(cè)擴(kuò)展到高端領(lǐng)域。彌補(bǔ)了以往SPRT通常只能用于中、低精度檢測(cè)，而對(duì)高端產(chǎn)品非要選用貴重的應(yīng)變計(jì)等不足之處。但要使用硅壓阻式傳感器有必要處理差錯(cuò)補(bǔ)償-校準(zhǔn)技能，才干進(jìn)步精度。為此，首要的是應(yīng)對(duì)硅壓阻式傳感器的差錯(cuò)作分析。

4、關(guān)于硅壓阻式傳感器（SPRT）差錯(cuò)

校準(zhǔn)SPRT傳感器的主要困難在于它們的差錯(cuò)起伏規(guī)模很寬，選用不同工藝生產(chǎn)的SPRT傳感器具有不同類(lèi)型的差錯(cuò)和差錯(cuò)規(guī)模。甚至由同一個(gè)制造商供給的同一型號(hào)傳感器的差錯(cuò)起伏，兩者之間也會(huì)有細(xì)微的差異。SPRT傳感器的差錯(cuò)要素包含：滿(mǎn)偏信號(hào)隨溫度改動(dòng)的強(qiáng)烈非線(xiàn)性（高達(dá)1％oK）；很大的初始失調(diào)（可至滿(mǎn)偏的100％或更高）以及失調(diào)隨溫度的強(qiáng)烈漂移等。在必定限度內(nèi)，這些缺陷能夠由電子電路加以補(bǔ)償。

必定溫度下，圖2（a）（b）所示的兩種類(lèi)型SPRT橋路電阻（Vcc和地之間的等效電阻）能夠在很寬的壓力規(guī)模內(nèi)堅(jiān)持相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定，但是，跟著溫度的上升，橋路電阻顯著添加，如果電橋由恒流源驅(qū)動(dòng)，橋路電壓（指Vcc和地之間的等效電阻與恒流源輸出電流的乘積）就會(huì)添加。當(dāng)橋路電壓跟著溫度的升高而增大時(shí)，則SPRT靈敏度也隨之升高。

另一方面，如果堅(jiān)持橋路電壓穩(wěn)定，SPRT的壓力靈敏度又會(huì)跟著溫度的升高而下降。因此，SPRT的壓力靈敏度受兩種互相對(duì)立的要素影響：溫度和受溫度影響的橋路電壓。這種橋路電阻或橋路電壓的改動(dòng)能夠彼現(xiàn)代信號(hào)調(diào)度電路IC加以使用，來(lái)校對(duì)SPRT靈敏度在溫度規(guī)模內(nèi)的差錯(cuò)。值得一提的是，此類(lèi)信號(hào)調(diào)度電路IC均可通過(guò)橋路電阻的改動(dòng)來(lái)校對(duì)靈敏度隨溫度的改動(dòng)。根據(jù)SPRT產(chǎn)生差錯(cuò)的主要要素的分析，便可有的放矢地進(jìn)行校對(duì)與補(bǔ)償。以下將對(duì)現(xiàn)在常用的傳統(tǒng)校對(duì)與現(xiàn)代校對(duì)及簡(jiǎn)化補(bǔ)償辦法作介紹。

5、傳統(tǒng)校對(duì)辦法

智能傳感器能夠補(bǔ)償SPRT精度至恰當(dāng)水平，并能夠?qū)PRT失調(diào)、失調(diào)的溫度漂移（OFFSETTC）以及SPRT靈敏度的溫度漂移進(jìn)行調(diào)整。而與SPRT靈敏度溫度漂移相關(guān)的是滿(mǎn)偏榆出（FSO）的溫度漂移，這兩個(gè)參數(shù)（指SPRT靈敏度溫度漂移與滿(mǎn)偏榆出的溫度漂移）的溫度特性互成正比，電路中的調(diào)零電阻Rjz用來(lái)補(bǔ)償傳感器在室溫下的失調(diào)電壓，溫度靈敏電阻Rts和Rtz（或R‘tz）用于校對(duì)溫度差錯(cuò)。前面提到，橋路電阻跟著溫度上升而添加，使傳感器兩端的電壓Vo+Vo-（）也添加，這個(gè)添加的電壓△Vo+Vo-會(huì)使傳感器的靈敏度上升，也就是說(shuō)，在給定壓力下它將輸出更高的電壓。

