HKY-06B心音傳感器在巖溶環境水樣數據采集場合下的創新優化

李康，周燕，李俊杰

（凱里學院，貴州凱里， 556011）

0 引言

在喀斯特巖溶環境中取樣主要來源于鐘乳石底部沉積附著的水[1]，各個觀測點的環境不同以及外部干擾，水樣下降速度具有較大偏差，地質人員在分析水樣成分的同時將水的滴速納入研究范圍，目前在市場上能夠對樣本滴速監測的設備幾乎沒有，針對以上問題，本文將著重在獲取巖溶環境水樣滴速電信號上出發，改裝原有的心音傳感器HKY-06B，并對調理電路設計，將微弱的水樣信號放大處理成微控制器能夠識別處理的電信號[2]。目前心音傳感器HKY-06B主要應用于醫療領域，國內合肥華科電子技術研究所對產品不斷升級迭代，在心音信號處理上也在不斷完善，其方向主要在于前端心音信號的采集，信號放大濾波電路優化上，在應用領域場合上很少有探索，因此將心音傳感器經過改裝遷移至巖溶環境水樣采集的應用場合具有一定的研究意義。

1 國內外研究現狀

心音傳感器在國內外普遍用于醫學生物信號的監測，在研發上不斷創新，中北大學通過仿生MEMS心音傳感器設計電子聽診器，用于早期心血管疾病的預防和數字診療需求[3]。部分研究機構在心音傳感器傳感材料上優化，研究PVDF共性聚物膜的壓電特性，對心音信號進行電荷放大、電壓放大，用數據采集卡采集[4]。國內部分高校針對心音信號與物聯網結合，通過ZigBee技術組網完成信號的傳輸。針對心音傳感器在巖溶環境數據采集上，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。國外針對心音傳感器的研究主要在信號提取，信號處理，信號與疾病之間的映射關系，在軟件層面高度集成化，實時測量。巖溶環境下數據自動采樣基本沿用美國QED地下水采集設備，因此，心音傳感器用于巖溶環境數據采集是一個創新的方向。

2 心音傳感器的改裝

■2.1 傳統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和其他體表動脈搏動信號，再經過高度集成化信號處理電路處理[5~7]。HKY-06B心音傳感器具有低電壓供電，頻率響應高，靈敏度高等特點[8]，普遍能夠被微控制器檢測，其典型應用電路如圖1所示。

圖1 HKY—06B心音傳感器典型運用電路

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純凈的電源的作用，IC1為一個運算放大器，在這里將其作為一個電壓跟隨器，其放大倍數為1，主要起到一個緩沖作用和無干擾的輸出信號。

■2.2 傳感器結構優化設計

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采集[9]，其傳感接觸面較小并且信號微弱，無法直接用于巖溶環境下水樣數據的采集。為了能夠方便并且穩定獲取水樣的電的信號，主要從心音傳感器的傳感接觸面及采樣裝置的結構設計上優化。在實驗模擬中，水滴信號很難在傳感面上獲取并且極其不穩定。為了解決這一問題，結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接觸面，PET是乳白色或淺黃色、高度結晶的聚合物，表面平滑有光澤。在較寬的溫度范圍內具有優良的物理機械性能，長期使用溫度可達120℃，電絕緣性優良，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、尺寸穩定性都很好。PET有酯鍵，在強酸、強堿和水蒸氣作用下會發生分解，耐有機溶劑、耐候性好，水樣本在其環境下不會發生化學反應，在一定程度杜絕了水樣本的污染，在接收由水樣傳導的形變振動較為均勻，EPE珍珠棉為聚乙烯發泡棉，非交聯閉孔結構，是一種新型環保材料，具有很好的抗化學性能，對水樣本污染幾乎為零，隨著材料密度的增加，達到同一應變時對應的應力越大，能量吸收較好，完全可以模擬人體表面皮膚環境傳導電信號，水樣本下落的沖力對PET膠片產生形變傳到給壓電薄膜轉換成電信號[10]。心音傳感器傳感面由原來半徑為2cm的傳感區域擴大至現有半徑6cm的傳感區域，有利于水樣信號的接收。在巖溶環境中，為了便于攜帶和多點位取樣，在結構上進行了較大改變，如圖2所示。

圖2 水樣取樣裝置結構圖

在圖2中，取樣裝置設計成圓錐體形，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，保證了水樣電信號的完整性。二級緩沖區設計成空間球形，上大下小，水樣采集時能起到緩沖作用。下面對以上三個部分設計功能進行簡單描述：心音傳感器擴大傳感面中心點附近區域均可發生形變而產生電信號，信號傳導面增大；旋轉伸縮柱釘通過旋轉可以不斷調節傳感面下邊沿著力點，從而改變傳感面傾斜角度，調節式尋找不同觀測點最佳傾斜度和受力點，滿足實際環境監測的需要；球形空間緩沖設計，容積設計為 6.28mL，樣本經過雨量傳感器翻斗進入樣品區，雨量傳感器的翻斗固定值為6.28mL觸發一個脈沖信號。

