CN2669791Y

CN2669791Y - 人体阻抗测量装置

Info

Publication number: CN2669791Y
Application number: CNU032071140U
Authority: CN
Inventors: 飞彭; 彭飞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-05
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2013-08-05

Abstract

本实用新型提供一种人体阻抗测量装置，包括微控制器和顺序相连的测量回路、电子开关选通器、交流放大器、检波器、A/D转换器，所述A/D转换器的输出端接微控制器的输入端；所述微控制器分别与电子开关选通器和显示器的输入端，其中，所述微控制器可以输出1kHz－100kHz的方波、所述微控制器的方波输出端和测量回路的激励电源输入端相连，以该方波作为激励电源通入测量回路；所述测量回路所输出的参照电阻电压信号和人体电压信号依次经电子开关选通器、交流放大器、检波器和A/D转换器被送入微控制器进行处理，从而得出人体阻抗值。本实用新型可应用于人体体脂测量仪，体脂－水分测量仪等消费电子产品。

Description

人体阻抗测量装置

技术领域

本实用新型涉及生物电子测量领域，尤其是涉及一种测量活体人体阻抗的装置。

背景技术

自1940年美国科学家首次将生物阻抗与人体健康相联系进行研究以来，有关这方面的研究、测量方法及设备有了极大的发展。特别是80年代Lukaski HC把生物阻抗应用于人体脂肪测量，将这一技术推进到实用阶段。20多年来，各种涉及生物阻抗测量的仪器应运而生。例如，美国的BC-300人体成份分析仪，日本TANITA公司的TBF系列民用体重-体脂测量仪等。另一方面，有关生物阻抗测量的文献和专利也不断涌现，例如，美国专利号为5611351，名称为“人体脂肪测量装置及方法”，中国专利号为93228321.7，名称为“生物阻抗测量仪”，中国专利号为93204838.2，名称为“人体脂肪分析仪”的专利，等等。所有这些涉及生物阻抗的测量，都是基于以交流正弦波作为通入人体测量回路的激励电源而进行的。无可否认，这种方法是经典的，有效的。但整个系统的电路相当复杂，难于简化。首先，必须有一个正弦波发生器及驱动电路，或者利用微控制器(MCU)输出的方波，再通过转换电路变成正弦波。其二，这种方法一般采用正弦波电流源作为激励电源，所以要用电压-电流源转换电路。其三，正弦波的检波电路线性不高，为了获得高质量的检波，检波电路被设计得很复杂。还有些方案采用增加参照电阻和多次采样的方法来进行改进，例如美国专利号为5611351的专利，采用了三个参照电阻，需要4-5次采样。而这样使得软件的处理更耗时，更繁杂。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中分立组件多，电路复杂，检波线性不佳的问题，而提供一种电路简单，测量成本降低，检波线性较好的人体阻抗测量装置。

本实用新型的目的是这样实现的，一种人体阻抗测量装置，包括微控制器、电子开关选通器、交流放大器、检波器、模/数(A/D)转换器和测量回路；所述测量回路、电子开关选通器、交流放大器、检波器、A/D转换器顺序相连，所述A/D转换器的输出端接所述微控制器的输入端；所述微控制器与所述电子开关选通器相连，所述微控制器的人体阻抗信号输出端接所述显示器的输入端，其特征在于，所述微控制器可以输出1kHz-100kHz的方波，所述微控制器的方波输出端和所述测量回路的激励电源输入端相连，以该方波作为激励电源通入测量回路；所述测量回路所输出的参照电阻电压信号和人体电压信号依次经电子开关选通器、交流放大器、检波器和A/D转换器被送入微控制器进行处理，从而得出人体阻抗值。

根据本实用新型的人体阻抗测量装置，其特征在于，所述测量回路中采用一个限流电阻R_L和一个参照电阻R_S与被测人体串联。

根据本实用新型的人体阻抗测量装置，其特征在于，所述电子开关选通器由微控制器控制，分别选通参照电阻的电压值U_S和人体阻抗的电压值Ub进行采样。

根据本实用新型的人体阻抗测量装置，其特征在于，所述微控制器的方波输出端和所述检波器的控制信号输入端相连，所述检波器是采用同步电子开关检波器，并受通入测量回路的同一方波控制进行同步检波。

