專利名稱：一種用于檢測汽車駕駛員心電信號的電容電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物電信號檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于檢測汽車駕駛員心電信號的電容電極。
背景技術(shù)：
通過監(jiān)測汽車駕駛員的心電信號可以檢測其疲勞程度，進而防止疲勞駕駛。傳統(tǒng)心電檢測方法多采用金屬電極直接接觸被測對象的皮膚來獲取信號，而駕駛環(huán)境的特殊性則不允許采用這種傳統(tǒng)檢測方法。近年來，非接觸式心電檢測技術(shù)開始快速發(fā)展，使得無需接觸被測對象的皮膚，便可以檢測其心電信號。非接觸式心電檢測技術(shù)利用電容耦合原理，以位移電流的形式檢測心電信號。如圖1所示，為非接觸式心電檢測示意圖。電容電極1、被測對象所穿的衣服2、被測對象的皮膚3 —起形成耦合電容Cs，被測對象的心電信號通過Cs耦合到信號處理電路的輸入端。由于耦合電容的阻抗在心電信號的頻帶范圍內(nèi)非常大，因此電容電極應(yīng)該設(shè)計成帶有電壓緩沖電路的有源電極，以提高其輸入阻抗；由于電容電極的輸入阻抗很大，導(dǎo)致其對外部的噪聲干擾尤其敏感，因此在設(shè)計電容電極時必須設(shè)計相應(yīng)的屏蔽結(jié)構(gòu)；此外，當(dāng)被測對象的身體發(fā)生運動時，耦合電容的電容值發(fā)生改變，導(dǎo)致輸出信號中出現(xiàn)運動偽影，如何抑制運動偽影，也是在設(shè)計電容電極時需要考慮的問題?，F(xiàn)有的電容電極設(shè)計方案大多采用三種方法來屏蔽干擾:采用3層或3層以上PCB板結(jié)構(gòu)；在電壓緩沖電路中加入復(fù)雜的反饋網(wǎng)絡(luò)；在電容電極的底面安裝金屬屏蔽罩。第一種方法大大提高了電容電極的制作成本；第二種方法使得電容電極的電路結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，而且過多的電子器件會引入 大量噪聲，如果設(shè)計不合理，反而會降低電容電極的抗干擾性能；第三種方法使得電容電極的機械結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，大大影響了電容電極的應(yīng)用靈活性。此外，現(xiàn)有的電容電極設(shè)計方案大多只包含信號檢測部件，而沒有緩沖部件，當(dāng)用于信號檢測時，電容電極固定放置，不可活動，被測對象身體的輕微運動就會引起明顯的運動偽影。在檢測汽車駕駛員的心電信號時，道路顛簸引起汽車的震動，導(dǎo)致駕駛員的身體發(fā)生運動，如何抑制身體運動引起的運動偽影是汽車駕駛員心電信號檢測需要考慮的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，且能抑制運動偽影的用于檢測汽車駕駛員心電信號的電容電極。本發(fā)明所述的用于檢測駕駛員心電信號的電容電極由支撐部件、信號檢測部件和緩沖部件構(gòu)成；所述支撐部件由金屬板構(gòu)成；所述信號檢測部件由帶有電壓緩沖電路的雙面PCB板構(gòu)成，電壓緩沖電路設(shè)置在PCB板的底面，由高輸入阻抗、低噪聲、CMOS型、雙運放精密放大器組成；所述緩沖部件由彈簧構(gòu)成，用于連接支撐部件和信號檢測部件。所述雙面PCB板的頂面覆蓋一層中心鏤空的銅膜，銅膜上覆蓋阻焊油墨。
所述雙面PCB板的底面覆蓋一層中心鏤空的銅膜，銅膜上覆蓋阻焊油墨。所述電壓緩沖電路設(shè)置在PCB板底面銅膜的鏤空處，包括運算放大器Al、運算放大器A2、輸入保護電容Cl、隔直電容C2、第一隔離電阻R1、第二隔離電阻R3、偏置電阻R2 ；輸入保護電容Cl的一端通過過孔與PCB板頂面的銅膜相連，另一端與運算放大器Al的同相輸入端相連；運算放大器Al的輸出端與其反相輸入端相連；第一隔離電阻Rl的一端與PCB板底面的銅膜相連，另一端與運算放大器Al的輸出端相連；隔直電容C2的一端與運算放大器Al的輸出端相連，另一端與運算放大器A2的同相輸入端相連；運算放大器A2的輸出端與其反相輸入端相連；偏置電阻R2的一端與運算放大器A2的同相輸入端相連，另一端接地；第二隔離電阻R3的一端與運算放大器A2的輸出端相連，另一端為信號輸出端。本發(fā)明采用雙面PCB板作為信號檢測部件，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉；采用彈簧作為緩沖部件，有效抑制了信號檢測過程中被測對象的身體運動引起的運動偽影；另外采用金屬板作為支撐部件，不僅可提供支撐作用，也為信號檢測部件提供電磁屏蔽作用。