3 調理電路的設計

改裝心音傳感器的傳感面后，通過實驗場景模擬，心音傳感器傳遞出的原始信號包含交流與直流成分，并且有較多高頻信號與低頻信號干擾，微控制器無法精準識別并且進行數字化處理，那么首要就要解決信號隔直流、濾波、放大三個問題。在調理電路上不斷優化測試，最終如圖3所示設計，可以得到一個較為穩定的電平信號，下面對電路進行詳細分析。

圖3 調理電路

通過電容C1去除心音傳感器輸出信號中約為2V的直流成分，R1與R2串聯組成偏置網絡，節點電壓記為抬高交流成分的基準電壓，再通過R3與C2組成RC濾波電路，去除原始信號中低頻成分，直流成分在R3上進行分擔。信號接入LM324D運算放大器之前比較微弱，通過R4可調電阻器與R5組成反饋網絡，根據運算放大器虛斷與虛短原理，可得運算放大器放大倍數，放大倍數記為，R4是可變的，那么放大倍數K是可控的，實驗發現當R4調節至4.5k時，K為3.25，運算放大器輸出波形最理想。經過濾波和放大的信號波形存在正負向電平并且同步對稱出現，在運算放大器的輸出端分別接入兩個由LM324D的運算放大器構成的電壓比較器，對正向電平的切割由R8調節，這里設置為2.4V的參考電壓，對負向電平的切割由R9調節，這里設置為1.2V的參考電壓，電平切割完成后，最終信號通過由運算放大器構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的變化過程如圖4所示。

圖4 輸出信號變化過程

在圖4(a)中可以看到心音傳感器原始信號攜帶很多高頻干擾成分，前置電容C1濾波后，圖4(b)中信號明顯變得清晰，但是伴隨負向毛刺干擾，通過第一級運算放大器LM324D后，在圖4(c)中正向電平和負向電平均被放大，通過設置正負向的切割電平對放大后的信號切割，并且將信號通過電壓跟隨器輸出，在圖4(d)中，可以明顯看到信號成周期性出現并且穩定，調理電路的設計基本達到設計要求。

4 水樣本信號識別與監測

前面對HKY-06B心音傳感器傳感面材料及結構上均進行了優化，擴大傳感面，前置調理電路對輸出信號進行了預處理，基本得到一個純凈穩定的信號。研究人員主要研究的參數為水樣本滴速（水滴在鐘乳石上下落的頻率），在電路上對應于水滴的脈沖信號。在微控制器前端設計脈沖檢測電路，如圖5所示。SMBJ6.8CA為雙向瞬態抑制二極管，對于心音傳感器傳導的電信號中如果存在尖峰電壓和浪涌電流，雙向瞬態抑制二極管就會導通，阻值很小，吸收大能量，功率變得很高，將電位鉗制在一個預定范圍，保護后級電路穩定。R1為上拉電阻，C1為濾波電容，對RainNum信號中的高頻成分進行過濾，最后通過R2限流電阻接至微控制器。在本設計中，采用當前主流嵌入式芯片STM32F103ZET6作為主控器，因其具備較豐富片上資源，如，通用數據口（GPIO），異步通信串口（USART），模數轉換器（ADC），定時器（TIM）等而被電子設計人員所選擇。Rain_Num信號接至單片機的GIPO，同時利用Timer定時器中斷函數TIM_TimeBaseInit(TIM2，&TIM_TimeBaseInitStructure)與外部中斷函數EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising，監測Rain_Num信號腳電平的上升沿跳變，如觸發中斷，獲取此時的時間，并且在軟件設計中用于計數的變量進行自增操作。

圖5 脈沖檢測電路

5 結語

通過對HKY-06B心音傳感器的結構設計將水滴壓力信號帶動傳感接觸面形變產生電信號，極大方便了在喀斯特巖溶環境中取樣，也為水樣數據的智能采集提供一個研究方向[11]。調理電路的設計可以說是本文最為創新的部分，通過不斷的電路優化設計和試驗測試，完成了心音傳感器復雜原始信號到能夠被微控制器識別的穩定信號。微控制器通過對水樣數據處理存儲可以衍生出水樣觀測的許多屬性參數，為地下水分布模型提供數據支撐[12]。心音傳感器在醫學應用的場合轉向喀斯特巖溶水取樣，對信號的捕捉上發生了極大改變，前期在心音傳感器的傳感面上做了大量實驗和數據分析測算，在較為合理的設計上捕獲到水樣壓力信號是該項研究進行下去的前置條件。