但是，如果堅(jiān)持傳感器兩端電壓穩(wěn)定，傳感器的靈敏度就會(huì)跟著溫度的上升而下降（或稱(chēng)負(fù)向靈敏度系數(shù)），但因?yàn)闃蚵冯娮枋軠囟扔绊懚砑訒r(shí)，它所引起的靈敏度正向改動(dòng)系數(shù)是大于負(fù)向靈敏度系數(shù)，所以，滿(mǎn)偏輸出（FSO）趨向于跟著溫度添加而添加。電阻器Rts能夠在溫度上升時(shí)旁路掉一部分橋路電流，然后抵消上述效應(yīng)。類(lèi)似地，Rtz或R‘tz可對(duì)失調(diào)的漂移進(jìn)行校對(duì)。電路中選擇Rts仍是R‘tz取決于失調(diào)的溫度漂移方向。

這種傳統(tǒng)校對(duì)辦法的優(yōu)點(diǎn)是程式簡(jiǎn)單、廉價(jià)，但主要問(wèn)題是各個(gè)補(bǔ)償元件之間互相影響,使校準(zhǔn)十分困難，并約束了所能達(dá)到的精度，該校對(duì)技能也不便于選用電子調(diào)整。

6、現(xiàn)代校對(duì)-補(bǔ)償技能

因?yàn)镾PRT的差錯(cuò)起伏規(guī)模很寬，因而有必要要用通過(guò)現(xiàn)代與簡(jiǎn)化補(bǔ)償法來(lái)校準(zhǔn)?，F(xiàn)在現(xiàn)代校對(duì)-補(bǔ)償技能是選用MAX145新式信號(hào)調(diào)度芯片與SPRT的組合，即成智能傳感器與技能。

用一片信號(hào)調(diào)度MAXl457IC以驅(qū)動(dòng)呼吸監(jiān)督儀的硅壓阻式傳感器（SPRT），并校對(duì)傳感器的差錯(cuò)。MAXl457它帶一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)傳感器的受控電流源和一個(gè)用以采樣傳感器橋路電壓的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。

MAXl457還包含一個(gè)可編程增益擴(kuò)大器（PGA），用于擴(kuò)大傳感器的差分輸出；以及5個(gè)數(shù)DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器），用于校對(duì)各種不同的傳感器差錯(cuò)。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅氖侨跣⌒盘?hào)，PGA的輸出電壓還不足以驅(qū)動(dòng)ADC。為此，MAXl457的內(nèi)置運(yùn)放可用來(lái)提升PGA的輸出至合適的電平。

因?yàn)闃蚵冯妷弘S溫度而上升，這種溫度相關(guān)性能夠用來(lái)補(bǔ)償滿(mǎn)偏輸出（FSO-Fullspanoutput）的溫度差錯(cuò)。對(duì)于恒流源鼓勵(lì)電橋，滿(mǎn)偏輸出（FSO）跟著溫度上升而下降，形成了滿(mǎn)偏輸出的溫度相關(guān)差錯(cuò)（FSOTC）。但是，如果使橋路電壓跟著溫度以必定的速率上升，剛好補(bǔ)償?shù)魸M(mǎn)偏靈敏度隨溫度的下降，則滿(mǎn)偏輸出（FSO）將堅(jiān)持穩(wěn)定。

