基于热释电红外传感器的静态人体存在感应器设计.pdf

技术与应用 Technology&Application传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 33428摘要：针对常规传感器的输出信号幅值小，获取传感数据异常，导致静态人体生理信号感应数据不精准的问题，设计了基于热释电红外传感器的静态人体存在感应器。构建静态人体存在感应器整体结构，通过感光元件将波长较小的红外信号转化为电子信号形式。利用基于菲涅尔透镜信号聚焦模块，聚焦热释光红外信号。采用热释电信号放大模块，便于热释电信号的放大。利用定时计数和测量脉宽方式甄别人体生理有效信号。构建整体旋转变换矩阵，校正传感位置数据。根据 Lambert-Beer 定律，分析血氧饱和度和吸光度变化量之间关系，感应血氧饱和度信号。利用热释电效应的形成机理，结合最小二乘拟合法感应脉搏信号。由实验结果可知，该感应器感应的血氧饱和度数值与实际数据分别存在最大为 3%、脉搏频值最大数值偏差为 1 次，能够有效感应人体生理信号。关键词：热释电红外传感器；静态人体；存在感应器；人体生理信号中图分类号：TP212.9 文献标志码：A 文章编号：1006-883X(2023)04-0028-06收稿日期：2023-03-02 DOI:10.16204/j.sw.issn.1006-883X.2023.04.005Design of Static Human Presence Sensor Based on Pyroelectric Infrared SensorLIU Jian (Guangdong haobart Technology Co.,Ltd.,Huizhou 516221,China)Abstract:In the face of the problem that the output signal amplitude of conventional sensors is small and the sensing data obtained is abnormal,resulting in inaccurate sensing data of static human physiological signals,a static human presence sensor based on pyroelectric infrared sensor is designed.The overall structure of the static human presence sensor is constructed,and the infrared signal with small wavelength is converted into electronic signal form through the photosensitive element.The signal focusing module based on fresnel lens is used to focus the thermoluminescent infrared signal.The pyroelectric signal amplification module is used to facilitate the amplification of the thermal release signal.Use timing counting and pulse width measurement to discriminate physiological effective signals of human body.The whole rotation transformation matrix is constructed to correct the sensing position data.According to Lambert-Beer law,analyze the relationship between blood oxygen saturation and absorbance change,and sense the blood oxygen saturation signal.The formation mechanism of pyroelectric effect and the least square fitting method are used to induce pulse signal.According to the experimental results,the