電流傳感器的工作原理_電流傳感器的工作原理圖

　　腦電傳感器并不復(fù)雜電流傳感器的工作原理，只是精度很難保證。

　　本質(zhì)上就是一個金屬電極加上一個放大器（前置保護）電流傳感器的工作原理，主要是防止傳輸過程中電壓發(fā)生改變。

　　一、介紹

　　腦電波（EEG）檢測其實和在醫(yī)院常見的心電圖（ECG）原理很類似電流傳感器的工作原理，都是利用電極來檢測電壓的變化。

　　先來一張心電圖的圖片電流傳感器的工作原理：

　　正常心電圖

　　電極涂上導(dǎo)電的膠狀物（電解質(zhì)，含有豐富的導(dǎo)電離子）后與貼在胸部就能測量心臟搏動引起的微弱電壓變化（毫伏級），然后就能繪制出上面的心電圖了。

　　對于腦電波（Electroencephalography）而言，大腦的神經(jīng)元活動通過離子傳導(dǎo)到達大腦皮層，固定在頭上導(dǎo)電電極感應(yīng)到這種微弱的電壓變化，通過差分放大，濾波，數(shù)模轉(zhuǎn)換等一系列手段最終將電信號變成腦電波的原始數(shù)據(jù)。下圖是標準的10-20系統(tǒng)，不同位置表示不同的區(qū)域，比如O1，O2能夠測量視覺神經(jīng)的反應(yīng)。

　　但是腦電波相對于心電波以及肌電波來說，檢測上更加困難，原因如下：

　　1.不像心電波，腦電波引起的電壓變化是微伏數(shù)量級，如此微小的電壓變化自然更加難以檢測。

　　2.信噪比超低，干擾信號比有效數(shù)據(jù)的幅值更大，使得信號基本被噪聲湮沒，分離難度很大。這里的噪聲主要有：頭部運動，面部肌肉運動造成的干擾。接觸問題引發(fā)的干擾，信號傳送過程產(chǎn)生的噪聲，電源波動引發(fā)的干擾等等，甚至空氣濕度都可能會造成干擾。

　　說了這么多可能還有人有疑問，這個電極是什么？讓電流傳感器的工作原理我用人話告訴你好了，電極就是金屬片！有沒有覺得很低端？幾十年了為毛還是金屬片難道沒有什么高大上的新型傳感器么？什么納米材料啊，MEMS啊都沒有么？抱歉都沒有，不像一般的傳感器，光線傳感器通過光敏電阻將光信號變成電信號，壓力傳感器通過壓敏電阻測量壓力。因為本來就有電壓變化，所以腦電波傳感器僅僅需要一個金屬片固定在你的腦袋上。核心的檢測電路早在30年前就已經(jīng)被設(shè)計出來，之說以最近很熱門，主要是因為相關(guān)的去噪算法越來越完善以及數(shù)據(jù)處理能力越來越強大。在基本硬件設(shè)計方面并沒有很大的創(chuàng)新。

　　二、電極分類

　　1.濕電極（Ag/AgCl）一般用于醫(yī)學(xué)研究，科學(xué)研究

　　一般都和上圖的類似，這個帽子按照10-20系統(tǒng)固定有若干電極（Ag/AgCl），帶上頭套之后電極就貼在頭皮上了。然后連接上一根根的導(dǎo)線，在每一個電極上灌上黏黏的導(dǎo)電膠，導(dǎo)電膠中離子與電極之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，構(gòu)成原電池，使得接觸電阻非常低通過軟件確認每個觸點的是否與頭皮充分接觸后就可以開始進行相關(guān)實驗了。優(yōu)點是接觸電阻小，干擾小，得到數(shù)據(jù)更加準確。但是也帶來了很多麻煩，答主當小白鼠那次戴帽子上導(dǎo)電膠用了半個小時，測試了半個小時，然后洗頭洗了2個小時，做完一次實驗打死也不去那個實驗室了。

　　2.干性電極：一般用于健康監(jiān)測，玩具等非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

　　像Emotiv（Emotiv | EEG System）和神念科技NeuroSky | Body and Mind. Quantified.這些商用的腦電波產(chǎn)品都是選用的干電極，原因是舒適，使用方便，做成耳機模樣，設(shè)置幾個電極，用的時候帶上就好了。

　　學(xué)校購買了神念的這款mindwave，額頭前端采用的是金屬觸點，左邊的夾子夾在耳朵上作為電壓的reference，實際體現(xiàn)的效果是測試精準度遠遠不如用濕性電極的那套儀器。當然2者售價也相差了幾百倍。。。

