王遠澤（青島經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)第一中學,山東　青島　266555）

測謊儀的原理探究及試制

王遠澤
（青島經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)第一中學,山東青島266555）

摘要：測謊儀可以靈敏測量人體多項生理參數(shù)的變化，從而判斷受測者是否說謊。本文設計了簡單的電路，利用三極管的放大原理，測量人體皮膚電阻的微小變化，并通過單片機的AD轉換實時采集數(shù)據(jù)。使用放大器，通過三點測量的方式，采集到清晰的人體心電圖波形。使用簡單的電子元件，測量的皮膚電阻及心電圖波形都有較高的精度。

關鍵詞：測謊儀；皮膚電阻；心電圖；放大器

1　測試儀簡介

測謊儀，是一種檢測多項生理反應的儀器，經(jīng)常在犯罪偵查中被用來協(xié)助偵訊，以判斷其是否涉及案件。其實準確的說，測謊并不是檢測“謊言”本身，而是檢測受測者的各項生理參數(shù)變化。相關研究證明，人在說謊時生理上會發(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，導致皮膚出汗等等。第一代測謊儀單純記錄脈搏和血壓變化，其準確度較低；而第二代測謊儀則發(fā)展為同時檢測脈搏、血壓、呼吸、皮膚電阻及肌肉活動的測試儀，準確度大大提高。在各項測量參數(shù)中，皮膚電阻和心率較為敏感，因此本實驗嘗試對人體皮膚電阻和心率進行測量。

2　測試儀改進方法

關于電阻測量，首先最容易想到的方法就是使用萬用表的歐姆檔直接進行測量。使用普通萬用表，將兩表筆相隔1cm距離貼到手指皮膚上，讀數(shù)300MΩ左右。但萬用表反應遲緩，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，并不能準確測量人體的皮膚電阻，更無法作為判斷受測者是否說謊的依據(jù)。

改進實驗方法，將相距1cm的兩根金屬導線固定在平板上，制成簡易的觸摸板。在兩導線之間施加電壓，當手指按壓觸摸板時，將皮膚電阻轉化為導線之間的電壓進行測量。實驗電路如圖1所示。

圖1

使用5V直流穩(wěn)壓電源供電，將一個5.1kΩ電阻和自制的觸摸板連到電源上，利用ArduinoUno單片機的AD轉換功能讀取觸摸板兩端的電壓值。當用手指按壓觸摸板時，通過計算機的串口通信，測量到如下數(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，說明本實驗電路能夠穩(wěn)定測量皮膚的電阻。當ArduinoUno的模擬輸入為5V時，輸出為1023；輸入為0時，輸出也為0。所以，當采集到的示數(shù)為1013時，觸摸板兩端的電壓為：

因此皮膚電阻為：

實驗又測量了手指出汗時的電阻為73kΩ，而且不同人皮膚電阻的微小差距也能通過本實驗電路測量出來。

圖2

圖3

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

最簡單的放大電路用三極管即可實現(xiàn)。三極管分PNP和NPN兩種，本實驗使用PNP管進行嘗試，搭建如下電路。如圖3所示。

當人體的電阻發(fā)生微小變化時，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。實驗中還發(fā)現(xiàn)，手指按壓觸摸板的用力程度會影響電阻的測量，因此實用的皮膚電阻測量應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，皮膚電阻的測量幾乎沒有其他信號的影響，但是心電波形的采集則不同。查閱相關資料可知，簡單的心電采集可以通過“三點法”測量來實現(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”。但是人體就像個巨大的“天線”，無時無刻不在“接收”各種信號，而且心電信號相當微弱，給采集帶來很大困難。

圖4

圖5

圖6

本實驗使用運算符放大器LM324作為基本元件，查資料可知，通過簡單添加電阻和電容等元件，就可以跟運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，人體側部與腹部之間的電壓作為V2，使用圖4的電路進行采集，但是輸出端示數(shù)一直在1附近波動，說明信號過于微弱，達不到測量要求。因此必須先對信號進行放大，然后再使用減法器隊放大后的信號進行處理。圖5所示為一個典型的放大電路，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100μF的電容以消除信號中直流信號的影響，并且在采集端增加了高通濾波器。

重新進行實驗，采集到波形如圖6所示。

由圖6可見，用自己搭建的簡易電路所采集到的心電圖較為清晰。

3　總結

上述簡易電路可以簡單測量到人體的皮膚電阻和心電圖，雖然還達不到測謊的目的，但是通過本實驗，讓我明白其實生活中很多事情并沒有想象中的那么復雜，只要我們肯動腦，多動手，就能有所收獲。