6.1MAXl457怎么使用這種辦法校對(duì)溫度引起的滿(mǎn)偏輸出（FSO）差錯(cuò)（見(jiàn)圖4所示）。

首要，由ADC對(duì)橋路電壓進(jìn)行量化，根據(jù)量化成果，找出一個(gè)預(yù)先計(jì)開(kāi)算好的四種校對(duì)系數(shù)（己保存于EEPROM內(nèi)）送人FSOTCDAC。然后DAC輸出電壓對(duì)橋路鼓勵(lì)電流進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的鼓勵(lì)電流改動(dòng)了橋路電壓，然后補(bǔ)償了特定溫度下，因傳感器的靈敏度改動(dòng)形成的滿(mǎn)偏輸出（FSO）差錯(cuò)。為完成滑潤(rùn)校對(duì)，橋路電壓被用作FSOTCDAC的參閱輸入，在相鄰兩個(gè)數(shù)字補(bǔ)償點(diǎn)（由ADC供給給EEPROM）之間進(jìn)行模擬補(bǔ)償。相同的辦法被用于補(bǔ)償失調(diào)的溫度漂移（OFFSETTC），所不同的是，OFFSETTCDAC的輸出電壓被饋人PGA輸出端的求和節(jié)點(diǎn)（而不是MAX1457的電流源）。

6.2對(duì)上述四種溫度校對(duì)系數(shù)的核算步驟的說(shuō)明

首要，將傳感器和MAXl457置于最低溫度獲取不同壓力下的傳感器數(shù)據(jù)，然后，再將傳感器和MAXl457置于最高溫度下獲取不同壓力下的傳感器數(shù)據(jù)。使用這些極限溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)，專(zhuān)為MAXl457設(shè)計(jì)的使用軟件可核算出四種校對(duì)系數(shù)：滿(mǎn)偏輸出（FSO）、滿(mǎn)偏輸出的溫度相關(guān)差錯(cuò)（FSOTC）、偏移-失調(diào)（Offset）、失調(diào)的溫度偏移（OFFSETTC），這四種系數(shù)能夠批改SPRT的一階差錯(cuò)。

為取得0.1%的精度，MAXl457允許在特定溫度進(jìn)行補(bǔ)償，只需對(duì)每個(gè)規(guī)則溫度核算FSOTC和OFFSETTC由用戶(hù)決定校準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)量（最多至120點(diǎn)）。如果傳感器差錯(cuò)具有杰出的可重復(fù)性，此種SPRT與MAXl457組合可取得優(yōu)于0.1％的精度。

MAXl457的補(bǔ)償技能相對(duì)于圖3所示的傳統(tǒng)辦法具有顯著優(yōu)勢(shì)。MAXl457消除了補(bǔ)償元件之間的相互影響，這得益于相互獨(dú)立的失諧和滿(mǎn)度調(diào)整：失調(diào)在PGA輸出端進(jìn)行補(bǔ)償,而FSO的批改通過(guò)電流源完成。另一個(gè)好處是，因?yàn)獒槍?duì)不同溫度點(diǎn)進(jìn)行特定批改，取得更高的精度成為可能。這種辦法實(shí)質(zhì)上優(yōu)于選用外部電阻的方法，因?yàn)楹笳邿o(wú)法在特定溫度點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償。

因?yàn)镸AX1457所供給的精度可遠(yuǎn)高于一個(gè)呼吸監(jiān)督儀的要求，之所以選擇它，主要是因?yàn)樗鼉?nèi)部還包含一個(gè)附加的運(yùn)放，能夠?qū)粑O(jiān)督儀傳感器的低電平信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)大。因?yàn)镸AX1457使監(jiān)督儀能夠工作在很寬的溫度規(guī)模，使用SPRT和MAX1457組合可取得優(yōu)異的精度，為此它能使用于空間探測(cè)及潛水呼吸器等領(lǐng)域。

7、實(shí)用的簡(jiǎn)化校對(duì)計(jì)劃

正因?yàn)镸AX1457所供給的精度可遠(yuǎn)高于一個(gè)呼吸監(jiān)督儀的要求，所以沒(méi)有必要選用16位分辨率的DAC進(jìn)行校對(duì)。通?？蛇x用MAX1450信號(hào)調(diào)度器的簡(jiǎn)化校補(bǔ)償計(jì)劃（見(jiàn)圖5所示）。