　　Emotiv的產(chǎn)品沒有見到過實物，看了他們早年的TED演講以及去年在kickstarter上的眾籌如果真如視頻所說那應(yīng)該是挺不錯的產(chǎn)品。之前有一位從事植入式腦電波芯片設(shè)計的教授猜想Emotiv的傳感器是用的一種導(dǎo)電塑料取代的金屬電極，本質(zhì)上還是傳統(tǒng)的硬件設(shè)計，并沒有引入新穎的傳感器。

　　然后這是我用的電極：EEG-AE - Open Source Hardware Board

　　電路圖鏈接里面有這里就不貼了

　　3.植入式電極陣列

　　目前植入式算是比較前沿的東西，因為直接埋入頭皮中捕獲神經(jīng)元的電信號，避免了絕大多數(shù)干擾，在精確度上都優(yōu)勢明顯。電極部分都做成下圖這種恐怖的針狀整列。

　　并且一般做成專門的芯片，包含無線供電，無線通訊，數(shù)據(jù)處理等等。

　　三、電路結(jié)構(gòu)

　　腦電信號是由腦神經(jīng)活動產(chǎn)生并且始終存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)性電位活動，是一種重要的生物電信號。在進行大腦疾病診斷的過程中需要對腦電信號進行記錄，以提供臨床數(shù)據(jù)和診斷的依據(jù)。因此腦電信號采集系統(tǒng)具有非常重要的臨床意義。

　　腦電圖（EEG）是反映大腦的電活動，它是用放在頭皮表面的電極檢測并經(jīng)方大的與大腦神經(jīng)活動有關(guān)的生物電位。頭皮表面的EEG信號范圍為1～100μV（峰－峰），頻率范圍0.5～100HZ，頭質(zhì)電位約1mV。而在頭皮表面測量的腦干信號的峰－峰值卻不大于0.25μV，頻率在100～3000HZ之間。顯然，腦電圖的特征與大腦皮質(zhì)的活動程度有很大的關(guān)系，如腦電在覺醒和睡眠狀態(tài)有明顯的變化；通常腦電圖是不規(guī)則的，但在異常場合卻會表現(xiàn)出特殊的形式，如癲癇腦電表現(xiàn)有特異的棘波。

　　依年齡不同其基本波的頻率也不同，如3歲以下小兒以δ波為主，3-6歲以θ波為主，隨年齡增長，α波逐漸增多，到成年人時以α波為主，但年齡之間無明確的嚴格界限，如有的兒童4、5歲枕部α波已很明顯。正常成年人在清醒、安靜、閉眼時，腦波的基本節(jié)律是枕部α波為主，其他部位則是以α波間有少量慢波為主。判斷腦波是否正常，主要是根據(jù)其年齡，對腦波的頻率、波幅、兩側(cè)的對稱性以及慢波的數(shù)量、部位、出現(xiàn)方式及有無病理波等進行分析。

　　腦電信號頻率范圍：DC～100HZ；診斷得主要成分在0.5～100HZ范圍

　　正常信號范圍：15～100μV

　　因為腦電正常信號范圍：15～100μv，要放大到v的量級上，應(yīng)放大10000～50000，取其中，放大10000倍，放大后0.45～3v。

　　分配至流程圖中：前置放大器：500倍；后置放大器：20倍。

　　（原本放大30000倍，但是信號幅度太大，示波器顯示截止，故縮小放大倍數(shù)為10000倍）。

　　輸入級特性：低輸入噪聲（≦3μvP－P）；高增益（ 104～5×104）；高共模抑制比（KCMR≧80dB）；低漂移和高輸入阻抗（≧10MΩ）；還有低頻交流耦合工作（1HZ或更低）等。

　　腦電信號檢測中噪聲及其抑制方法的探討：

　　首先是電極噪聲，由于電極極化產(chǎn)生的噪聲，對此干擾采用銀—氯化銀電極，是一種不易極化的電極，極化電壓僅數(shù)毫伏，而選用的前置儀用放大器AD620輸入失調(diào)電壓僅為50μV，再加上對共模信號有較好的抑制作用只有各輸入端的極化電壓的不對稱部分才會放大電路產(chǎn)生不利影響（使放大器進入非線性區(qū)），所以前置放大器的增益可以做到盡量大。

