DIY сенсор пульса / частоты сердечных сокращений⁠⁠

Сегодня речь пойдет об одной из используемых на практике конструкций датчика пульса, работающего «на просвет».

Я сделал аналогичную конструкцию, используя минимум деталей из радиомагазина стоимостью менее 10 долларов.

Данные от датчика преобразуются в цифровой формат во встроенной аудиокарте ноутбука и отображаются в графическом виде.

Датчик состоит из двух основных частей: лазерного диода с модулирующей схемой на одном

транзисторе и фотодиода, улавливающего пропущенное сквозь палец лазерное излучение.

Фотодиод ФД-226-01 подключен к микрофонному входу звуковой карты по вот этой схеме:

Лазерный диод управляется через вот такой однотранзисторный усилитель на вход которого подается сигнал с той же самой звуковой карты.

Усилитель фактически работает в ключевом режиме и лазер вспыхивает и гаснет с частотой входного сигнала. Оказалось, что именно в таком режиме чувствительность системы к слабым изменениям в яркости вспышек максимальна.

Модуляция лазера со звуковой частотой нужна потому, что аудиокарта, как следует из ее названия, предназначена для работы с сигналами звуковой частоты в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Частота нашего пульса в этот диапазон никак не попадает.

Я использовал тот же самый подход, какой применяется в радиовещании: амплитуда высокочастотного сигнала, поступающего в антенну передатчика, модулируется низкочастотным сигналом, который и нужно передать на приемную антенну. На картинках показано, что происходит с исходным высокочастотным сигналом при его модуляции низкочастотным информационным сигналом.

Результирующий сигнал высокой частоты (ВЧ), модулированный низкочастотным информационным сигналом (НЧ) получается умножением этих сигналов друг на друга:

Лазер мигает с частотой 2400 импульсов в секунду. Такой же частоты электрический сигнал возникает на фотодиоде при попадании на него света лазера.

Но тут есть еще один фактор: если перед попаданием на фотодиод вспышки света пройдут, например через палец, который частично пропускает красные лучи, то их частота сохраниться, а вот интенсивность будет меняться в соответствии с поглощением в пальце.

Кровеносные капилляры, через которые проходит свет, расширяются и сжимаются под меняющимся давлением крови и в такт с ними будет меняться интенсивность принимаемого фотодиодом света.

Таким образом, величина выдаваемых фотодиодом импульсов будет промодулирована пульсом кровеносных сосудов.

Звуковая карта оцифровывает поступающий в нее сигнал звуковой частоты вместе с низкочастотной информацией, которую иным способом она просто не замечает.

Приемная сторона выполняет обратное преобразование. На графике виден первый этап преобразования – все отрицательные значения принятого сигнала превращаются в положительные.

Чтобы получить исходную низкочастотную составляющую в программе проводится усреднение преобразованного сигнала по соседним точкам.

На графике видно, что получается сигнал, весьма похожий на исходный. Он содержит высокочастотные шумы, но на практике из-за гораздо большего размера выборки семплов, чем использовано для построения этих графиков в экселе, шумы незаметны.

Ссылки на радиокомпоненты и исходные коды смотрите под видео.