1、前語

當今，具有智能傳感器技能撿測頭的呼吸醫(yī)療監(jiān)督儀現(xiàn)已聞世，這就比較理想地處理了對各種情感和呼吸之間聯(lián)絡作很多研討的問題，并且能夠用來實在紀錄一個人的呼吸情況及其改動。

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

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

2.1呼吸醫(yī)療監(jiān)督儀（見圖1右面所示）

該監(jiān)督儀的用途是用來監(jiān)督呼吸情況，并能給出大致的呼吸深度。這個監(jiān)測儀監(jiān)測一些能夠用來評價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、積極的心情通常會導致呼出善于吸入，二者時間之比的參數(shù)，能從一個方面揭示人的焦慮程度。相對較高水平的胸呼吸（相對于腹呼吸）也可說明焦慮程度。監(jiān)督儀對胸呼吸的調(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）檢測吸入與呼出時對應壓力的下降和添加。SPRT的輸出被饋入一個MAX1450或MAX1457信號調(diào)度器芯片，而MAX1450或MAX1457信號調(diào)度器芯片又對SPRT的進行驅(qū)鼓勵（或用電流源鼓勵），其SPRT固有差錯又被饋入MAX1450或MAX1457之后并被校對，然后將通過補償?shù)碾妷盒盘査腿刖哂?2位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）MAX1202。ADC輸出（數(shù)字化的壓力信號）進入一個PC接口MAX3232，并被轉(zhuǎn)換為RS-232電平。最終信號被傳遞到PC機系統(tǒng)，這樣就能夠顯示出呼吸波形，并對以上所述參數(shù)進行分析。

3、關于硅壓阻式傳感器（SPRT）

3.1硅壓阻式傳感器（SPRT）檢測原理

硅壓阻式傳感器一般配置為一個緊密的惠斯登電橋。當有壓力施加到SPRT的靈敏電橋的橋臂時（見圖2a所示），對角橋臂的電阻值R將發(fā)作相同方向、相同巨細的改動,即R+△R和R-△R。當一個對角橋臂上的兩個電阻值在壓力的作用下添加時，另外一個對角橋臂的電阻值下降，反之亦然。對于SPRT半靈敏電橋（見圖2b所示），則只有半邊橋臂的電阻值發(fā)作改動。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）、杰出的線性、溫度穩(wěn)定性及無信號滯回等優(yōu)點，其測量規(guī)?？缮现疗茐男詷O限。

3.2硅壓阻式傳感器的使用

當今，因為新的IC技能現(xiàn)已能夠準確校準SPRT，所以將硅壓阻式傳感器使用規(guī)模從中、低精度檢測擴展到高端領域。彌補了以往SPRT通常只能用于中、低精度檢測，而對高端產(chǎn)品非要選用貴重的應變計等不足之處。但要使用硅壓阻式傳感器有必要處理差錯補償-校準技能，才干進步精度。為此，首要的是應對硅壓阻式傳感器的差錯作分析。

4、關于硅壓阻式傳感器（SPRT）差錯

校準SPRT傳感器的主要困難在于它們的差錯起伏規(guī)模很寬，選用不同工藝生產(chǎn)的SPRT傳感器具有不同類型的差錯和差錯規(guī)模。甚至由同一個制造商供給的同一型號傳感器的差錯起伏，兩者之間也會有細微的差異。SPRT傳感器的差錯要素包含：滿偏信號隨溫度改動的強烈非線性（高達1％oK）；很大的初始失調(diào)（可至滿偏的100％或更高）以及失調(diào)隨溫度的強烈漂移等。在必定限度內(nèi)，這些缺陷能夠由電子電路加以補償。

必定溫度下，圖2（a）（b）所示的兩種類型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)堅持相當?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，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）就會添加。當橋路電壓跟著溫度的升高而增大時，則SPRT靈敏度也隨之升高。

