在写这篇文章的时候，我经常停下来喘口气，等着看它是否会被接受，我因期待而喘不过气来。我希望我在展示的时候不会窒息。不过，做完之后，我就可以松一口气了。这些隐喻表明了呼吸的身体行为与焦虑的精神状态及其相反的放松状态之间的密切联系(Fesmire 1994)。

焦虑并不是影响呼吸模式的唯一因素;也许每一种感觉都会影响我们的呼吸。心理学家在许多研究领域调查了情绪和呼吸模式之间的联系(Boiten, et al. 1994)。大多数这样的检查都需要某种形式的电子病人监护设备，部分原因是观察一个人的呼吸会改变它的模式。

采用智能传感器技术的呼吸监测仪

呼吸监测仪图1显示呼吸模式，同时给出呼吸幅度的大致概念。监测器显示了几个用于检测焦虑的重要参数:呼吸频率，呼吸模式的规律性，呼气后和吸气前暂停的持续时间。因为平静、积极的情绪通常会产生比灵感更长的到期模式，灵感与到期时间的比率可以作为焦虑的额外指标。相对较高水平的胸廓呼吸(相对于腹部呼吸)也表明焦虑。因此，观察胸腔呼吸的增加可以增强监视器的视觉信息。

图1所示 这个框图描述了一个呼吸监测器

图1的监测器使用硅压阻式传感器(PRT)来检测吸入和呼出相应的压力下降和增加。PRT输出馈送到信号调理IC，该IC校正PRT固有的误差，然后将补偿电压信号传递给ADC。然后将ADC输出(压力信号的数字化版本)馈送到PC接口并转换为RS-232电平。这些依次传递给PC, PC显示呼吸波形并允许对上述参数进行分析。

传感器

prt通常被配置为一个封闭的惠斯通电桥。当对主动桥式PRT施加压力时(图2一个)，对角线对立腿的阻力变化相等且方向相同。当一组对角线对腿的阻力随着压力的增加而增加时，另一组腿的阻力则减小，反之亦然。半有源桥式PRT (图2 b)仅在桥的一半处显示阻力变化。无论是全有源还是半有源，PRT传感器的优点包括高灵敏度(>10mV/V)，恒温下良好的线性度，以及跟踪压力变化的能力，没有信号迟滞，直到破坏性极限(Konrad和Ashauer 1999)。

图2 主动桥式PRT (a)的所有四条腿都响应压力。对于半主动桥式PRT (b)，只有两条腿对压力有反应

今天的工程师在中低精度应用中使用prt，但高端应用传统上迫使设计师使用应变片，尽管它们的成本更高。然而，新的IC技术允许精确的PRT传感器校正，也使这些设备能够在高端应用中使用。

传感器错误

校正PRT传感器的主要障碍是它们表现出的误差幅度很大。制造PRT传感器的各种方法产生各种类型的误差和误差幅度范围。即使对于一个制造商的给定型号，这些误差幅度也会因换能器的不同而明显不同。

PRT错误可能包括“……满量程信号对温度的强非线性依赖(高达1%/°K)，大的初始偏移量(高达满量程的100%或更多)，[和]偏移量随温度的强漂移。在一定范围内，这些缺点可以用电子电路来补偿”(Konrad and Ashauer 1999)。

在给定的温度下，图2中的两种PRT类型将其电桥电阻(在V(CC)和地之间)保持在一个相当恒定的水平，在很宽的压力范围内。然而，随着温度的升高，电桥电阻显著增加。如果电桥用恒流源供电，其结果是电桥电压增加。

电桥电压随温度增大，PRT灵敏度增大。然而，当电桥电压保持恒定时，PRT对压力的敏感性随温度的升高而降低。因此，灵敏度是两个相反因素的函数:温度和与温度相关的桥电压。这种桥电阻或桥电压的变化可以被现代信号调理ic利用，以纠正PRT中温度的灵敏度误差。这些集成电路使用电桥电阻的变化来校正灵敏度随温度的变化。

传统校正方案

的图3电路补偿prt到一个合理的精度水平。它允许调整偏移量，偏移量随温度漂移，灵敏度随温度漂移。与灵敏度漂移相关的是全量程输出随温度的漂移;这两个参数随温度成比例地变化。图4显示偏移量和全跨度输出之间的关系。

图3 传统的prt校正方案具有温度敏感电阻

图4 PRT的偏移量和全跨度输出构成满量程输出

电路的零修整电阻在室温下补偿传感器的偏置电压，电阻R(TS)和R(TZ)(或R´(TZ))校正温度误差。如前所述，电桥电阻随温度升高而升高，从而增加传感器上的电压。额外的电压增加了传感器的灵敏度;也就是说，对于给定的压力，它的输出电压更高。

然而，当传感器两端的电压保持恒定时，传感器的灵敏度随着温度的升高而降低。由于桥电阻随温度升高而增加的正向灵敏度系数大于负向灵敏度系数，因此全跨输出有随温度升高而增大的趋势。电阻R(TS)通过在温度升高时分流增加的桥电流量来消除这种影响。类似地，R(TZ)或R´(TZ)纠正偏移漂移。根据偏置漂移随温度的方向，R(TZ)或R´(TZ)被添加到电路中。