圖1為非接觸式心電檢測示意 圖2為本發(fā)明一實施例的結(jié)構(gòu) 圖3為實施例所采用的雙面PCB板的二維縱斷面結(jié)構(gòu) 圖4為實施例所采用的雙面PCB板的頂面結(jié)構(gòu) 圖5為實施例所采用的雙面PCB板的底面結(jié)構(gòu) 圖6為實施例所采用的電壓緩沖電路的電路結(jié)構(gòu) 圖7為本發(fā)明應(yīng)用于汽車駕駛員心電監(jiān)測的示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖2所示，為本發(fā)明一實施例的結(jié)構(gòu)圖，包括支撐部件4、信號檢測部件5和緩沖部件，緩沖部件由彈簧6、彈簧7、彈簧8和彈簧9構(gòu)成。支撐部件4采用鋁制板，其尺寸選擇為I] 12cm,厚度選擇為0.2cm。鋁制板用來提供支撐作用，同時為信號檢測部件提供電磁屏蔽作用。信號檢測部件5由帶有電壓緩沖電路的雙面PCB板構(gòu)成，其二維縱斷面結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。本實施例采用的PCB板的尺寸選擇為15 X 12cm，厚度選擇為0.3cm。如圖4所示，為本實施例采用的PCB板的頂面結(jié)構(gòu)圖；PCB板的頂面覆蓋一層中心鏤空的銅膜10，銅膜厚度選擇為50 M m，鏤空11的尺寸選擇為3 x 3cm ;銅膜上覆蓋一層阻焊油墨12，油墨厚度選擇為10 “ m。如圖5所示，為本實施例采用的PCB板的底面結(jié)構(gòu)圖；PCB板的底面覆蓋一層中心鏤空的銅膜13，銅膜厚度選擇為50 β m，鏤空14的尺寸選擇為3 icm ;銅膜上覆蓋一層阻焊油墨，油墨厚度選擇為10 “ m。PCB板的頂面銅膜為電極面，用于檢測被測對象的心電信號；PCB板的底面銅膜為屏蔽面，用于屏蔽外界環(huán)境噪聲對電極面產(chǎn)生的干擾。電壓緩沖電路16設(shè)置在PCB板底面銅膜的鏤空處，圖6為本實施例采用的電壓緩沖電路的電路結(jié)構(gòu)圖，所用芯片為CMOS型雙運放精密放大器LMP7708，包括運算放大器LMP7708A、運算放大器LMP7708B、輸入保護電容Cl、隔直電容C2、第一隔離電阻R1、第二隔離電阻R3、偏置電阻R2 ;輸入保護電容Cl的一端通過過孔17與PCB板頂面的銅膜10相連，另一端與運算放大器LMP7708A的同相輸入端相連；運算放大器LMP7708A的輸出端與其反相輸入端相連；第一隔離電阻Rl的一端與PCB板底面的銅膜13相連，另一端與運算放大器LMP7708A的輸出端相連；隔直電容C2的一端與運算放大器LMP7708A的輸出端相連，另一端與運算放大器LMP7708B的同相輸入端相連；運算放大器LMP7708B的輸出端與其反相輸入端相連；偏置電阻R2的一端與運算放大器LMP7708B的同相輸入端相連，另一端接地；第二隔離電阻R3的一端與運算放大器LMP7708B的輸出端相連，另一端為信號輸出端。運算放大器LMP7702A的輸出端與PCB板的底面銅膜相連，使其電壓值跟隨PCB板頂面銅膜的電壓值，形成有源屏蔽，從而有效抑制外部環(huán)境噪聲對電極面的干擾；另外采用鋁制板作為支撐部件，進一步加強了屏蔽作用。隔直電容C2、偏置電阻R2、運算放大器LMP7708B構(gòu)成有源高通濾波器，本實施例選擇濾波截至頻率為0.05Hz。所述PCB板采取底面向下，頂面向上放置方式，使其底面朝向支撐部件，頂面朝向被測對象的身體。在本實施例中，彈簧6、彈簧7、彈簧8和彈簧9均采用壓縮型、重荷重彈簧，具體規(guī)格為:外徑:1.6cm ;內(nèi)徑:0.8cm ；自由長:2.5cm ;彈性系數(shù):125.8N/mm ;壓縮量:0.6cm ;荷重:755N。彈簧6的一端固定在支撐部件的左下角，另一端固定在PCB板底面的左下角；彈簧7的一端固定在支撐部件的右下角，另一端固定在PCB板底面的右下角；彈簧8的一端固定在支撐部件的右上角，另一端固定在PCB板底面的右上角；彈簧9的一端固定在支撐部件的左上角，另一端固定在PCB板底面的左上角。