实施本实用新型的人体阻抗测量装置，由于采用了微控制器输出的方波作为测量回路的激励电源，并利用方波控制同步检波，从而使整个测量电路简化，检波线性较好，采样次数减少，软件处理更简单。本实用新型结构简单，成本低廉，可以推广应用于人体体脂测量仪，体脂-水分测量仪等消费电子产品上，具有很强的实用性和很好的经济效益。

附图说明

图1是本实用新型人体阻抗测量装置的实施例一的电路原理框图；

图2是图1所示的人体阻抗测量装置的具体电路连接图；

图3是本实用新型人体阻抗测量装置的实施例二的电路原理框图；

图4是本实用新型人体阻抗测量装置的实施例三的电路原理框图。

具体实施方式

如图1和图2所示，在本实用新型的实施例一中，人体阻抗测量装置包括微控制器101、电子开关选通器102、交流放大器103、检波器104、A/D转换器105、测量回路106和显示器107。

微控制器101由IC3组成，采用芯片型号为S3C72N5。

电子开关选通器102由电子开关K1、K2组成。

交流放大器103是采用高阻宽带放大器，由放大器IC1、电容C1、C2和电阻R1、R2、R3、R4组成。

检波器104由电子开关K3、电容C3、C6和电阻R9组成。

A/D转换器105由IC2组成。

在本实施例中，采用了四电极测量，即使用四个与人体相接触的电极P1、P2、P3、P4，形成三个人体段阻抗Zb1、Zb2、Zb，其中P1、P4两电极为激励电源通入端，P2、P3两电极为人体阻抗Zb的电压信号Ub取出端。测量回路106由限流电阻R_L、参照电阻R_S与人体串联而成。其中，限流电阻R_L的作用是将流入人体的方波电流Ij的峰值限制在1mA以下的安全范围，参照电阻R_S的阻值是预知的。

利用微控制器IC3的时钟资源，从P2.2口送出一个小于100kHz的一定频率的等幅方波Uj；经测量回路106的电阻R_L，R_S直接通入人体。方波电流Ij流经测量回路时，在R_S上产生的电压为U_S，在人体阻抗Zb上产生的电压为Ub。微控制器IC3的P4.2口控制选通器102的电子开关K1和K2，先后选通U_S和Ub进行采样。当P4.2口为高电平时，选通U_S送至放大器103，放大器103由运放IC1组成高阻宽带放大器，对信号进行放大，并保证被放大的方波信号不失真，不被延迟。放大后的方波信号被送入检波器104，检波器104的电子开关K3受测量回路106的同一方波电源Uj控制，形成同步检波，可以是峰值或平均值检波。当U_S为正半波时，Uj也为正，K3接通U_S至电容C3。当U_S为负半波时，Uj也为负，U_S被K3短路到地。这样，经滤波后，电容C6上就保存了U_S正半波的电压值，即将U_S的交流方波整流成为正的直流信号。由于方波信号只经过一级宽带放大，被延迟的时间很小，所以同步检波可将正方波完整地检出而获得较好的线性。检波后的U_S直流信号经A/D转换器105的IC2，转换成数字量由微控制器101的P1.3口送微控制器101处理后得到U_S的电压值。

同样地，当微控制器IC3的P4.2口为低电平时，选通人体阻抗Zb上的电压Ub，此时采样得到Ub的电压值。

两次采样所测取的标准电阻的电压值U_S和人体阻抗的电压值可按如下公式计算出人体阻抗Zb：

由于放大器103是高阻放大器，对测量回路106的分流很小，可以忽略，所以流经R_S和Zb的电流可被视为同一电流Ij，即有：

U_S/R_S＝Ub/Zb (1-1)

其中R_S是已预知的标准电阻值，所以人体阻抗Zb的值为

Zb＝Ub*R_S/U_S (1-2)

