1、前语

当今，具有智能传感器技能捡测头的呼吸医疗监督仪现已闻世，这就比较理想地处理了对各种情感和呼吸之间联络作很多研讨的问题，并且能够用来实在纪录一个人的呼吸情况及其改动。

在此本文对呼吸监督仪顶用微型传感器-硅压阻式传感器（SPRT）与MAX1450或MAX1457信号调度器组成新式智能传感器及在技能计划中的功用作一个分析与介绍。

2、呼吸医疗监督仪与智能传感器及技能（其组成框图，见图1所示）

2.1呼吸医疗监督仪（见图1右面所示）

该监督仪的用途是用来监督呼吸情况，并能给出大致的呼吸深度。这个监测仪监测一些能够用来评价焦虑程度的重要参数：呼吸频率、呼吸的均匀程度以及呼气和吸气之间的间歇。安静、积极的心情通常会导致呼出善于吸入，二者时间之比的参数，能从一个方面揭示人的焦虑程度。相对较高水平的胸呼吸（相对于腹呼吸）也可说明焦虑程度。监督仪对胸呼吸的调查反映出监督仪具有很多的可视信息功用。

2.2智能传感器技能

图1中的呼吸监督仪选用硅压阻式传感器（SPRT—Siliconpiezoresistancetransducer）检测吸入与呼出时对应压力的下降和添加。SPRT的输出被馈入一个MAX1450或MAX1457信号调度器芯片，而MAX1450或MAX1457信号调度器芯片又对SPRT的进行驱鼓励（或用电流源鼓励），其SPRT固有差错又被馈入MAX1450或MAX1457之后并被校对，然后将通过补偿的电压信号送入具有12位的模数转换器（ADC）MAX1202。ADC输出（数字化的压力信号）进入一个PC接口MAX3232，并被转换为RS-232电平。最终信号被传递到PC机系统，这样就能够显示出呼吸波形，并对以上所述参数进行分析。

3、关于硅压阻式传感器（SPRT）

3.1硅压阻式传感器（SPRT）检测原理

硅压阻式传感器一般配置为一个紧密的惠斯登电桥。当有压力施加到SPRT的灵敏电桥的桥臂时（见图2a所示），对角桥臂的电阻值R将发作相同方向、相同巨细的改动,即R+△R和R-△R。当一个对角桥臂上的两个电阻值在压力的作用下添加时，另外一个对角桥臂的电阻值下降，反之亦然。对于SPRT半灵敏电桥（见图2b所示），则只有半边桥臂的电阻值发作改动。不管是全桥仍是半灵敏电桥的传感器都具有高灵敏度（>10mv/v）、杰出的线性、温度稳定性及无信号滞回等优点，其测量规模可上至破坏性极限。

3.2硅压阻式传感器的使用

当今，因为新的IC技能现已能够准确校准SPRT，所以将硅压阻式传感器使用规模从中、低精度检测扩展到高端领域。弥补了以往SPRT通常只能用于中、低精度检测，而对高端产品非要选用贵重的应变计等不足之处。但要使用硅压阻式传感器有必要处理差错补偿-校准技能，才干进步精度。为此，首要的是应对硅压阻式传感器的差错作分析。

4、关于硅压阻式传感器（SPRT）差错

校准SPRT传感器的主要困难在于它们的差错起伏规模很宽，选用不同工艺生产的SPRT传感器具有不同类型的差错和差错规模。甚至由同一个制造商供给的同一型号传感器的差错起伏，两者之间也会有细微的差异。SPRT传感器的差错要素包含：满偏信号随温度改动的强烈非线性（高达1％oK）；很大的初始失调（可至满偏的100％或更高）以及失调随温度的强烈漂移等。在必定限度内，这些缺陷能够由电子电路加以补偿。

必定温度下，图2（a）（b）所示的两种类型SPRT桥路电阻（Vcc和地之间的等效电阻）能够在很宽的压力规模内坚持相当的稳定，但是，跟着温度的上升，桥路电阻显着添加，如果电桥由恒流源驱动，桥路电压（指Vcc和地之间的等效电阻与恒流源输出电流的乘积）就会添加。当桥路电压跟着温度的升高而增大时，则SPRT灵敏度也随之升高。

