第2章传感器选型与原理

2、传感器选型与原理：电极式ECG传感器原理、光电式PPG传感器原理、NTC热敏电阻原理

好，咱们进入正题。这一章聊的是传感器的选型和原理。说白了，就是搞清楚你贴在人身上的那几个小东西，到底是怎么把生理信号“骗”出来的。

我个人习惯，做医疗贴片项目时，第一件事不是画电路，而是先想清楚传感器怎么选。选错了，后面全是白搭。你想想看，一个心率监测贴片，如果ECG信号都采不干净，算法再牛也救不回来。

今天咱们重点讲三种最常见的传感器：电极式ECG、光电式PPG，还有NTC热敏电阻。这三种基本覆盖了生命体征监测的“三件套”——心电、血氧、体温。

2.1 电极式ECG传感器原理

ECG，心电图，测的是心脏电活动。心脏每次跳动，都会产生微弱的电信号，传到皮肤表面。我们用电极把它捞出来。

电极式ECG传感器，核心就是两个东西：电极和前端放大电路。

电极怎么工作？

电极本质上是个换能器，把离子电流（人体内的Na⁺、K⁺、Ca²⁺移动）转换成电子电流（导线里的电子流动）。

常见的医用ECG电极是Ag/AgCl（银/氯化银）电极。为什么选它？因为它的半电池电位稳定，噪声低。我在项目中遇到过用廉价不锈钢电极的情况，结果基线漂移得一塌糊涂，根本没法看。

关键参数：

输入阻抗：至少10MΩ以上，越高越好。低输入阻抗会“吃掉”信号。
共模抑制比（CMRR）：至少80dB，最好100dB以上。这是抗干扰的关键。
偏置电流：pA级别，越小越好。

前端电路怎么搭？

ECG信号有多微弱？大概0.5mV到5mV，频率范围0.05Hz到100Hz。这么小的信号，直接采样肯定不行。需要经过三级处理：

仪表放大器：第一级，差分放大，把微伏级信号放大几百倍，同时抑制共模干扰（比如50Hz工频）。
高通滤波：去掉直流偏置和低频漂移。截止频率通常设在0.05Hz左右。
低通滤波：滤掉高频噪声。截止频率设在100Hz左右。

嗯，这里要注意：右腿驱动电路（RLD）一定要加。它能把共模电压“吸”走，大幅提升CMRR。我曾经偷懒没加RLD，结果在强电磁环境下，信号直接被淹没了。

避坑指南：

我曾经在贴片电极的凝胶上吃过亏。有些廉价凝胶干得快，贴上去半小时就接触不良了。医疗贴片要选水凝胶或固态凝胶，保持时间长，阻抗稳定。

2.2 光电式PPG传感器原理

PPG，光电容积描记法。说白了，就是用光去照皮肤，看血管里血液体积的变化。

原理其实很简单：心脏收缩时，血液涌向末梢，血管扩张，吸光量增加；心脏舒张时，血液回流，吸光量减少。用光电探测器接收反射光或透射光，就能得到脉搏波形。

两种工作模式：

透射式：光源和探测器在组织两侧。适合指尖、耳垂等薄组织。信号强，但贴片不好做。
反射式：光源和探测器在同一侧。适合手腕、胸口等位置。贴片常用这种。

我个人习惯，做贴片PPG时优先选反射式。虽然信号弱一些，但佩戴位置灵活，用户体验好。

光源怎么选？

PPG常用两种波长：

波长	颜色	穿透深度	主要用途
520nm-560nm	绿光	浅（约1-2mm）	心率监测，运动干扰小
850nm-940nm	红外	深（约3-5mm）	血氧饱和度（SpO₂）

为什么绿光抗运动干扰好？因为绿光被血红蛋白吸收率高，信号调制深度大。我在做运动手环项目时对比过，绿光PPG在跑步场景下，信噪比比红光高3-5dB。

关键设计要点：

驱动电流：LED驱动电流要可调，一般10mA-50mA。太暗信号弱，太亮会灼伤皮肤。
采样率：至少100Hz，建议200Hz以上。否则脉搏波形细节丢失。
环境光抑制：加遮光结构，或者用差分检测。我见过一个方案，直接用环境光传感器做背景减除，效果不错。

警告：

PPG信号非常脆弱。运动伪迹、环境光干扰、皮肤颜色深浅都会影响质量。千万别指望原始信号直接出结果，一定要做滤波和基线校正。

2.3 NTC热敏电阻原理

体温监测，贴片里最常用的就是NTC热敏电阻。NTC，负温度系数，温度越高，电阻越小。

为什么选NTC而不是热电偶或RTD？原因很简单：便宜、灵敏度高、体积小。一个0603封装的NTC，成本不到一毛钱，精度能做到±0.1°C。

工作原理：

NTC的电阻-温度关系，可以用Steinhart-Hart方程描述：

1/T = A + B·ln(R) + C·[ln(R)]³

其中T是开尔文温度，R是电阻值，A、B、C是器件常数。

实际项目中，我们一般用简化版B值公式：

R = R₀ · exp(B · (1/T - 1/T₀))

R₀是25°C时的标称电阻，B值是材料常数，通常在3000K-4000K之间。

电路怎么搭？

最简单的就是电阻分压法：NTC串联一个固定电阻，接参考电压，测中间点的电压。

Vout = Vref · R_fixed / (R_ntc + R_fixed)

然后查表或计算得到温度。

个人经验：

我曾经在体温贴片项目里，直接用MCU的ADC测分压电压。结果发现，ADC的参考电压漂移导致温度误差很大。后来我改用比例测量法——用同一个参考电压驱动分压电路和ADC参考，误差立马降下来了。

选型要点：

B值精度：±1%以内。B值偏差1%，温度误差可能达到0.5°C。
热时间常数：贴片体温监测，建议≤5秒。太慢了跟不上体温变化。
自热效应：流过NTC的电流不能太大，否则自身发热会干扰测量。一般限制在100μA以内。

校准方法：

批量生产时，不可能每个NTC都单独标定。我的做法是：

用高精度恒温槽（±0.01°C）标定一批NTC，得到平均B值。
在电路板上加一个精密电阻（0.1%），做两点校准。
软件里用查表+线性插值，精度可以做到±0.1°C。

好了，三种传感器原理讲完了。你想想看，ECG测电信号，PPG测光信号，NTC测热信号——三种物理量，三种换能方式，但最终都变成了电压信号，送到ADC里量化。这就是传感器设计的核心思路：把生理量变成电学量。