HKY-06B心音傳感器在巖溶環(huán)境水樣數(shù)據(jù)采集場合下的創(chuàng)新優(yōu)化

李康，周燕，李俊杰

（凱里學(xué)院，貴州凱里， 556011）

0 引言

在喀斯特巖溶環(huán)境中取樣主要來源于鐘乳石底部沉積附著的水[1]，各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的環(huán)境不同以及外部干擾，水樣下降速度具有較大偏差，地質(zhì)人員在分析水樣成分的同時(shí)將水的滴速納入研究范圍，目前在市場上能夠?qū)颖镜嗡俦O(jiān)測(cè)的設(shè)備幾乎沒有，針對(duì)以上問題，本文將著重在獲取巖溶環(huán)境水樣滴速電信號(hào)上出發(fā)，改裝原有的心音傳感器HKY-06B，并對(duì)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，將微弱的水樣信號(hào)放大處理成微控制器能夠識(shí)別處理的電信號(hào)[2]。目前心音傳感器HKY-06B主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，國內(nèi)合肥華科電子技術(shù)研究所對(duì)產(chǎn)品不斷升級(jí)迭代，在心音信號(hào)處理上也在不斷完善，其方向主要在于前端心音信號(hào)的采集，信號(hào)放大濾波電路優(yōu)化上，在應(yīng)用領(lǐng)域場合上很少有探索，因此將心音傳感器經(jīng)過改裝遷移至巖溶環(huán)境水樣采集的應(yīng)用場合具有一定的研究意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

心音傳感器在國內(nèi)外普遍用于醫(yī)學(xué)生物信號(hào)的監(jiān)測(cè)，在研發(fā)上不斷創(chuàng)新，中北大學(xué)通過仿生MEMS心音傳感器設(shè)計(jì)電子聽診器，用于早期心血管疾病的預(yù)防和數(shù)字診療需求[3]。部分研究機(jī)構(gòu)在心音傳感器傳感材料上優(yōu)化，研究PVDF共性聚物膜的壓電特性，對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行電荷放大、電壓放大，用數(shù)據(jù)采集卡采集[4]。國內(nèi)部分高校針對(duì)心音信號(hào)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，通過ZigBee技術(shù)組網(wǎng)完成信號(hào)的傳輸。針對(duì)心音傳感器在巖溶環(huán)境數(shù)據(jù)采集上，目前，云南地理研究所在心音傳感器傳感面大小及壓電性能上做了不少研究。國外針對(duì)心音傳感器的研究主要在信號(hào)提取，信號(hào)處理，信號(hào)與疾病之間的映射關(guān)系，在軟件層面高度集成化，實(shí)時(shí)測(cè)量。巖溶環(huán)境下數(shù)據(jù)自動(dòng)采樣基本沿用美國QED地下水采集設(shè)備，因此，心音傳感器用于巖溶環(huán)境數(shù)據(jù)采集是一個(gè)創(chuàng)新的方向。

2 心音傳感器的改裝

■2.1 傳統(tǒng)心音傳感器的工作原理

HKY-06B心音傳感器通過高分子聚合材料微音傳感元件采集心在搏動(dòng)和其他體表動(dòng)脈搏動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)過高度集成化信號(hào)處理電路處理[5~7]。HKY-06B心音傳感器具有低電壓供電，頻率響應(yīng)高，靈敏度高等特點(diǎn)[8]，普遍能夠被微控制器檢測(cè)，其典型應(yīng)用電路如圖1所示。

圖1 HKY—06B心音傳感器典型運(yùn)用電路

HKY-06B心音傳感器接口定義較為簡單，電源VCC范圍為3~5V，信號(hào)輸出Vout為0.5~1.5V，C1與E1均為電容，在電路中主要起到濾波和得到一個(gè)純凈的電源的作用，IC1為一個(gè)運(yùn)算放大器，在這里將其作為一個(gè)電壓跟隨器，其放大倍數(shù)為1，主要起到一個(gè)緩沖作用和無干擾的輸出信號(hào)。

