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傳感器是可穿戴設備設計的核心

2021-11-03

從設計的角度來看，從可穿戴設備生成符合目標的結果是一個巨大的挑戰。

要使這些設備核心的光學生物傳感器發揮最佳性能，需要深入了解光線撞擊和穿過皮膚時的行為。

心率通常是通過一種稱為光電容積描記 (PPG) 的技術來測量的。

為了從可穿戴設備獲取PPG信號，皮膚首先被LED照亮。接下來，產生與接收光量成正比的電流的光電二極管檢測反射光強度的變化。當心臟泵血時，從皮膚返回到光電二極管的光量會記錄振幅（交流信號）的微小變化。

這個小的變化疊加在一個大的靜態幅度（直流信號）上。靜態幅度表示通過組織的吸收以及進行測量的環境（背景）光照條件。

電流信號被數字化后，發送到可穿戴設備中的微處理器；設備內部的算法計算心率。

闡明準確性

準確性挑戰來自兩個不可預測且無法控制的關鍵條件。
首先，設備用戶在鍛煉或進行日常活動時遇到的照明條件會發生變化。

當光照條件快速變化時，這可能會在測量過程中引入偽影。為了提高準確性，人工制品是需要解決的重要條件。

接收信號的大變化，偽影可以有效地掩蓋小的交流信號，這使得微處理器難以正確計算脈搏率。

為確保讀數準確，可穿戴設備的設計必須能夠補償環境照明的巨大變化。

環境光補償通常包含在許多現代健康和健身設備中，但幅度（環境范圍）和質量（環境抑制）往往差異很大。

許多可用產品報告的環境范圍高達 25μA，環境抑制高達 55dB（在 120Hz 時）。

第二個挑戰源于用戶的運動，尤其是在進行高強度訓練時。這也可能導致偽影。數字濾波技術可以補償這些運動偽影，盡管它們并不總是成功的。

可穿戴設備的另一個重要標準是低功耗，以延長電池壽命，盡管它們的外形尺寸很小。當前可用的許多解決方案使用多個光電二極管檢測器，這些檢測器以高頻順序工作。

這種方法并不理想，因為LED是這些設備中最耗電的組件，而在準確讀數所需的高頻率下運行會大大消耗為設備供電的電池。這種方法會消耗超過450μW 的功率（在25samples/s 時）。