另一方面，如果坚持桥路电压稳定，SPRT的压力灵敏度又会跟着温度的升高而下降。因此，SPRT的压力灵敏度受两种互相对立的要素影响：温度和受温度影响的桥路电压。这种桥路电阻或桥路电压的改动能够彼现代信号调度电路IC加以使用，来校对SPRT灵敏度在温度规模内的差错。值得一提的是，此类信号调度电路IC均可通过桥路电阻的改动来校对灵敏度随温度的改动。根据SPRT产生差错的主要要素的分析，便可有的放矢地进行校对与补偿。以下将对现在常用的传统校对与现代校对及简化补偿办法作介绍。

5、传统校对办法

智能传感器能够补偿SPRT精度至恰当水平，并能够对SPRT失调、失调的温度漂移（OFFSETTC）以及SPRT灵敏度的温度漂移进行调整。而与SPRT灵敏度温度漂移相关的是满偏榆出（FSO）的温度漂移，这两个参数（指SPRT灵敏度温度漂移与满偏榆出的温度漂移）的温度特性互成正比，电路中的调零电阻Rjz用来补偿传感器在室温下的失调电压，温度灵敏电阻Rts和Rtz（或R‘tz）用于校对温度差错。前面提到，桥路电阻跟着温度上升而添加，使传感器两端的电压Vo+Vo-（）也添加，这个添加的电压△Vo+Vo-会使传感器的灵敏度上升，也就是说，在给定压力下它将输出更高的电压。

但是，如果坚持传感器两端电压稳定，传感器的灵敏度就会跟着温度的上升而下降（或称负向灵敏度系数），但因为桥路电阻受温度影响而添加时，它所引起的灵敏度正向改动系数是大于负向灵敏度系数，所以，满偏输出（FSO）趋向于跟着温度添加而添加。电阻器Rts能够在温度上升时旁路掉一部分桥路电流，然后抵消上述效应。类似地，Rtz或R‘tz可对失调的漂移进行校对。电路中选择Rts仍是R‘tz取决于失调的温度漂移方向。

这种传统校对办法的优点是程式简单、廉价，但主要问题是各个补偿元件之间互相影响,使校准十分困难，并约束了所能达到的精度，该校对技能也不便于选用电子调整。

6、现代校对-补偿技能

因为SPRT的差错起伏规模很宽，因而有必要要用通过现代与简化补偿法来校准。现在现代校对-补偿技能是选用MAX145新式信号调度芯片与SPRT的组合，即成智能传感器与技能。

用一片信号调度MAXl457IC以驱动呼吸监督仪的硅压阻式传感器（SPRT），并校对传感器的差错。MAXl457它带一个用于驱动传感器的受控电流源和一个用以采样传感器桥路电压的ADC（模数转换器）。

MAXl457还包含一个可编程增益扩大器（PGA），用于扩大传感器的差分输出；以及5个数DAC（数模转换器），用于校对各种不同的传感器差错。因为传感器输出的是弱小信号，PGA的输出电压还不足以驱动ADC。为此，MAXl457的内置运放可用来提升PGA的输出至合适的电平。

因为桥路电压随温度而上升，这种温度相关性能够用来补偿满偏输出（FSO-Fullspanoutput）的温度差错。对于恒流源鼓励电桥，满偏输出（FSO）跟着温度上升而下降，形成了满偏输出的温度相关差错（FSOTC）。但是，如果使桥路电压跟着温度以必定的速率上升，刚好补偿掉满偏灵敏度随温度的下降，则满偏输出（FSO）将坚持稳定。

6.1MAXl457怎么使用这种办法校对温度引起的满偏输出（FSO）差错（见图4所示）。

首要，由ADC对桥路电压进行量化，根据量化成果，找出一个预先计开算好的四种校对系数（己保存于EEPROM内）送人FSOTCDAC。然后DAC输出电压对桥路鼓励电流进行调整，调整后的鼓励电流改动了桥路电压，然后补偿了特定温度下，因传感器的灵敏度改动形成的满偏输出（FSO）差错。为完成滑润校对，桥路电压被用作FSOTCDAC的参阅输入，在相邻两个数字补偿点（由ADC供给给EEPROM）之间进行模拟补偿。相同的办法被用于补偿失调的温度漂移（OFFSETTC），所不同的是，OFFSETTCDAC的输出电压被馈人PGA输出端的求和节点（而不是MAX1457的电流源）。