■2.2 傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

HKY-06B心音傳感器目前主要用于心音采集、胎音采集以及其他體表微音信號(hào)采集[9]，其傳感接觸面較小并且信號(hào)微弱，無法直接用于巖溶環(huán)境下水樣數(shù)據(jù)的采集。為了能夠方便并且穩(wěn)定獲取水樣的電的信號(hào)，主要從心音傳感器的傳感接觸面及采樣裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上優(yōu)化。在實(shí)驗(yàn)?zāi)M中，水滴信號(hào)很難在傳感面上獲取并且極其不穩(wěn)定。為了解決這一問題，結(jié)合傳感器傳感面的材料和適用的場景，采用高分子PET膠片與EPE珍珠棉貼合作為傳感器信號(hào)接觸面，PET是乳白色或淺黃色、高度結(jié)晶的聚合物，表面平滑有光澤。在較寬的溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能，長期使用溫度可達(dá)120℃，電絕緣性優(yōu)良，甚至在高溫高頻下，其電性能仍較好，但耐電暈性較差，抗蠕變性，耐疲勞性，耐摩擦性、尺寸穩(wěn)定性都很好。PET有酯鍵，在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和水蒸氣作用下會(huì)發(fā)生分解，耐有機(jī)溶劑、耐候性好，水樣本在其環(huán)境下不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在一定程度杜絕了水樣本的污染，在接收由水樣傳導(dǎo)的形變振動(dòng)較為均勻，EPE珍珠棉為聚乙烯發(fā)泡棉，非交聯(lián)閉孔結(jié)構(gòu)，是一種新型環(huán)保材料，具有很好的抗化學(xué)性能，對(duì)水樣本污染幾乎為零，隨著材料密度的增加，達(dá)到同一應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力越大，能量吸收較好，完全可以模擬人體表面皮膚環(huán)境傳導(dǎo)電信號(hào)，水樣本下落的沖力對(duì)PET膠片產(chǎn)生形變傳到給壓電薄膜轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[10]。心音傳感器傳感面由原來半徑為2cm的傳感區(qū)域擴(kuò)大至現(xiàn)有半徑6cm的傳感區(qū)域，有利于水樣信號(hào)的接收。在巖溶環(huán)境中，為了便于攜帶和多點(diǎn)位取樣，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了較大改變，如圖2所示。

圖2 水樣取樣裝置結(jié)構(gòu)圖

在圖2中，取樣裝置設(shè)計(jì)成圓錐體形，可以最大限度接收水樣本，并且在一定程度上防止水樣本的濺出，保證了水樣電信號(hào)的完整性。二級(jí)緩沖區(qū)設(shè)計(jì)成空間球形，上大下小，水樣采集時(shí)能起到緩沖作用。下面對(duì)以上三個(gè)部分設(shè)計(jì)功能進(jìn)行簡單描述：心音傳感器擴(kuò)大傳感面中心點(diǎn)附近區(qū)域均可發(fā)生形變而產(chǎn)生電信號(hào)，信號(hào)傳導(dǎo)面增大；旋轉(zhuǎn)伸縮柱釘通過旋轉(zhuǎn)可以不斷調(diào)節(jié)傳感面下邊沿著力點(diǎn)，從而改變傳感面傾斜角度，調(diào)節(jié)式尋找不同觀測(cè)點(diǎn)最佳傾斜度和受力點(diǎn)，滿足實(shí)際環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要；球形空間緩沖設(shè)計(jì)，容積設(shè)計(jì)為 6.28mL，樣本經(jīng)過雨量傳感器翻斗進(jìn)入樣品區(qū)，雨量傳感器的翻斗固定值為6.28mL觸發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)。

3 調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

改裝心音傳感器的傳感面后，通過實(shí)驗(yàn)場景模擬，心音傳感器傳遞出的原始信號(hào)包含交流與直流成分，并且有較多高頻信號(hào)與低頻信號(hào)干擾，微控制器無法精準(zhǔn)識(shí)別并且進(jìn)行數(shù)字化處理，那么首要就要解決信號(hào)隔直流、濾波、放大三個(gè)問題。在調(diào)理電路上不斷優(yōu)化測(cè)試，最終如圖3所示設(shè)計(jì)，可以得到一個(gè)較為穩(wěn)定的電平信號(hào)，下面對(duì)電路進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖3 調(diào)理電路

通過電容C1去除心音傳感器輸出信號(hào)中約為2V的直流成分，R1與R2串聯(lián)組成偏置網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)電壓記為抬高交流成分的基準(zhǔn)電壓，再通過R3與C2組成RC濾波電路，去除原始信號(hào)中低頻成分，直流成分在R3上進(jìn)行分擔(dān)。信號(hào)接入LM324D運(yùn)算放大器之前比較微弱，通過R4可調(diào)電阻器與R5組成反饋網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)運(yùn)算放大器虛斷與虛短原理，可得運(yùn)算放大器放大倍數(shù)，放大倍數(shù)記為，R4是可變的，那么放大倍數(shù)K是可控的，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)R4調(diào)節(jié)至4.5k時(shí)，K為3.25，運(yùn)算放大器輸出波形最理想。經(jīng)過濾波和放大的信號(hào)波形存在正負(fù)向電平并且同步對(duì)稱出現(xiàn)，在運(yùn)算放大器的輸出端分別接入兩個(gè)由LM324D的運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓比較器，對(duì)正向電平的切割由R8調(diào)節(jié)，這里設(shè)置為2.4V的參考電壓，對(duì)負(fù)向電平的切割由R9調(diào)節(jié)，這里設(shè)置為1.2V的參考電壓，電平切割完成后，最終信號(hào)通過由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器送入至微控制器，電壓跟隨器在這里起緩沖作用。心音傳感器輸出信號(hào)的變化過程如圖4所示。

