测谎仪的原理探究及试制

王远泽（青岛经济技术开发区第一中学,山东　青岛　266555）

测谎仪的原理探究及试制

王远泽
（青岛经济技术开发区第一中学,山东青岛266555）

摘要：测谎仪可以灵敏测量人体多项生理参数的变化，从而判断受测者是否说谎。本文设计了简单的电路，利用三极管的放大原理，测量人体皮肤电阻的微小变化，并通过单片机的AD转换实时采集数据。使用放大器，通过三点测量的方式，采集到清晰的人体心电图波形。使用简单的电子元件，测量的皮肤电阻及心电图波形都有较高的精度。

关键词：测谎仪；皮肤电阻；心电图；放大器

1　测试仪简介

测谎仪，是一种检测多项生理反应的仪器，经常在犯罪侦查中被用来协助侦讯，以判断其是否涉及案件。其实准确的说，测谎并不是检测“谎言”本身，而是检测受测者的各项生理参数变化。相关研究证明，人在说谎时生理上会发生一些变化，有些变化不易被肉眼察觉，如呼吸速率和血容量异常；脉搏加快，血压升高；皮下汗腺分泌增加，导致皮肤出汗等等。第一代测谎仪单纯记录脉搏和血压变化，其准确度较低；而第二代测谎仪则发展为同时检测脉搏、血压、呼吸、皮肤电阻及肌肉活动的测试仪，准确度大大提高。在各项测量参数中，皮肤电阻和心率较为敏感，因此本实验尝试对人体皮肤电阻和心率进行测量。

2　测试仪改进方法

关于电阻测量，首先最容易想到的方法就是使用万用表的欧姆档直接进行测量。使用普通万用表，将两表笔相隔1cm距离贴到手指皮肤上，读数300MΩ左右。但万用表反应迟缓，而且读数随表笔与皮肤之间的压力变化而变化，误差较大，并不能准确测量人体的皮肤电阻，更无法作为判断受测者是否说谎的依据。

改进实验方法，将相距1cm的两根金属导线固定在平板上，制成简易的触摸板。在两导线之间施加电压，当手指按压触摸板时，将皮肤电阻转化为导线之间的电压进行测量。实验电路如图1所示。

图1

使用5V直流稳压电源供电，将一个5.1kΩ电阻和自制的触摸板连到电源上，利用ArduinoUno单片机的AD转换功能读取触摸板两端的电压值。当用手指按压触摸板时，通过计算机的串口通信，测量到如下数据（如图2所示）。

由图2可以看到，采集到的数据保持稳定，说明本实验电路能够稳定测量皮肤的电阻。当ArduinoUno的模拟输入为5V时，输出为1023；输入为0时，输出也为0。所以，当采集到的示数为1013时，触摸板两端的电压为：

因此皮肤电阻为：

实验又测量了手指出汗时的电阻为73kΩ，而且不同人皮肤电阻的微小差距也能通过本实验电路测量出来。

图2

图3

可见该简单电路已经能稳定地测量人体皮肤电阻kΩ级别的变化，但数值波动微小，精度尚不能完全放映受测人的皮肤电阻变化。欲放大这种细微的电位差别，需要使用放大电路。

最简单的放大电路用三极管即可实现。三极管分PNP和NPN两种，本实验使用PNP管进行尝试，搭建如下电路。如图3所示。

当人体的电阻发生微小变化时，三极管的基极电流发生变化，从而改变集电极的电流变化，表现为电阻R3两端的电压变化。本电路利用三极管放大了基极电流的变化，从而灵敏显示出触摸板上电阻的变化。实验中还发现，手指按压触摸板的用力程度会影响电阻的测量，因此实用的皮肤电阻测量应该将触摸板固定在身体某处的变面，使金属电极与皮肤的紧密程度保持稳定。

心电图的采集：

除触摸板与皮肤接触的紧密程度外，皮肤电阻的测量几乎没有其他信号的影响，但是心电波形的采集则不同。查阅相关资料可知，简单的心电采集可以通过“三点法”测量来实现：采集心脏位置与人体腹部之间的皮肤电压差，采集人体侧部与腹部之间的电压差。这里的腹部作为“公共地”。但是人体就像个巨大的“天线”，无时无刻不在“接收”各种信号，而且心电信号相当微弱，给采集带来很大困难。

图4

图5

图6

本实验使用运算符放大器LM324作为基本元件，查资料可知，通过简单添加电阻和电容等元件，就可以跟运算放大器组成电压跟随器、减法器等电路。如图4所示就是一个典型的减法器。

将心脏位置与腹部之间的电压作为V1，人体侧部与腹部之间的电压作为V2，使用图4的电路进行采集，但是输出端示数一直在1附近波动，说明信号过于微弱，达不到测量要求。因此必须先对信号进行放大，然后再使用减法器队放大后的信号进行处理。图5所示为一个典型的放大电路，放大倍数为（1+1000/47）=22.28倍。

通过咨询专业人士，在采集过程中，在V1和V2上各串联一个100μF的电容以消除信号中直流信号的影响，并且在采集端增加了高通滤波器。

重新进行实验，采集到波形如图6所示。

由图6可见，用自己搭建的简易电路所采集到的心电图较为清晰。

3　总结

上述简易电路可以简单测量到人体的皮肤电阻和心电图，虽然还达不到测谎的目的，但是通过本实验，让我明白其实生活中很多事情并没有想象中的那么复杂，只要我们肯动脑，多动手，就能有所收获。