　　同時我們還應(yīng)考慮到前置放大對整個放大電路的噪聲貢獻，放大器噪聲一般隨第一級增益的提高而明顯變差，又考慮到提高放大器的增益有利于提高共模抑制比，綜合各種有利和不利因素，最終確定前置放大器的增益為100倍。高通濾波電路的設(shè)計：由于人體存在極化電位，這些電信號是直流信號，因此需要設(shè)計一個高通濾波器將這些直流濾除，電路采取RC有源二階。對環(huán)境中的高頻信號，主要采取低通濾波的方法，用截止頻率為60Hz的二階巴特沃茲濾波電路進行濾波，同時還可以對心電和肌電干擾進行有效的衰減。對50Hz電場干擾的抑制主要采取在電路中加一級50Hz陷波電路來實現(xiàn)，此外隔離放大器和高共模抑制比的前置放大電路也在一定程度上對50Hz電場和泄露電流干擾也起到了抑制作用。

　　由于在芯片的選用過程中注意到都選用低噪聲的芯片，尤其是前級放大電路，選用AD620，因此也可以最大限度地抑制電子器件的噪聲。

　　電路結(jié)構(gòu)大體設(shè)計為前置放大電路，高通濾波，隔離放大，低通濾波及陷波電路，后置放大電路。具體框圖如下：

　　前置放大器：

　　選用低噪聲的集成儀器放大器AD620作為放大器的核心元件。（MAX4194商店沒有賣）。

　　AD620，根據(jù)增益計算公式AG＝1＋50KΩ/RG可得RG＝100.2Ω，取RG＝100Ω。增益誤差為0.2％。

　　保護電路要求在輸入出現(xiàn)5000v高壓時不會損壞電路，二極管D選用低漏電的微型二極管1N4148，其最大允許通過的瞬時電流為100mA，因此，極限保護電阻R1＝R2＝50KΩ。

　　無源低通濾波器的截至頻率為100HZ，由此可以計算得到C1＝C2＝（2ΠfR）-1＝0.0318μv。考慮到存在電極與人體接觸阻抗等信號源內(nèi)阻和電容取系列值等因素，實際取C1＝C2＝0.033μv。

　　光電隔離電路與高通濾波器：

　　提高系統(tǒng)的抗干擾性能、安全性能和可靠性，使前級放大器和后級放大器沒有電的聯(lián)系，而是通過光或磁來耦合信號。

　　其中R2＝R3＝1KΩ，C1＝0.22μF，為了減小信號漂移，在光電耦合后面，用C1組建樂一個無源高通濾波器，再接葛跟隨器。R1＝1/2ΠfC1，其中f＝0.5HZ，得R1＝910 KΩ。

　　低通濾波器：

　　根據(jù)實驗，2階低通濾波效果不理想，于是改成6階。

　　根據(jù)歸一化算其參數(shù)：截止頻率f＝100HZ，電阻都選用10 KΩ，C1＝0.15μF，C2＝0.15μF ，C3＝0.1μF，C4＝0.22μF ，C5＝0.047μF，C6＝0.56μF。

　　后置放大器：

　　為了達到10000倍放大，后面加一個增益為20的負反饋放大器，取R1＝10KΩ，R2＝200KΩ。

　　陷波器：

　　50HZ陷波器可以采用上圖所示正反饋的有源雙T帶阻濾波器，改電路的Q值隨著反饋系數(shù) 的增高而增大，式 給出了電路中Q值與 （0<β<1）的關(guān)系。但是，隨著β的增高，電路將會出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至自激，因此一般將Q值選在十至幾十的范圍內(nèi)。圖中Rw是10k電位器，調(diào)節(jié)Rw可以改變Q值大小。C的電容值由表選取，然后用式 計算R的阻值。

　　陷波器的中心頻率f＝50HZ，根據(jù)電容值初選參照表取C＝0.1μF，根據(jù)R＝（2ΠfC）-1得R＝30KΩ。Rw是10K的電位器。

　　交流直流轉(zhuǎn)換：

　　用變壓器先把220V轉(zhuǎn)換成12V，通過“橋式整流”（4支二極管）把交流電轉(zhuǎn)換成直流。再用4支電解電容來濾波，這樣可以消除交流噪聲 。

　　測試部分：

　　一 前置放大部分

　?。?）靜態(tài)工作點 將放大器兩輸入端對地短路，測量輸出電壓V=10.9mV

　　（2）輸入噪聲 按(1)測出電壓，計算輸入噪聲Vin==0.094mV

　?。?）輸入阻抗 將輸出接地，用萬用表電阻檔測量兩個輸入端Rin=22.2M

　　在輸入端串聯(lián)一個電阻，測量串聯(lián)電阻后的輸出電壓Vo1然后再測出不串聯(lián)該電阻時的輸出電壓Vo2，根據(jù)該電阻所分得的電壓，計算輸入電阻

