PPG（光电容积脉搏波描记法）传感器是现代可穿戴设备监测心率的核心元件。其原理基于血液流动对光吸收率的变化，通过发射特定波长的光照射皮肤组织，并检测反射或透射光强度，再经一系列信号处理与算法解析，最终获得脉搏波形和心率值。这种非侵入式技术为健康监测提供了极大便利。
一、 光学检测基础：光与血液的互动
PPG传感器的核心在于利用血液对光的吸收特性。当心脏收缩时，动脉血管中的血液量增多，吸收的光线增加；舒张时则相反，形成周期性变化的光信号。
* 光源选择：通常采用发光二极管作为光源，波长选择是关键。绿光因在皮肤组织中有较好的吸收特性及抗运动干扰能力，在腕戴设备中应用广泛。
* 光路设计：主要有透射式和反射式。反射式结构更紧凑，适合集成在手表、手环等设备背面，将光射向皮肤并接收散射回来的光信号。
* 光电探测器：光电二极管或光电晶体管负责将接收到的、强度随脉搏波动的反射光信号转换为微弱的电流信号。
二、 信号处理：从噪声中提取有效脉搏波
光电探测器输出的原始信号极其微弱且混杂大量噪声，需经过精心设计的模拟与数字电路处理。
关键信号调理步骤
- 电流-电压转换：使用跨阻放大器将光电探测器的微弱电流信号转换为电压信号。
- 放大：利用运算放大器对微伏级别的电压信号进行适度放大。
- 滤波：
- 高通滤波：滤除由呼吸、缓慢运动引起的基线漂移。
- 低通滤波：滤除高频噪声（如环境光干扰、肌肉电信号）。
- 常使用有源滤波器或结合电容、电阻网络实现。
- 模数转换：模数转换器将处理后的模拟电压信号转换为数字信号，供后续算法处理。
三、 算法解析：从波形到心率值
数字化的PPG信号仍包含噪声（如运动伪影），需要智能算法精确提取心率信息。
核心算法环节
- 运动伪影消除：这是PPG技术的关键挑战。算法需区分血液流动引起的信号变化和肢体运动引起的噪声。常见方法包括：
- 使用加速度传感器数据辅助建模和消除运动噪声。
- 采用自适应滤波、盲源分离等算法技术。
- 峰值检测：在滤波后的PPG波形中，准确识别每个脉搏波的峰值点。
- 心率计算：根据连续峰值点之间的时间间隔（即脉搏周期），计算瞬时心率或平均心率。例如，相邻峰值间隔0.8秒，则心率 = 60 / 0.8 = 75次/分钟。
- 信号质量评估：算法会评估当前信号质量，在信号质量差时（如剧烈运动），可能暂停输出或提示结果不可靠。
PPG光电式脉搏传感器技术，融合了精密光学设计、模拟电路调理和智能数字算法，实现了在复杂日常活动中对心率的便捷、持续监测。理解其从光源到算法的全链条原理，有助于更深入地认识这项广泛应用于健康监测领域的技术本质。