另一方面，如果堅持橋路電壓穩(wěn)定，SPRT的壓力靈敏度又會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能夠彼現(xiàn)代信號調(diào)度電路IC加以使用，來校對SPRT靈敏度在溫度規(guī)模內(nèi)的差錯。值得一提的是，此類信號調(diào)度電路IC均可通過橋路電阻的改動來校對靈敏度隨溫度的改動。根據(jù)SPRT產(chǎn)生差錯的主要要素的分析，便可有的放矢地進行校對與補償。以下將對現(xiàn)在常用的傳統(tǒng)校對與現(xiàn)代校對及簡化補償辦法作介紹。

5、傳統(tǒng)校對辦法

智能傳感器能夠補償SPRT精度至恰當水平，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行調(diào)整。而與SPRT靈敏度溫度漂移相關的是滿偏榆出（FSO）的溫度漂移，這兩個參數(shù)（指SPRT靈敏度溫度漂移與滿偏榆出的溫度漂移）的溫度特性互成正比，電路中的調(diào)零電阻Rjz用來補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）用于校對溫度差錯。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，這個添加的電壓△Vo+Vo-會使傳感器的靈敏度上升，也就是說，在給定壓力下它將輸出更高的電壓。

但是，如果堅持傳感器兩端電壓穩(wěn)定，傳感器的靈敏度就會跟著溫度的上升而下降（或稱負向靈敏度系數(shù)），但因為橋路電阻受溫度影響而添加時，它所引起的靈敏度正向改動系數(shù)是大于負向靈敏度系數(shù)，所以，滿偏輸出（FSO）趨向于跟著溫度添加而添加。電阻器Rts能夠在溫度上升時旁路掉一部分橋路電流，然后抵消上述效應。類似地，Rtz或R‘tz可對失調(diào)的漂移進行校對。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)校對辦法的優(yōu)點是程式簡單、廉價，但主要問題是各個補償元件之間互相影響,使校準十分困難，并約束了所能達到的精度，該校對技能也不便于選用電子調(diào)整。

6、現(xiàn)代校對-補償技能

因為SPRT的差錯起伏規(guī)模很寬，因而有必要要用通過現(xiàn)代與簡化補償法來校準?，F(xiàn)在現(xiàn)代校對-補償技能是選用MAX145新式信號調(diào)度芯片與SPRT的組合，即成智能傳感器與技能。

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

MAXl457還包含一個可編程增益擴大器（PGA），用于擴大傳感器的差分輸出；以及5個數(shù)DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器），用于校對各種不同的傳感器差錯。因為傳感器輸出的是弱小信號，PGA的輸出電壓還不足以驅(qū)動ADC。為此，MAXl457的內(nèi)置運放可用來提升PGA的輸出至合適的電平。

因為橋路電壓隨溫度而上升，這種溫度相關性能夠用來補償滿偏輸出（FSO-Fullspanoutput）的溫度差錯。對于恒流源鼓勵電橋，滿偏輸出（FSO）跟著溫度上升而下降，形成了滿偏輸出的溫度相關差錯（FSOTC）。但是，如果使橋路電壓跟著溫度以必定的速率上升，剛好補償?shù)魸M偏靈敏度隨溫度的下降，則滿偏輸出（FSO）將堅持穩(wěn)定。

6.1MAXl457怎么使用這種辦法校對溫度引起的滿偏輸出（FSO）差錯（見圖4所示）。

首要，由ADC對橋路電壓進行量化，根據(jù)量化成果，找出一個預先計開算好的四種校對系數(shù)（己保存于EEPROM內(nèi)）送人FSOTCDAC。然后DAC輸出電壓對橋路鼓勵電流進行調(diào)整，調(diào)整后的鼓勵電流改動了橋路電壓，然后補償了特定溫度下，因傳感器的靈敏度改動形成的滿偏輸出（FSO）差錯。為完成滑潤校對，橋路電壓被用作FSOTCDAC的參閱輸入，在相鄰兩個數(shù)字補償點（由ADC供給給EEPROM）之間進行模擬補償。相同的辦法被用于補償失調(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（而不是MAX1457的電流源）。