　?。?）輸出阻抗 Rout=6.4K

　?。?）差模增益 將電壓接到一個輸入端，另一端接地，測量輸出電壓，計算差模增益

　　Vi=18.45mV,Vo=8.3V

　　Ad==450

　?。?）共模增益 將放大器輸入端共同接同一電壓，記入輸出電壓，計算共模增益

　　Vi=2V Voc=0.035V

　　Ac==0.0175

　?。?）計算共模抑制比 CMRR=20lg（Ad/Ac）＝88.2

　　由于共模抑制比不夠高，所以波形的噪聲較大，信噪比不高。

　?。?）零點漂移 將放大器的輸入對地短接，相隔10分鐘，用示波器兩次觀察輸出電壓的變化并計算

　　零點漂移＝30MV

　　二 光電耦合

　　Vi=2.38V Vo=2.15V

　　三 低通濾波器

　　理想截止頻率為100HZ

　　輸入電壓為10V，測量的電壓數(shù)據(jù)列表

　　頻率

　　70.54HZ

　　83.32HZ

　　90.04HZ

　　94.2HZ

　　96.53HZ

　　峰峰值

　　10V

　　9.8V

　　8.5V

　　7.07V（0.707）

　　6.54V

　　頻率

　　100HZ

　　109.1HZ

　　115.9HZ

　　120.4HZ

　　148.8HZ

　　峰峰值

　　4.30V

　　3.50V

　　1.20V

　　0.60V

　　0.184V

　　帶寬有些大了，所以引入了一些肌電信號，加大了干擾。

　　四 50HZ陷波

　　輸入電壓5V,測量電壓數(shù)據(jù)列表

　　頻率

　　13.75HZ

　　26.32HZ

　　30.08HZ

　　35.32HZ

　　39.96HZ

　　42.65HZ

　　峰峰值

　　5V

　　4.85V

　　4.56V

　　4.20V

　　4.02V

　　3.85V(0.707)

　　頻率

　　47HZ

　　50.12HZ

　　54.65HZ

　　57.71HZ

　　60.69HZ

　　76.65HZ

　　峰峰值

　　1.08V

　　0.520V（中心頻率）

　　1.20V

　　3.85V(0.707)

　　4.53V

　　4.86V

　　A recording. You can clearly see the (in my case very slow) alpha rythm.

　　Three eye blinks and tooth grinding.

　　神念科技，腦電模塊介紹：

　　此TGAM模塊可以處理并輸出腦波頻率譜，腦電信號質(zhì)量，原始腦電波和三個Neurosky的eSense參數(shù)：專注度，放松度和眨眼偵測。和人體的界面只需一個簡單的干接觸點，所以可以很容易的運用于玩具，視頻游戲和健康設(shè)備中，又由于能耗小，適合用在以電池供電的便攜式消費產(chǎn)品的應(yīng)用上。

　　TGAM模塊的特點及優(yōu)勢

　　? 能直接連接干接觸點，不像傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)用的濕傳感器使用時需要上導(dǎo)電膠

　　? 單EEG腦電通道有3個接觸點：EEG（腦電采集點）REF（參考點）GND（地線點）

　　? 上電后若接觸點連續(xù)四秒沒有采集到腦電或連續(xù)七秒收到差的腦電信號，

　　本智慧模塊會通過“信號質(zhì)量強度”發(fā)出信號差的警告，提醒用戶調(diào)整傳感器

　　? 先進的噪音過濾技術(shù)，能抗拒日常生活中環(huán)境里的各種干擾

　　? 低能耗，適合便攜式消費產(chǎn)品的電池供電的設(shè)備

　　? 3.3伏供電下最大消耗為15毫安

　　? 原始腦電數(shù)據(jù)以512 Hz輸出

　　測量

　　? 原始腦波信號

　　? 處理和輸出α,β等腦波波段數(shù)據(jù)

　　? 處理和輸出Neurosky（神念科技）獲得專利技術(shù)的eSense專注度和放松度指數(shù)以及未來開發(fā)的其他數(shù)據(jù)

　　? 嵌入式的信號質(zhì)量分析功能能警告接觸不良或是完全沒接觸的異常狀態(tài)

　　? 眨眼偵測

　　物理規(guī)格

　　? 規(guī)模尺寸（最大）2.79cm x 1.52cm x 0.25cm

　　? 重量（最大）130mg

　　規(guī)格說明

　　? 采樣率： 512Hz

　　? 頻率范圍：3Hz-100Hz

　　? 靜電保護：4kV接觸放電; 8kV隔空放電

　　? 最大消耗功率：15毫安 @ 3.3伏

　　? 運行電壓：2.97~3.63伏

　　UART（串口）標準輸出接口

　　? 1200, 9600, 57600 輸出波特率

　　? 8 bits

　　? No parity

　　? 1 stop bit

　　AC交流噪音濾波器的配置選項

　　? 50Hz

　　? 60Hz