maximum difference between the oxygen saturation value induced by the sensor and the actual data is 3%,and the maximum value of pulse frequency value is 1,respectively,which can effectively sense human physiological signals.Key words:pyroelectric infrared sensor;static human body;presence sensor;human physiological signal基于热释电红外传感器的静态人体存在感应器设计刘剑 广东浩博特科技股份有限公司，广东惠州 5162210 前言由于人类运动识别技术在很多方面都有很好的应用前景，它可以通过接触到人体的皮肤捕捉到人体的各种生理信息，并将其转化为电子信号。当前大多数的应用都是通过基于压敏传感器来感应因人体生理活动、呼吸及心跳等生理反应而产生的压力改变。因此，感测器的敏感度就变得十分重要。传统的人体动作识别多数使用文献 1 的基于视觉的静态人体存在感应器方法，主要是对人体轮廓和运动轨迹进行数据特征采集，获取相应运动特征参数，进而对其进行辨识。由于可视化技术能够迅速地获得海量数据，方便了计算机的自动操作，但由于光照、遮挡和背景等原因的限制，使得图像的分割准确率下降，对最终识别效果产生不利影响。文献 2 提出了基于稀疏信号的方法，Technology&Application 技术与应用传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 33429该方法无需将可佩戴式的传感器局限于一个固定的身体部位，可以检测和确定人体生理信号。当使用者使用感应器获取运动数据时，往往需要再佩戴一支惯导元件，但要确保使用者在一段时间内始终保持相同的状态是非常困难的。另外，由于该元件的加速度、角速度、角度等参数与其所处的位置有着密切的联系，一旦与预定的位置有了一定差异，则会影响感应器的感应精度。为此，设计了基于热释电红外传感器的静态人体存在感应器。在感应器整体结构支持下，结合Lambert-Beer 定律和热释电效应形成原理，感应血氧饱和度和脉搏信号，为静态人体生理信号感应提供精准数据。1 总体结构设计所设计的静态人体存在感应器，与热释电红外传感器相结合，达到对人体生理信号有效感应的目的。该装置采用了一种基于热释电的红外感应器，通过对人体生理信号检测，从信号的时间域中抽取出信号统计特性，从而获取人体异常状态信息3。基于此，设计的静态人体存在感应器整体结构如图 1 所示。由图 1 可知，热释电人体存在感应器是一种将人类或动物的红光转化为电子信号的装置，其感光元件能将 8 12 m 波长的较小的红外信号转化为电子信号形式4。为了使其仅对人体的红外光敏感，采用一种专用的菲涅耳透镜，以减小外界的干扰，确保感应数据的可靠性。1.1 基于菲涅尔透镜信号聚焦模块菲涅耳透镜主要用于将人体内的红外线能量集中于其上，以增大探测范围。利用菲涅耳原理，将红外线分为可视区域和死角，并对其进行聚焦，从而极大地提高了热释电人体存在感应器的敏感性5-7。菲涅耳透镜采用了折射式+反射式类型镜头，能够将热量释放的红外线光通过光学显微镜进行折射/反射，并将探测区域划分成明区与暗区，使得检测区中的运动对象能够在热释电人体存在感应器上以不同的温度变化形态生成不同的热释光红外信号，从而产生不同的电信号8-10。基于菲涅尔透镜信号聚焦模块结构示意图如图 2 所示。在静态状态下，空间中有红外射线，菲涅尔透镜的双元探头采用一种互补技术，不会有电子信号输出11；在静态条件下，通过双元热释探头检测热源感应，2 个探头丧失了相互补偿的功能，从而非常灵敏地产生信号输出12。1.2 热释电信号放大模块常规传感器的输出信号幅值很小，从数百到数微伏特不等，充分考虑到传感器的信噪比，需要在传感器上安装一个信号放大电路，方便热释电信号放大处理13。该模块结构如图 3 所示。经放大的信号在检测到符合幅度的情况下，将其变换为一组数字脉冲信号。在对人体的活动特征和传感特征进行了长时期的深入调查后，利用定时计数和测量脉宽的方式甄别人体生理有效信号。窗口菲涅耳透镜热释电红外传感器支撑环电路元件场效应管外壳激光片R1R2接地源极漏极菲涅耳透镜热释电红外传感器聚焦点技术与应用 Technology&Application传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 334302 软件设计在静态人体存在感应器整体结构支持下，获取放大处理后的热释电信号。