6.2对上述四种温度校对系数的核算步骤的说明

首要，将传感器和MAXl457置于最低温度获取不同压力下的传感器数据，然后，再将传感器和MAXl457置于最高温度下获取不同压力下的传感器数据。使用这些极限温度点的数据，专为MAXl457设计的使用软件可核算出四种校对系数：满偏输出（FSO）、满偏输出的温度相关差错（FSOTC）、偏移-失调（Offset）、失调的温度偏移（OFFSETTC），这四种系数能够批改SPRT的一阶差错。

为取得0.1%的精度，MAXl457允许在特定温度进行补偿，只需对每个规则温度核算FSOTC和OFFSETTC由用户决定校准点的数量（最多至120点）。如果传感器差错具有杰出的可重复性，此种SPRT与MAXl457组合可取得优于0.1％的精度。

MAXl457的补偿技能相对于图3所示的传统办法具有显着优势。MAXl457消除了补偿元件之间的相互影响，这得益于相互独立的失谐和满度调整：失调在PGA输出端进行补偿,而FSO的批改通过电流源完成。另一个好处是，因为针对不同温度点进行特定批改，取得更高的精度成为可能。这种办法实质上优于选用外部电阻的方法，因为后者无法在特定温度点对传感器进行准确补偿。

因为MAX1457所供给的精度可远高于一个呼吸监督仪的要求，之所以选择它，主要是因为它内部还包含一个附加的运放，能够对呼吸监督仪传感器的低电平信号进行扩大。因为MAX1457使监督仪能够工作在很宽的温度规模，使用SPRT和MAX1457组合可取得优异的精度，为此它能使用于空间探测及潜水呼吸器等领域。

7、实用的简化校对计划

正因为MAX1457所供给的精度可远高于一个呼吸监督仪的要求，所以没有必要选用16位分辨率的DAC进行校对。通常可选用MAX1450信号调度器的简化校补偿计划（见图5所示）。

7.1MAX1450信号调度器的功用实质与MAX1457相同，只是用电阻代替DAC来进行差错校对。

因MAX1450选用比MAX1457少得多的校准点，其精度为1%。通常被用于混合计划，该计划将MAX1450和激光微调电阻（图5所示的外接微调电阻）相结合供给了一种低成本的处理计划，即用MAX1450信号调度器合作外部激光微调电阻可供给1%精度。调整图5中的RFSOA微调电阻用来设定初始（FSO）灵敏度，而失调温度漂移（OFFSETTC）的补偿是通过ROFFA和ROTCA微调电阻的调整来完成。

7.2MAX1450引脚功用的介绍：

A0程控扩大器（PGA）增益设置最低位输入；A1程控扩大器增益设置；A2程控扩大器（PGA）增益设置最高位输入；SOTC程控扩大器电流过流控制开关；SOFF程控扩大器电源关；OFFTC温度偏移校对输入；OFFSET偏移输入；BBUF带缓冲电桥电压输出；FSOTRIM电桥驱动电流设置输入；

OUT程控扩大器输出电压；ISRC电流源基准；BDRIVE鼓励电流输出；INM传感器负信号输出；INP传感器正信号输出；VDD电源电压；VSS地。

8、结束语

因为智能传感器新的信号调度器IC技能的开展，现已能够准确校准SPRT差错，压阻式传感器除了在医用领域中使用外，还可拓宽到其它工业安全以及军事领域等高端产品之中。这从上述几种设计计划可看出，通过使用硅压阻式传感器（SPRT）与MAX1450、MAX1457等信号调度器芯片所组成的智能传感器使研制的新式呼吸监督仪具有精度高、成本低、技能成熟的特点，也证明了在高端产品中无需要用贵重的应变计的想象是能够完成的。

据初步使用，该新式硅压阻式传感器（SPRT）与MAX1450、MAX1457等信号调度器芯片所组成的智能传感器使研制的新式呼吸监督仪通过医疗机构和诚信指数（心理状况改动引发作理指标改动的检测）检定仪在招聘与企业查核的试用，其作用杰出。尤其在医院治疗中使医生对病员的呼吸与心肺状况的测试,不但功用强并且指标精度有很大进步，根据多次试用，其定性（PC机上显示器）与定量（数字记录仪）测量成果为医生全面确定症状有了更科学的根据.