事实上，(1-2)式对于以正弦波为测量电源时是适用的，但对于以方波为测量源时，还应作修正。理论上，方波可以等效为正弦基波和高次谐波，而人体阻抗随测量频率的升高会有所下降。所以方波与同频率的正弦波测量的人体阻抗相比会有所偏小。应乘以一个修正系数j进行校正，即：

Zb＝j*Ub*R_S/U_S (1-3)

修正系数j可以用实验的方法确定。若以50kHz正弦波测量的人体阻抗为参照阻抗Zbs，同频率的方波测量的人体阻抗为Zbf，则修正系数j为：

j＝Zbs/Zbf (1-4)

实验得出j的值约为1.02-1.06(频率为50kHz，Zb为100Ω-1KΩ范围)。

当方波频率不为50kHz时，也可以参考(1-3)和(1-4)计算人体阻抗Zb，即也有一定的适用性。

如图3所示，在本实用新型的实施例二中，与实施例一的不同之处在于，采用的是二电极测量人体阻抗的测量回路，二个与人体相接触的电极间的阻抗即作为所测量的人体阻抗，并通过采样电位值求取人体阻抗。此电路两次采样测取的分别是人体阻抗及参照电阻阻抗之和的电位值Va和参照电阻的电位值Vs，此时，人体阻抗Zb的计算公式为：

Zb＝j*(Va/Vs-1)*R_S (1-5)

式中修正系数j与(1-4)相等。

由于二电极测量电路无法消除电极与皮肤的接触电阻，以及皮肤本身的皮质电阻，因此，测量结果误差会较大。

如图4所示，在本实用新型的实施例三中，与实施例一的不同之处在于，测量回路106是采用电流源激励，将微控制器101送出的方波电压源经电压/电流(U/I)转换器108转换为方波电流源通入测量回路106，回路的其他部分未变，上述的原理及计算公式同样适用。

Claims

1.一种人体阻抗测量装置，包括微控制器、电子开关选通器、交流放大器、检波器、模/数A/D转换器和测量回路；所述测量回路、电子开关选通器、交流放大器、检波器、A/D转换器顺序相连，所述A/D转换器的输出端接所述微控制器的输入端；所述微控制器与所述电子开关选通器相连，所述微控制器的人体阻抗信号输出端接所述显示器的输入端，其特征在于，所述微控制器可以输出1kHz-100kHz的方波，所述微控制器的方波输出端和所述测量回路的激励电源输入端相连，以该方波作为激励电源通入测量回路；所述测量回路所输出的参照电阻电压信号和人体电压信号依次经电子开关选通器、交流放大器、检波器和A/D转换器被送入微控制器进行处理，从而得出人体阻抗值。

2.根据权利要求1所述的人体阻抗测量装置，其特征在于，所述测量回路中采用一个限流电阻R_L和一个参照电阻R_S与被测人体串联。

3.根据权利要求1或2所述的人体阻抗测量装置，其特征在于，所述电子开关选通器由微控制器控制，分别选通参照电阻的电压值U_S和人体阻抗的电压值Ub进行采样。

4.根据权利要求1或2所述的人体阻抗测量装置，其特征在于，所述交流放大器是采用高阻宽带放大器。

5.根据权利要求1或2所述的人体阻抗测量装置，其特征在于，所述微控制器的方波输出端和所述检波器的控制信号输入端相连，所述检波器是采用同步电子开关检波器，并受通入测量回路的同一方波控制进行同步检波。

6.根据权利要求1或2所述的人体阻抗测量装置，其特征在于，所述测量回路采用了四电极测量，即使用四个与人体相接触的电极P1、P2、P3、P4，形成三个人体段阻抗Zb1、Zb2、Zb，其中P1、P4两电极为激励电源通入端，P2、P3两电极为人体阻抗Zb的电压信号Ub取出端。

7.根据权利要求1或2所述的人体阻抗测量装置，其特征在于，所述测量回路采用了二电极测量，二个与人体相接触的电极间的阻抗即作为所测量的人体阻抗Zb，并通过采样电位值求取人体阻抗。

8.根据权利要求1或2所述的人体阻抗测量装置，其特征在于，所述测量回路也可采用电流源激励，即将所述微控制器送出的方波电压源经电压/电流U/I转换器转换为方波电流源后通入测量回路。