7.1MAX1450信號(hào)調(diào)度器的功用實(shí)質(zhì)與MAX1457相同，只是用電阻代替DAC來(lái)進(jìn)行差錯(cuò)校對(duì)。

因MAX1450選用比MAX1457少得多的校準(zhǔn)點(diǎn)，其精度為1%。通常被用于混合計(jì)劃，該計(jì)劃將MAX1450和激光微調(diào)電阻（圖5所示的外接微調(diào)電阻）相結(jié)合供給了一種低成本的處理計(jì)劃，即用MAX1450信號(hào)調(diào)度器合作外部激光微調(diào)電阻可供給1%精度。調(diào)整圖5中的RFSOA微調(diào)電阻用來(lái)設(shè)定初始（FSO）靈敏度，而失調(diào)溫度漂移（OFFSETTC）的補(bǔ)償是通過(guò)ROFFA和ROTCA微調(diào)電阻的調(diào)整來(lái)完成。

7.2MAX1450引腳功用的介紹：

A0程控?cái)U(kuò)大器（PGA）增益設(shè)置最低位輸入；A1程控?cái)U(kuò)大器增益設(shè)置；A2程控?cái)U(kuò)大器（PGA）增益設(shè)置最高位輸入；SOTC程控?cái)U(kuò)大器電流過(guò)流控制開(kāi)關(guān)；SOFF程控?cái)U(kuò)大器電源關(guān)；OFFTC溫度偏移校對(duì)輸入；OFFSET偏移輸入；BBUF帶緩沖電橋電壓輸出；FSOTRIM電橋驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置輸入；

OUT程控?cái)U(kuò)大器輸出電壓；ISRC電流源基準(zhǔn)；BDRIVE鼓勵(lì)電流輸出；INM傳感器負(fù)信號(hào)輸出；INP傳感器正信號(hào)輸出；VDD電源電壓；VSS地。

8、結(jié)束語(yǔ)

因?yàn)?a href="http://mieman.cn/" target="_blank" style="font-family:宋體;font-size:14.6667px">智能傳感器新的信號(hào)調(diào)度器IC技能的開(kāi)展，現(xiàn)已能夠準(zhǔn)確校準(zhǔn)SPRT差錯(cuò)，壓阻式傳感器除了在醫(yī)用領(lǐng)域中使用外，還可拓寬到其它工業(yè)安全以及軍事領(lǐng)域等高端產(chǎn)品之中。這從上述幾種設(shè)計(jì)計(jì)劃可看出，通過(guò)使用硅壓阻式傳感器（SPRT）與MAX1450、MAX1457等信號(hào)調(diào)度器芯片所組成的智能傳感器使研制的新式呼吸監(jiān)督儀具有精度高、成本低、技能成熟的特點(diǎn)，也證明了在高端產(chǎn)品中無(wú)需要用貴重的應(yīng)變計(jì)的想象是能夠完成的。

據(jù)初步使用，該新式硅壓阻式傳感器（SPRT）與MAX1450、MAX1457等信號(hào)調(diào)度器芯片所組成的智能傳感器使研制的新式呼吸監(jiān)督儀通過(guò)醫(yī)療機(jī)構(gòu)和誠(chéng)信指數(shù)（心理狀況改動(dòng)引發(fā)作理指標(biāo)改動(dòng)的檢測(cè)）檢定儀在招聘與企業(yè)查核的試用，其作用杰出。尤其在醫(yī)院治療中使醫(yī)生對(duì)病員的呼吸與心肺狀況的測(cè)試,不但功用強(qiáng)并且指標(biāo)精度有很大進(jìn)步，根據(jù)多次試用，其定性（PC機(jī)上顯示器）與定量（數(shù)字記錄儀）測(cè)量成果為醫(yī)生全面確定癥狀有了更科學(xué)的根據(jù).