圖4 輸出信號(hào)變化過程

在圖4(a)中可以看到心音傳感器原始信號(hào)攜帶很多高頻干擾成分，前置電容C1濾波后，圖4(b)中信號(hào)明顯變得清晰，但是伴隨負(fù)向毛刺干擾，通過第一級(jí)運(yùn)算放大器LM324D后，在圖4(c)中正向電平和負(fù)向電平均被放大，通過設(shè)置正負(fù)向的切割電平對(duì)放大后的信號(hào)切割，并且將信號(hào)通過電壓跟隨器輸出，在圖4(d)中，可以明顯看到信號(hào)成周期性出現(xiàn)并且穩(wěn)定，調(diào)理電路的設(shè)計(jì)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 水樣本信號(hào)識(shí)別與監(jiān)測(cè)

前面對(duì)HKY-06B心音傳感器傳感面材料及結(jié)構(gòu)上均進(jìn)行了優(yōu)化，擴(kuò)大傳感面，前置調(diào)理電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行了預(yù)處理，基本得到一個(gè)純凈穩(wěn)定的信號(hào)。研究人員主要研究的參數(shù)為水樣本滴速（水滴在鐘乳石上下落的頻率），在電路上對(duì)應(yīng)于水滴的脈沖信號(hào)。在微控制器前端設(shè)計(jì)脈沖檢測(cè)電路，如圖5所示。SMBJ6.8CA為雙向瞬態(tài)抑制二極管，對(duì)于心音傳感器傳導(dǎo)的電信號(hào)中如果存在尖峰電壓和浪涌電流，雙向瞬態(tài)抑制二極管就會(huì)導(dǎo)通，阻值很小，吸收大能量，功率變得很高，將電位鉗制在一個(gè)預(yù)定范圍，保護(hù)后級(jí)電路穩(wěn)定。R1為上拉電阻，C1為濾波電容，對(duì)RainNum信號(hào)中的高頻成分進(jìn)行過濾，最后通過R2限流電阻接至微控制器。在本設(shè)計(jì)中，采用當(dāng)前主流嵌入式芯片STM32F103ZET6作為主控器，因其具備較豐富片上資源，如，通用數(shù)據(jù)口（GPIO），異步通信串口（USART），模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），定時(shí)器（TIM）等而被電子設(shè)計(jì)人員所選擇。Rain_Num信號(hào)接至單片機(jī)的GIPO，同時(shí)利用Timer定時(shí)器中斷函數(shù)TIM_TimeBaseInit(TIM2，&TIM_TimeBaseInitStructure)與外部中斷函數(shù)EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising，監(jiān)測(cè)Rain_Num信號(hào)腳電平的上升沿跳變，如觸發(fā)中斷，獲取此時(shí)的時(shí)間，并且在軟件設(shè)計(jì)中用于計(jì)數(shù)的變量進(jìn)行自增操作。

圖5 脈沖檢測(cè)電路

5 結(jié)語

通過對(duì)HKY-06B心音傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將水滴壓力信號(hào)帶動(dòng)傳感接觸面形變產(chǎn)生電信號(hào)，極大方便了在喀斯特巖溶環(huán)境中取樣，也為水樣數(shù)據(jù)的智能采集提供一個(gè)研究方向[11]。調(diào)理電路的設(shè)計(jì)可以說是本文最為創(chuàng)新的部分，通過不斷的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測(cè)試，完成了心音傳感器復(fù)雜原始信號(hào)到能夠被微控制器識(shí)別的穩(wěn)定信號(hào)。微控制器通過對(duì)水樣數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)可以衍生出水樣觀測(cè)的許多屬性參數(shù)，為地下水分布模型提供數(shù)據(jù)支撐[12]。心音傳感器在醫(yī)學(xué)應(yīng)用的場合轉(zhuǎn)向喀斯特巖溶水取樣，對(duì)信號(hào)的捕捉上發(fā)生了極大改變，前期在心音傳感器的傳感面上做了大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析測(cè)算，在較為合理的設(shè)計(jì)上捕獲到水樣壓力信號(hào)是該項(xiàng)研究進(jìn)行下去的前置條件。