如圖7所示，本發(fā)明所實現(xiàn)的電容電極18放置在駕駛座上，用作信號電極，其支撐部件朝下，信號檢測部件朝上；汽車方向盤的左半圈外沿安裝一個普通金屬電極，與電路中的地相連，用于將駕駛員的身體接地。駕駛員穿著普通的衣服正常駕駛，其左手接觸方向盤上的接地電極，心電信號通過駕駛座上的電容電極耦合到后續(xù)信號處理電路的輸入端。由于采用了緩沖部件，本發(fā)明所實現(xiàn)`的電容電極能有效抑制駕駛過程中產(chǎn)生的運動偽影。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測汽車駕駛員心電信號的電容電極，其特征在于:由支撐部件、信號檢測部件和緩沖部件構(gòu)成，所述支撐部件和信號檢測部件通過緩沖部件相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測汽車駕駛員心電信號的電容電極，其特征在于:所述支撐部件由金屬板構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測汽車駕駛員心電信號的電容電極，其特征在于:所述信號檢測部件由雙面PCB板構(gòu)成，雙面PCB板設(shè)置有電壓緩沖電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測汽車駕駛員心電信號的電容電極，其特征在于:所述緩沖部件由彈簧構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于檢測汽車駕駛員心電信號的電容電極，其特征在于:所述雙面PCB板的頂面覆蓋一層中心鏤空的銅膜，銅膜上覆蓋阻焊油墨。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于檢測汽車駕駛員心電信號的電容電極，其特征在于:所述雙面PCB板的底面覆蓋一層中心鏤空的銅膜，銅膜上覆蓋阻焊油墨。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或5或6所述的用于檢測汽車駕駛員心電信號的電容電極，其特征在于:所述雙面PCB板的頂面銅膜的形狀和底面銅膜的形狀相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于檢測汽車駕駛員心電信號的電容電極，其特征在于:所述電壓緩沖電路設(shè)置在PCB板底面銅膜的鏤空處，包括運算放大器Al、運算放大器A2、輸入保護電容Cl、隔直電容C2、第一隔離電阻R1、第二隔離電阻R3、偏置電阻R2;輸入保護電容Cl的一端通過過孔與PCB板頂面的銅膜相連，另一端與運算放大器Al的同相輸入端相連；運算放大器Al的輸出端與其反相輸入端相連；第一隔離電阻Rl的一端與PCB板底面的銅膜相連，另一端與運算放大器Al的輸出端相連；隔直電容C2的一端與運算放大器Al的輸出端相連，另一端與運算放大器A2的同相輸入端相連；運算放大器A2的輸出端與它的反相輸入端相連；偏置電阻R2的一端與運算放大器A2的同相輸入端相連，另一端接地；第二隔離電阻R3的一端與運算放大器A2的輸出端 相連,另一端為信號輸出端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于檢測汽車駕駛員心電信號的電容電極，包括支撐部件、信號檢測部件和緩沖部件；所述支撐部件由金屬板構(gòu)成；所述信號檢測部件由帶有電壓緩沖電路的雙面PCB板構(gòu)成，電壓緩沖電路設(shè)置在PCB板的底面，由高輸入阻抗、低噪聲、CMOS型、雙運放精密放大器組成；所述緩沖部件由彈簧構(gòu)成，用于連接支撐部件和信號檢測部件。本發(fā)明采用雙面PCB板作為信號檢測部件，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉；采用彈簧作為緩沖部件，有效抑制了信號檢測過程中被測對象的身體運動引起的運動偽影；采用金屬板作為支撐部件，不僅提供支撐作用，也為信號檢測部件提供電磁屏蔽作用。
文檔編號A61B5/0408GK103230270SQ201310179299
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月15日
發(fā)明者徐效文, 賀金義, 趙于前 申請人:中南大學(xué)