传感器是可穿戴设备设计的核心

2021-11-03

从设计的角度来看，从可穿戴设备生成符合目标的结果是一个巨大的挑战。

要使这些设备核心的光学生物传感器发挥最佳性能，需要深入了解光线撞击和穿过皮肤时的行为。

心率通常是通过一种称为光电容积描记 (PPG) 的技术来测量的。

为了从可穿戴设备获取PPG信号，皮肤首先被LED照亮。接下来，产生与接收光量成正比的电流的光电二极管检测反射光强度的变化。当心脏泵血时，从皮肤返回到光电二极管的光量会记录振幅（交流信号）的微小变化。

这个小的变化叠加在一个大的静态幅度（直流信号）上。静态幅度表示通过组织的吸收以及进行测量的环境（背景）光照条件。

电流信号被数字化后，发送到可穿戴设备中的微处理器；设备内部的算法计算心率。

阐明准确性

准确性挑战来自两个不可预测且无法控制的关键条件。
首先，设备用户在锻炼或进行日常活动时遇到的照明条件会发生变化。

当光照条件快速变化时，这可能会在测量过程中引入伪影。为了提高准确性，人工制品是需要解决的重要条件。

接收信号的大变化，伪影可以有效地掩盖小的交流信号，这使得微处理器难以正确计算脉搏率。

为确保读数准确，可穿戴设备的设计必须能够补偿环境照明的巨大变化。

环境光补偿通常包含在许多现代健康和健身设备中，但幅度（环境范围）和质量（环境抑制）往往差异很大。

许多可用产品报告的环境范围高达 25µA，环境抑制高达 55dB（在 120Hz 时）。

第二个挑战源于用户的运动，尤其是在进行高强度训练时。这也可能导致伪影。数字滤波技术可以补偿这些运动伪影，尽管它们并不总是成功的。

可穿戴设备的另一个重要标准是低功耗，以延长电池寿命，尽管它们的外形尺寸很小。当前可用的许多解决方案使用多个光电二极管检测器，这些检测器以高频顺序工作。

这种方法并不理想，因为LED是这些设备中最耗电的组件，而在准确读数所需的高频率下运行会大大消耗为设备供电的电池。这种方法会消耗超过450µW 的功率（在25samples/s 时）。