6.2對上述四種溫度校對系數(shù)的核算步驟的說明

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的數(shù)據(jù)，專為MAXl457設計的使用軟件可核算出四種校對系數(shù)：滿偏輸出（FSO）、滿偏輸出的溫度相關差錯（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。

為取得0.1%的精度，MAXl457允許在特定溫度進行補償，只需對每個規(guī)則溫度核算FSOTC和OFFSETTC由用戶決定校準點的數(shù)量（最多至120點）。如果傳感器差錯具有杰出的可重復性，此種SPRT與MAXl457組合可取得優(yōu)于0.1％的精度。

MAXl457的補償技能相對于圖3所示的傳統(tǒng)辦法具有顯著優(yōu)勢。MAXl457消除了補償元件之間的相互影響，這得益于相互獨立的失諧和滿度調(diào)整：失調(diào)在PGA輸出端進行補償,而FSO的批改通過電流源完成。另一個好處是，因為針對不同溫度點進行特定批改，取得更高的精度成為可能。這種辦法實質(zhì)上優(yōu)于選用外部電阻的方法，因為后者無法在特定溫度點對傳感器進行準確補償。

因為MAX1457所供給的精度可遠高于一個呼吸監(jiān)督儀的要求，之所以選擇它，主要是因為它內(nèi)部還包含一個附加的運放，能夠?qū)粑O(jiān)督儀傳感器的低電平信號進行擴大。因為MAX1457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及潛水呼吸器等領域。

7、實用的簡化校對計劃

正因為MAX1457所供給的精度可遠高于一個呼吸監(jiān)督儀的要求，所以沒有必要選用16位分辨率的DAC進行校對。通?？蛇x用MAX1450信號調(diào)度器的簡化校補償計劃（見圖5所示）。

7.1MAX1450信號調(diào)度器的功用實質(zhì)與MAX1457相同，只是用電阻代替DAC來進行差錯校對。

因MAX1450選用比MAX1457少得多的校準點，其精度為1%。通常被用于混合計劃，該計劃將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劃，即用MAX1450信號調(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)電阻用來設定初始（FSO）靈敏度，而失調(diào)溫度漂移（OFFSETTC）的補償是通過ROFFA和ROTCA微調(diào)電阻的調(diào)整來完成。

7.2MAX1450引腳功用的介紹：

A0程控擴大器（PGA）增益設置最低位輸入；A1程控擴大器增益設置；A2程控擴大器（PGA）增益設置最高位輸入；SOTC程控擴大器電流過流控制開關；SOFF程控擴大器電源關；OFFTC溫度偏移校對輸入；OFFSET偏移輸入；BBUF帶緩沖電橋電壓輸出；FSOTRIM電橋驅(qū)動電流設置輸入；

OUT程控擴大器輸出電壓；ISRC電流源基準；BDRIVE鼓勵電流輸出；INM傳感器負信號輸出；INP傳感器正信號輸出；VDD電源電壓；VSS地。

8、結(jié)束語

因為智能傳感器新的信號調(diào)度器IC技能的開展，現(xiàn)已能夠準確校準SPRT差錯，壓阻式傳感器除了在醫(yī)用領域中使用外，還可拓寬到其它工業(yè)安全以及軍事領域等高端產(chǎn)品之中。這從上述幾種設計計劃可看出，通過使用硅壓阻式傳感器（SPRT）與MAX1450、MAX1457等信號調(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，也證明了在高端產(chǎn)品中無需要用貴重的應變計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)督儀通過醫(yī)療機構和誠信指數(shù)（心理狀況改動引發(fā)作理指標改動的檢測）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)生對病員的呼吸與心肺狀況的測試,不但功用強并且指標精度有很大進步，根據(jù)多次試用，其定性（PC機上顯示器）與定量（數(shù)字記錄儀）測量成果為醫(yī)生全面確定癥狀有了更科學的根據(jù).