王遠(yuǎn)澤（青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第一中學(xué),山東　青島　266555）

測(cè)謊儀的原理探究及試制

王遠(yuǎn)澤
（青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第一中學(xué),山東青島266555）

摘要：測(cè)謊儀可以靈敏測(cè)量人體多項(xiàng)生理參數(shù)的變化，從而判斷受測(cè)者是否說(shuō)謊。本文設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的電路，利用三極管的放大原理，測(cè)量人體皮膚電阻的微小變化，并通過單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。使用放大器，通過三點(diǎn)測(cè)量的方式，采集到清晰的人體心電圖波形。使用簡(jiǎn)單的電子元件，測(cè)量的皮膚電阻及心電圖波形都有較高的精度。

關(guān)鍵詞：測(cè)謊儀；皮膚電阻；心電圖；放大器

1　測(cè)試儀簡(jiǎn)介

測(cè)謊儀，是一種檢測(cè)多項(xiàng)生理反應(yīng)的儀器，經(jīng)常在犯罪偵查中被用來(lái)協(xié)助偵訊，以判斷其是否涉及案件。其實(shí)準(zhǔn)確的說(shuō)，測(cè)謊并不是檢測(cè)“謊言”本身，而是檢測(cè)受測(cè)者的各項(xiàng)生理參數(shù)變化。相關(guān)研究證明，人在說(shuō)謊時(shí)生理上會(huì)發(fā)生一些變化，有些變化不易被肉眼察覺，如呼吸速率和血容量異常；脈搏加快，血壓升高；皮下汗腺分泌增加，導(dǎo)致皮膚出汗等等。第一代測(cè)謊儀單純記錄脈搏和血壓變化，其準(zhǔn)確度較低；而第二代測(cè)謊儀則發(fā)展為同時(shí)檢測(cè)脈搏、血壓、呼吸、皮膚電阻及肌肉活動(dòng)的測(cè)試儀，準(zhǔn)確度大大提高。在各項(xiàng)測(cè)量參數(shù)中，皮膚電阻和心率較為敏感，因此本實(shí)驗(yàn)嘗試對(duì)人體皮膚電阻和心率進(jìn)行測(cè)量。

2　測(cè)試儀改進(jìn)方法

關(guān)于電阻測(cè)量，首先最容易想到的方法就是使用萬(wàn)用表的歐姆檔直接進(jìn)行測(cè)量。使用普通萬(wàn)用表，將兩表筆相隔1cm距離貼到手指皮膚上，讀數(shù)300MΩ左右。但萬(wàn)用表反應(yīng)遲緩，而且讀數(shù)隨表筆與皮膚之間的壓力變化而變化，誤差較大，并不能準(zhǔn)確測(cè)量人體的皮膚電阻，更無(wú)法作為判斷受測(cè)者是否說(shuō)謊的依據(jù)。

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，將相距1cm的兩根金屬導(dǎo)線固定在平板上，制成簡(jiǎn)易的觸摸板。在兩導(dǎo)線之間施加電壓，當(dāng)手指按壓觸摸板時(shí)，將皮膚電阻轉(zhuǎn)化為導(dǎo)線之間的電壓進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。

圖1

使用5V直流穩(wěn)壓電源供電，將一個(gè)5.1kΩ電阻和自制的觸摸板連到電源上，利用ArduinoUno單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換功能讀取觸摸板兩端的電壓值。當(dāng)用手指按壓觸摸板時(shí)，通過計(jì)算機(jī)的串口通信，測(cè)量到如下數(shù)據(jù)（如圖2所示）。

由圖2可以看到，采集到的數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)電路能夠穩(wěn)定測(cè)量皮膚的電阻。當(dāng)ArduinoUno的模擬輸入為5V時(shí)，輸出為1023；輸入為0時(shí)，輸出也為0。所以，當(dāng)采集到的示數(shù)為1013時(shí)，觸摸板兩端的電壓為：

因此皮膚電阻為：

實(shí)驗(yàn)又測(cè)量了手指出汗時(shí)的電阻為73kΩ，而且不同人皮膚電阻的微小差距也能通過本實(shí)驗(yàn)電路測(cè)量出來(lái)。

圖2

圖3

可見該簡(jiǎn)單電路已經(jīng)能穩(wěn)定地測(cè)量人體皮膚電阻kΩ級(jí)別的變化，但數(shù)值波動(dòng)微小，精度尚不能完全放映受測(cè)人的皮膚電阻變化。欲放大這種細(xì)微的電位差別，需要使用放大電路。

最簡(jiǎn)單的放大電路用三極管即可實(shí)現(xiàn)。三極管分PNP和NPN兩種，本實(shí)驗(yàn)使用PNP管進(jìn)行嘗試，搭建如下電路。如圖3所示。

當(dāng)人體的電阻發(fā)生微小變化時(shí)，三極管的基極電流發(fā)生變化，從而改變集電極的電流變化，表現(xiàn)為電阻R3兩端的電壓變化。本電路利用三極管放大了基極電流的變化，從而靈敏顯示出觸摸板上電阻的變化。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，手指按壓觸摸板的用力程度會(huì)影響電阻的測(cè)量，因此實(shí)用的皮膚電阻測(cè)量應(yīng)該將觸摸板固定在身體某處的變面，使金屬電極與皮膚的緊密程度保持穩(wěn)定。

心電圖的采集：

除觸摸板與皮膚接觸的緊密程度外，皮膚電阻的測(cè)量幾乎沒有其他信號(hào)的影響，但是心電波形的采集則不同。查閱相關(guān)資料可知，簡(jiǎn)單的心電采集可以通過“三點(diǎn)法”測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)：采集心臟位置與人體腹部之間的皮膚電壓差，采集人體側(cè)部與腹部之間的電壓差。這里的腹部作為“公共地”。但是人體就像個(gè)巨大的“天線”，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在“接收”各種信號(hào)，而且心電信號(hào)相當(dāng)微弱，給采集帶來(lái)很大困難。

圖4

圖5

圖6

本實(shí)驗(yàn)使用運(yùn)算符放大器LM324作為基本元件，查資料可知，通過簡(jiǎn)單添加電阻和電容等元件，就可以跟運(yùn)算放大器組成電壓跟隨器、減法器等電路。如圖4所示就是一個(gè)典型的減法器。

將心臟位置與腹部之間的電壓作為V1，人體側(cè)部與腹部之間的電壓作為V2，使用圖4的電路進(jìn)行采集，但是輸出端示數(shù)一直在1附近波動(dòng)，說(shuō)明信號(hào)過于微弱，達(dá)不到測(cè)量要求。因此必須先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后再使用減法器隊(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行處理。圖5所示為一個(gè)典型的放大電路，放大倍數(shù)為（1+1000/47）=22.28倍。

通過咨詢專業(yè)人士，在采集過程中，在V1和V2上各串聯(lián)一個(gè)100μF的電容以消除信號(hào)中直流信號(hào)的影響，并且在采集端增加了高通濾波器。

重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集到波形如圖6所示。

由圖6可見，用自己搭建的簡(jiǎn)易電路所采集到的心電圖較為清晰。

3　總結(jié)

上述簡(jiǎn)易電路可以簡(jiǎn)單測(cè)量到人體的皮膚電阻和心電圖，雖然還達(dá)不到測(cè)謊的目的，但是通過本實(shí)驗(yàn)，讓我明白其實(shí)生活中很多事情并沒有想象中的那么復(fù)雜，只要我們肯動(dòng)腦，多動(dòng)手，就能有所收獲。