该补偿方案的主要问题是补偿元件之间的电路相互作用，使校准变得繁琐，并限制了可实现的精度。此外，当使用这种技术时，电子修剪是不可行的。

现代校正计划

在图5信号调理IC (MAX1457)驱动呼吸监测仪的传感器并校正传感器误差。它包含一个驱动传感器的可控电流源和一个数字化传感器桥电压的ADC。这个电压是来自电流源的电流和与温度相关的电桥电阻的乘积。

图5 专用IC (MAX1457)为压力传感器提供电流源激励和补偿，精度为0.1%

MAX1457还包括一个可编程增益放大器(PGA)，用于放大传感器的差分输出和五个数字转换器(dac)，用于校正各种传感器误差。由于传感器输出是低电平信号，PGA输出电压不足以驱动ADC。出于这个原因，MAX1457的内部运算放大器用于将PGA输出提升到合适的水平。

电桥电压随温度升高而升高，这种温度依赖性可用于补偿全跨度温度误差。在恒压电桥激励下，全跨输出温度随温度降低，导致全跨输出温度系数(FSOTC)误差。然而，如果能使桥电压随温度以补偿全跨灵敏度随温度下降的速率增加，则FSO将保持不变。

图6展示了MAX1457如何实现该方案来纠正由于温度引起的FSO误差。利用ADC输出的数字化桥电压，芯片确定先前计算的修正系数(存储在EEPROM中)应应用于FSOTC DAC。由此产生的DAC输出电压然后改变馈送电桥的电流水平。这种新的电流电平通过调整电桥电压来补偿特定温度下传感器灵敏度的变化，从而补偿FSO。为了平滑这种校正，芯片对FSOTC DAC的参考输入施加桥接电压，从而在每个连续的数字对(由ADC提供给EEPROM)之间提供额外的校正。

图6 该电路在MAX1457补偿偏移和全跨度温度误差

同样的技术可以补偿温度上的偏移，除了将OFFSETTC DAC电压馈送到PGA输出端的求和结(而不是MAX1457电流源)。

计算温度系数并按以下顺序将其存储在EEPROM中:在大多数情况下，在最低温度下使用传感器和MAX1457在各种压力下获取传感器数据，然后在最高温度下使用传感器和MAX1457获取相同的数据。使用来自极端温度的数据，为MAX1457编写的软件然后计算四个校正系数(FSO, FSOTC, Offset和OffsetTC)。这四个系数修正了PRT的一阶误差。(对于这种呼吸监测仪所要求的精度水平，校正压力非线性的第五个系数被认为是不必要的。)

为了达到0.1%的精度，MAX1457允许在特定温度下进行补偿，并在每个温度下重新计算FSOTC和OffsetTC。用户决定校准点的数量(最多120个)。如果传感器输出误差完全可重复，则传感器- max1457组合的精度将优于0.1%。

与图3所示的传统方法相比，MAX1457补偿技术具有显著的优势。MAX1457通过分离偏移量和跨度调整来消除补偿元件之间的相互作用:它补偿PGA的偏移量，并通过电流源单独调整FSO。另一个优点是通过在不同温度下进行特定调整，可以获得额外的精度。这种方法本质上比基于外部电阻的方法更精确，外部电阻的值不能在特定温度下精确补偿传感器。

更简单的补偿ic

MAX1457提供比呼吸监测仪所需的更高精度;也就是说，其校正dac的16位分辨率超过了要求。然而，之所以选择这个部件，是因为它包含了额外的运放，需要用来增强呼吸监测仪的低电平传感器信号。

尽管MAX1457提供了比此应用所需更高的精度，但即使在温度的适度变化下，也需要其补偿温度误差的能力:10°C的变化通常会导致PRT的FSO变化3%。由于MAX1457使呼吸监测仪能够在很宽的温度范围内工作，因此该监测仪的潜在应用可能包括太空探索和水肺潜水。

MAX1450信号调节器(图7)基本上是MAX1457的那些，但电阻而不是dac用于设置纠错。由于MAX1450使用的校准点比MAX1457少得多，因此其精度为1%而不是0.1%。MAX1450芯片通常包含在混合电路中，其中MAX1450和激光修整电阻的组合提供了低成本的解决方案。

图7 MAX1450信号调节器与外部激光修整电阻一起工作，提供1%的精度

第三个集成电路(MAX1458/MAX1478)图8)提供与其他两个相同的基本补偿技术，但包括12位(相对于16位)补偿dac。MAX1458/MAX1478器件还包括一个EEPROM，用于板载存储补偿系数。与MAX1450一样，它们提供1%的精度。

图8 MAX1458/MAX1478信号调节器与内部12位dac一起工作，提供1%的精度

MAX1450/MAX1458/MAX1478器件通过计算四个校正系数(如上所述)来补偿传感器，使用在两个温度(通常是工作温度范围的极端温度)下测量的压力数据。与这些器件不同，MAX1457允许在用户选择的温度水平(多达120)下进行额外的温度误差校正。有关这些薪酬方案的更详细讨论，请参阅Konrad and Ashauer 1999和Dancaster等人1997。

1999年9月14日至16日，在俄亥俄州克利夫兰的传感器博览会上发表了一篇类似的文章。

参考文献

1. Boiten, Frans A.， Nico H. Frijda和Cornelius J. E. Wientjes, 1994。情绪和呼吸模式:回顾和批判性分析。国际心理生理学杂志17: 103 - 128。

2. Steven A. Fesmire, 1994。心灵的通气:精神功能和身体功能的比喻。隐喻与象征活动9(1): 31-44。