基于電容數字轉換器技術AD7147和AD7148的醫療保健設計方案

由于傳感器電容由a、b、d和er決定，因此，通過改變這些參數的值，或者觀察其值的變化，即可將CDC技術用于直接測量電容值以及多種其他應用之中，具體視傳感器類型而定。例如，如果a、b和εr是恒定的，CDC輸入與兩個導體之間的距離成反比。

應用

AD714x、AD715x和AD774x系列CDC產品適用于涉及各類采樣速率、分辨率、輸入范圍和輸入傳感器類型的廣泛應用。電容檢測技術的潛在應用范圍僅局限于用戶的創造力，我們下面就介紹一些其在醫療保健領域的可能的應用方法。

液位監控

在輸液等眾多應用中，必須測量所用液體量，或者在輸液瓶變空之前必須停止輸液。為了節省醫護人員的時間，可利用自動液位檢測技術來消除人工檢查的必要。

液位檢測的基本原理如圖5所示。構建一個平行板電容器，使其極板緊緊地附著在輸液瓶的外壁上，并延伸到輸液瓶底部附近。隨著輸液液位的變化，極板之間的電介質數量發生變化，從而導致電容發生變化。為了能夠使用介電常數不同的各種輸液物質，需在輸液瓶底部附近再放一個電容式傳感器，充當一個基準通道，以形成比率式測量。

圖5.液位檢測

24位AD7746， 搭載兩個電容測量通道，可以用于這類應用。

電極和人體之間的連接檢測

對于在人體皮膚附近使用的設備(如圖6所示的那些設備)，在激活設備或進行測量之前，首先了解設備表面與病人皮膚之間接觸的質量通常是有好處的。最終使用的范圍可能包括需要接觸皮膚的醫療探頭、生物電位電極傳感器或把導管固定到適當位置的殼體。為了獲得這種額外的信息，在生產過程中的注塑階段可能會將多個電容式傳感器電極(以藍色顯示)直接嵌入到設備的塑料殼體中。有了電極信息后，主機控制器上運行的簡單算法就可以確定所有傳感器電極是否與皮膚進行良好的接觸。

圖6.采用電容式傳感器電極的設備

圖6所示示例運用電容式傳感器的方式打破了常規：用戶將一個含有電容式檢測電極的設備固定于人體上，而在傳統的電容式檢測人機界面應用中，人們一般通過手指觸摸的方式啟動與傳感器電極的接觸事件。利用AD7147/AD7148開發如圖6所示應用非常簡單。

汗液檢測

在某些醫療和保健測試設備中，需要測量人體排出的汗液。這一般是通過測量皮膚的導電性來實現的。然而，如果需要在不進行電接觸的情況下進行測量，則可通過用電容傳感器檢測人體附近的濕度來實現這種功能

出汗時，人體皮膚附近的濕度(介電常數)會增加;可在出汗處皮膚附近用一個非接觸式電極來測量出汗導致的電容變化可以再增加一個電容傳感器，以測量環境濕度，并用其實現共模補償。

呼吸速率測量

呼吸速率測量是病人監護系統中的一個重要模塊。

在其中一種實現方式中(如圖7所示)，將一塊激勵極板放在病人背部，同時，將傳感器電極帶固定到病人胸部右側。肺部呼吸導致的胸部運動會改變兩塊極板之間的距離。介電常數也會因呼吸過程中復雜的生理活動而改變。這些電容的變化可以通過CDC設備來測量。

圖7.呼吸速率測量

將傳感器電極置于病人胸部右側的原因在于，這個位置受其他生理活動的影響最小。然而，通過將多個傳感器電極放在病人胸部的不同位置，可以獲得有關人體功能的更多信息。這個話題非常有趣，需要進一步研究

血壓測量

在使用充氣臂帶的血壓測量應用中，一項重要的任務是測量氣閥處的壓力。在這類壓力檢測應用中，電容式傳感器使用起來非常簡單。

如圖8所示，壓力傳感器的薄膜基本是由兩個電容極板構成。向傳感器施加壓力時，電容極板之間的距離縮短。極板間的距離縮短會導致電容升高。

可使用一個溫度傳感器來檢測傳感器的溫度變化，以補償溫度變化導致的特性變化。AD774x系列內置一個溫度傳感器，用于測量片內溫度——另外還搭載了一個ADC電壓通道，可用來測量電容傳感器位置的溫度。

圖8.用電容式傳感器檢測壓力

結束語

本文簡要介紹了ADI公司在CDC技術領域取得的一些成就，暗示了CDC技術在醫療保健應用中的巨大潛力。然而，傳感器設計——包括樣式、尺寸和位置——相關的詳細電子電路設計，以及深入研究、綜合實驗和有效測試的必要性在很大程度上取決于各種應用的性質，因此，我們在本文中只是拋磚引玉而已。