1、前語

當今，具有智能傳感器技能撿測頭的呼吸醫療監督儀現已聞世，這就比較理想地處理了對各種情感和呼吸之間聯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。

在此本文對呼吸監督儀頂用微型傳感器-硅壓阻式傳感器（SPRT）與MAX1450或MAX1457信號調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、呼吸醫療監督儀與智能傳感器及技能（其組成框圖，見圖1所示）

2.1呼吸醫療監督儀（見圖1右面所示）

該監督儀的用途是用來監督呼吸情況，并能給出大致的呼吸深度。這個監測儀監測一些能夠用來評價焦慮程度的重要參數：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，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。監督儀對胸呼吸的調查反映出監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信號調度器芯片，而MAX1450或MAX1457信號調度器芯片又對SPRT的進行驅鼓勵（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，然后將通過補償的電壓信號送入具有12位的模數轉換器（ADC）MAX1202。ADC輸出（數字化的壓力信號）進入一個PC接口MAX3232，并被轉換為RS-232電平。最終信號被傳遞到PC機系統，這樣就能夠顯示出呼吸波形，并對以上所述參數進行分析。

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、溫度穩定性及無信號滯回等優點，其測量規模可上至破壞性極限。

3.2硅壓阻式傳感器的使用

當今，因為新的IC技能現已能夠準確校準SPRT，所以將硅壓阻式傳感器使用規模從中、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模很寬，選用不同工藝生產的SPRT傳感器具有不同類型的差錯和差錯規模。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（可至滿偏的100％或更高）以及失調隨溫度的強烈漂移等。在必定限度內，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模內堅持相當的穩定，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代信號調度電路IC加以使用，來校對SPRT靈敏度在溫度規模內的差錯。值得一提的是，此類信號調度電路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SPRT產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。以下將對現在常用的傳統校對與現代校對及簡化補償辦法作介紹。

5、傳統校對辦法

智能傳感器能夠補償SPRT精度至恰當水平，并能夠對SPRT失調、失調的溫度漂移（OFFSETTC）以及SPRT靈敏度的溫度漂移進行調整。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（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，電路中的調零電阻Rjz用來補償傳感器在室溫下的失調電壓，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），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是大于負向靈敏度系數，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可對失調的漂移進行校對。電路中選擇Rts仍是R‘tz取決于失調的溫度漂移方向。

這種傳統校對辦法的優點是程式簡單、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整。

6、現代校對-補償技能

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

用一片信號調度MAXl457IC以驅動呼吸監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（模數轉換器）。

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DAC（數模轉換器），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動ADC。為此，MAXl457的內置運放可用來提升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，剛好補償掉滿偏靈敏度隨溫度的下降，則滿偏輸出（FSO）將堅持穩定。

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，根據量化成果，找出一個預先計開算好的四種校對系數（己保存于EEPROM內）送人FSOTCDAC。然后DAC輸出電壓對橋路鼓勵電流進行調整，調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輸出端的求和節點（而不是MAX1457的電流源）。

6.2對上述四種溫度校對系數的核算步驟的說明

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據，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據。使用這些極限溫度點的數據，專為MAXl457設計的使用軟件可核算出四種校對系數：滿偏輸出（FSO）、滿偏輸出的溫度相關差錯（FSOTC）、偏移-失調（Offset）、失調的溫度偏移（OFFSETTC），這四種系數能夠批改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，只需對每個規則溫度核算FSOTC和OFFSETTC由用戶決定校準點的數量（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組合可取得優于0.1％的精度。

MAXl457的補償技能相對于圖3所示的傳統辦法具有顯著優勢。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整：失調在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。這種辦法實質上優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督儀的要求，之所以選擇它，主要是因為它內部還包含一個附加的運放，能夠對呼吸監督儀傳感器的低電平信號進行擴大。因為MAX1457使監督儀能夠工作在很寬的溫度規模，使用SPRT和MAX1457組合可取得優異的精度，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。通常可選用MAX1450信號調度器的簡化校補償計劃（見圖5所示）。

7.1MAX1450信號調度器的功用實質與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和激光微調電阻（圖5所示的外接微調電阻）相結合供給了一種低成本的處理計劃，即用MAX1450信號調度器合作外部激光微調電阻可供給1%精度。調整圖5中的RFSOA微調電阻用來設定初始（FSO）靈敏度，而失調溫度漂移（OFFSETTC）的補償是通過ROFFA和ROTCA微調電阻的調整來完成。

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、結束語

因為智能傳感器新的信號調度器IC技能的開展，現已能夠準確校準SPRT差錯，壓阻式傳感器除了在醫用領域中使用外，還可拓寬到其它工業安全以及軍事領域等高端產品之中。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等信號調度器芯片所組成的智能傳感器使研制的新式呼吸監督儀具有精度高、成本低、技能成熟的特點，也證明了在高端產品中無需要用貴重的應變計的想象是能夠完成的。

據初步使用，該新式硅壓阻式傳感器（SPRT）與MAX1450、MAX1457等信號調度器芯片所組成的智能傳感器使研制的新式呼吸監督儀通過醫療機構和誠信指數（心理狀況改動引發作理指標改動的檢測）檢定儀在招聘與企業查核的試用，其作用杰出。尤其在醫院治療中使醫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，根據多次試用，其定性（PC機上顯示器）與定量（數字記錄儀）測量成果為醫生全面確定癥狀有了更科學的根據.