利用 Lambert-Beer 定律及热释电效应建立一个整体旋转变换矩阵，对传感器的位置进行修正，以此感应血氧饱和度和脉搏信号。2.1 基于旋转变换矩阵的传感位置数据校正应用热释电人体存在感应器进行人体生理信号检测时，由于受到使用者身高、体重、穿戴方式等诸多因素影响，其内部的惯性量具会产生不同的定位误差，从而对辨识的准确性产生较大的负面作用。在每个传感器节点上，利用转动转换矩阵的方法可以获得相关信号的参考矩阵14。假定不会出现移动（通常用于识别人类行为的惯性传感器节点，其测量准确率较低，故对其造成的影响不予考虑），采用内旋方法求解对应的旋转变换矩阵，即每个转动所环绕的轴线为最后一次转动后的坐标系统中的一个轴线，而转动角的正、负也都符合右手坐标系的规定15。整体旋转变换矩阵，可用公式（1）来表示：（1）其中，(x0,y0,z0)表示传感器初始坐标；(x1,y1,z1)表示传感器绕 X、Y、Z 轴旋转 度的坐标。对于任意一个传感器节点，得到的校正数据矩阵为：Qi =Wi-1Qi （2）其中，Qi表示 i 个数据基准矩阵。首先采集基准数据，然后结合上述公式，再利用采集的数据计算出修正后旋转变换矩阵。2.2 人体生理信号感应根据人体身体状态，通过脉搏、血氧饱和度等来实现对人体生理信号的检测。人体生理信号的感应原理是利用热释电效应，将血液中的氧饱和度、脉搏等非线性信号转化为数字信号。在此基础上，对采集到的数据进一步测量，以达到对血氧饱和度和脉搏的连续监测。2.2.1 基于 Lambert-Beer 定律的血氧饱和度信号感应针对血氧饱和度，按照 Lambert-Beer 法则，设定了 2 种不同的波长恒定光，用这 2 束光照射手指时可以推导出血氧饱和度信号，可用公式（3）表示：（3）其中，1、2分别表示 l1和 l2波长下的吸光系数；1、2分别表示 l1和 l2波长下的吸光频率；1、2表示2 种波长的吸光变化量16。吸光系数是某一透率下的固定值，结合上述可分析血氧饱和度和吸光度变化量之间关系，可用公式表示为：（4）其中，a表示与传感器结构有关的仪器常数。通过该设计方法，能够解决由于生理因素影响信号感应效果的问题。2.2.2 基于热释电效应的脉搏信号感应在脉搏波形的传输中，因心血管状态的差异，会使其产生一定的反射和折射，从而能够反映心血管系统的周围环境、血管的弹性等生理指标。根据血流动力学原理，分析了一个周期内血流压力与热释电作用下电信号与血管直径的关系。热释电效应形成机理如图 4 所示。在感应器监控范围内，若有一个地方的气温产生变化，就会造成 2 个电极之间的电荷量，也就是在 2个电极之间形成一个较低的电压。由于其具有高阻抗值，所以被应用到了传感器设计过程中，并用以下方GND+-R1R2V+V-VinVout12345100000010000001011010010110zzzzyyyyxxxxWWWWzyxi 2122112111S 21aS Technology&Application 技术与应用传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 33431式表达自发性极化强度变化，可表示为：P=T （5）其中，表示热释电系数；T 表示温度变化。随着空气中的离子变化，由热释电作用引起的电荷也随之而动。如果周围的温度不发生变化，那么此时温度差为 0，感应器没有任何输出信号。人体进入检测区域后，由于人体自身的温度与外界环境的不同，会出现不同温度差，从而促使感应器输出相关信号。在这种情况下，脉搏特性的变化可以通过高斯函数的改变来完成，并与最小二乘拟合法相结合，感应的脉搏信号可用式（6）表示：（6）其中，n 表示高斯函数数量。由于级联中含有直流和脉搏 2 种信号，若要对其进行放大以便于观测，则直流信号将会使脉搏信号完全吞噬，故此部分的放大倍数是 1.5 倍，由此能够获取精准感应结果。3 实验通过实验进行基于热释电红外传感器的静态人体存在感应器设计合理性验证。该平台在每个传感器节点上内置一个MPU9250三轴加速度计，方便实验控制。3.1 实验方法通过传感器测量受试者的各种生理指标，将其与被测区的肌肤贴合，并利用数码电桥来测量其电阻的改变，如图 5 所示。实验是在受试者充分了解和接受情况下进行的。该装置能够自动根据测试范围提高测量仪器的测量速度，扩大测量范围，使实验的总体优势得以维持。数字电桥把电源线的一头连接在电桥的后面，电源线的另一头连接到电桥的输出端口上。当电桥被供电时，就会随着电流的变化而发生改变，从而可以将数字电桥放进测试档，便于采集实验数据。3.2 实验数据集为了确保实验的多样化，并保障测量数据准确，将感应器与受试者的腕部相连接，如图 6 所示。传感器节点采集数据采用了基于 MATLAB 的软件对其进行实时监测和存储，将收集到的数据进行合并处理，组成一个由 1,500 组样本组成的数据集合。采悬浮电荷极化 njlTjjjePtx12 R1电桥臂电桥臂R0R2R3电桥臂电桥臂R可变电阻阻电流限源电电供技术与应用 Technology&Application传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 33432用红外线技术完成了计算机之间的信息交换，并给出了相应的红外信息，获取的红外数据如图 7 所示。在样本数据中随机选择 500 组构成训练集合，其余1,000组样本数据则用来检验所设计装置的有效性。实际获取的受试者血氧饱和度信号、脉搏频值如图 8所示。由图 8 可知，受试者血氧饱和度变化范围为48%100%，脉搏频值变化范围为 45 60 次/分。将该数据作为标准进行实验测试分析。3.3 实验结果与分析使用基于视觉的静态人体存在感应方法、基于稀疏信号的感应方法和基于热释电红外传感器的感应方法，对比分析受试者血氧饱和度信号、脉搏频值是否与实际数值一致，结果如图 9 所示。由图 9（a）可知，使用基于视觉的静态人体存在感应方法在时间为 10:00 12:00、13:00 24:00时，与实际获取的数据存在一定偏差，其中，在时间为 13:00 14:30 时，出现了与实际数据偏差较大的数值，最低血氧饱和度为 56%；使用基于稀疏信号的感应方法感应的血氧饱和度数值与实际数据不一致，且偏差较大，其中，最低血氧饱和度 31%出现在 04:20左右；使用基于热释电红外传感器的感应方法在时间为 17:00 21:00 时，出现了与实际获取的数据不一致的数值，其中最大偏差为 3%。由图 9（b）可知，使用基于视觉的静态人体存在感应方法、基于稀疏信号的感应方法与实际数据不一致，其最大脉搏频值分别为 74 次和 69 次；使用基于热释电红外传感器的感应方法最大脉搏频值为 61 次，与实际数据只存在最大为 1 次的误差。xzy尺度方向87654321100806040200血氧饱和度脉搏频值动作阶段血氧饱和度%脉搏频值次00:0024:0020:0016:0012:0008:0004:00时间0605040302010时间（分）Technology&Application 技术与应用传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 334334 结束语为了获取静态人体生理信号，设计了基于热释电红外传感器的静态人体存在感应器，通过研究可得到如下结论：（1）在静态人体存在感应器整体结构中，设计了基于菲涅尔透镜信号聚焦模块和热释电信号放大模块，方便获取聚焦热释光红外信号和放大处理后的信号；（2）在 Lambert-Beer 定律支持下感应血氧饱和度信号；（3）结合热释电效应形成原理，感应脉搏信号。参考文献1 史勇民,楼顺天,安盼盼.基于视觉的传感器位置记忆追踪方法 J.应用光学,2021,42(5):853-858.2 王震宇,孙伟,蒋栋.基于虚拟电压注入的闭环磁链观测器的感应电机无速度传感器矢量控制系统 J.电工技术学报,2022,37(2):332-343.3 王凯伦,胡潇然,孙阔,等.柔性显示一体集成的热释电自供能悬浮触控传感阵列 J.科学通报,2022(24):2958-2964.4 陈玥轩,葛兴来,左运,等.一种感应电机无速度传感器系统的电流传感器容错控制策略 J.中国电机工程学报,2022,42(6):2346-2356.5 陈达理,刘雪红.基于自适应样本熵的穿戴式传感器人体活动识别 J.武汉理工大学学报,2022,44(8):91-96.6 王琳,孙倩,马晓娜,等.可穿戴传感器的人体活动能量预测模型研究 J.计算机科学与探索,2022,16(12):2832-2840.7 徐晓冰,左涛涛,孙百顺,等.基于热释电红外传感器的人体动作识别方法 J.红外与激光工程,2022,51(4):391-398.8 沈迪,孙晓岚,严钰杨,等.应用于人体环境的长周期光纤光栅葡萄糖传感器 J.光通信技术,2021,45(5):36-39.9 耿建平,黄文广.基于低分辨率红外阵列传感器的人体识别算法 J.传感技术学报,2022,35(7):925-930.10 周晓翔,廖欣宇,何璐,等.可穿戴惯性传感器对人体膝关节功能的评估应用 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