PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制

PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制 2OO4年12月传感技术学报第4期 V~signandImplementationoftheThree-PointPVdF Piezo?-FilmSphyono?-Transducer WANGCuo-li,ZHAOzi-yi~,BAIJin-xing (SchoolofInformationScienceandEngneer/n#,Shando~(螂,J/nan250100,Ch/aa) Abstract:Akindofthree—pointPVdFhasbeendeveloped,itcanimitatethetraditionChineseclinicaldia gno— sisbyrIleasu衄threeparts”CUN”,”GUAN”,”CHI”ofthepulsewave.1hispaperanalysestheprincipleofthePVdF Hezo-FilmandelectricchargeamplifierfromaD.ewviewpoint.Thesystemconsistsofalinearizationre visarycircuitof theelectricchargeamplifierandthesilalprocessingcircuits,Itconsiderstheplasticworkingofthepulsew aveform andsuppressionofthenoise.increasesthen籼resensitivity,andsolvestheproblemofthepulsewavedistortion. Keywords:PVdF;linearization;electricchargeamplifier;pulse~nsducerdesign PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制 王国力,赵子婴,白金星 (山东大学信息科学与工程学院,济南250100) 摘要:主要讨论了能同时感受寸,关,尺三部位脉搏信号的仿生手诊用的PVdF压电薄膜传感器,并从新的角度剖 析了PVdF和电荷放大器的工作原理.所设计的线性化修正的电荷放大电路和其他信号调理电路,又考虑到脉搏 提高了测量的灵敏度,有效地抑制了非线性失真. 波形的整形,并专门进行了消噪处理, 关键词:PVdF;线性化;电荷放大器;脉搏传感器设计 中图分类号:TP212.3文献标识码:A文章编号:1004—1699(2004)04—0688—05 脉诊具有26O0多年临床实践,是我国传统中 医四诊中的精髓.脉搏信息在中医,西医都有着十 分重要意义.在传统中医脉诊中,切脉技巧复杂, 难以掌握和运用,医生主观因素影响也较大,诊断 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 不一.随着科学技术的发展,脉诊的客观化, 定量化已成为中医诊断的必然趋势.几十年来,国 内外都研制出了不同的脉象仪,用于脉诊的客观化 研究,但从研制情况看,大部分传感器不能模拟中 医切脉时所取寸,关,尺三部,按浮,中,沉三种诊法 检测脉搏信号,且主要靠压力定标,适用性不够好. 本文将从模拟中医脉诊的角度,研制了PVdF压电 薄膜传感器,并应用于脉象仪研究. 1设计原理 1.1敏感部分 本设计的脉象仪传感器的敏感部分是人手指 端大小的PvdF(聚偏二氟乙烯)压电薄膜,之所以 选择PVdF压电薄膜,因为它有如下几个的优点…: ?压电常数大(d剪=20pC/N),变力响应灵 敏度高.比石英晶体高lO倍,压电电压输出常数 g=174是所有压电体中最高的. ?在非常高的交变电场中不至于去极化,单 位体积能获得大的输出功率.因为换能器单位体 积最大输出功率正比于机电耦合系数和能承受的 收稿日期:20(g-(~16 作者简介:王国力(1975一),男,硕士研究生,主要从事信号检测与处理,wanggl@sdu.edu.?; 赵子婴,女,硕士研究生导师. 第4期王国力,赵子婴等:PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制689 最大电场强度的平方. ?膜轻且柔韧,易于制备,与人体组织的阻 抗耦合性好,能紧贴皮肤,使得脉搏信号通过薄膜 而不失真.另外由于薄膜类似于人类皮肤,可以制 作仿生触觉传感器. ?机械品质因素低,阻尼小,密度低,具有宽 带特性,能满足脉搏信号的频率特性.人体的脉搏 频率非常低,约为0.5,4Hz,一般情况下为1Hz 左右.由于PVdF膜的柔性及其厚度方向伸缩振 动的谐振频率很高,使得在很宽范围内有平坦的频 率响应(响应范围是0.1—100MHz).因此,从理 论上讲,PVdF换能器能检测微弱低频的脉搏信号. 基于PVdF膜的以上优点,根据中医切脉模 式,我们研制出了三点式的传感器,三个换能器分 别由PVdF薄膜作成正方形片状,面积约为16 ?珊I2,相当于切脉时指腹的受力面积.在压电薄膜 电荷生成的两极分别蒸镀铝电极并引出导线,用柔 性有机塑料薄膜封装并作成圆形基片,装在一根表 带上.考虑到患者体征,老幼等因素,三个换能器 独立地对应于寸,关,尺三个部位,且能在表带上纵 横调节.测量时,表带束在腕部,医生手指对应地 放大三个换能器上即可.医生可以透过薄片感觉 到脉搏的波动,根据浮,中,沉模式,把脉过程中可 以人为地控制力度,做到因人而异,克服了以往刚 体换能器压力定标所取浮,中,沉的不足,保证了取 脉脉位和脉压的准度和精度.以单个换能器为例, 其结构如图1所示: 图1P,,dF薄膜换能器 如图2所示,当周期性脉搏压力作用在换能器 脉搏压力 流向 图2桡动脉及换能器剖图 上时,桡动脉血产生的压力周期均匀地作用在换能 器上,将机械能转化为电能.压电方程为: D:dF+,E(1) S:sF+d(2) 式中d=[d,i=1,2,3,=1,2…6,是压电常 数矩阵;s是恒电场下的柔性常数矩阵;,是恒 应力时的介电常数矩阵.当仅考虑z方向受均匀 的力时,即F,?0,E=0,如图3所示: 极化方向 图3PVdF膜应变示意图 式(1)可简化为: D3=d31F1+d32F2+d33F3+d15F4+d15F5(3) 由于d33》dl5’且《2,《,在具体应用中,可 认为d5=0,=0,1,2,4,5.式(3)可进一步 表示为:D3=d33F,(4) 同理,式(2)也可简化为 S3=s33F3(5) 由方程(4),(5)得: D3=S3(6) 33 式中E,=(\a3S3,/;当E=0时E s=寺(7) 式中E为PVdF压电材料的弹性模量. 将式(7)代人式(6)得: D3=d鹞S3(8) 根据高斯定律,电场内介质的任意一表面的自由电 荷为:Q(,)=Q(,.)+Epd站IIs3dxdy(9) 当2,W很小时,式(9)可表示为: Q(t)=Q(t0)+d33S31w(10) 方程(10)中Q(t.)为介质初始贮能,一般情况下, 认为Q(t.)=0.得到 Q(t)=d33S31w(11) 由式(11)可知PVdF压电薄膜换能器的电荷输出与 S,成正比,利用其结构应变特性,可以构成应变传 感器.为方便讨论表述,需要进行归一化处理.因 Q(t)=D3A3=d33F3A3(12) 在整个脉搏信号检测中,压电薄膜的面积是不变 的,A1,换能器输出电荷与所受压力关系可表 示为:Q(t)=d33F(t)(13) 其中d鹑为压电常数,单位为C/N,表示其电荷灵 第4期王国力.赵子婴等:PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制 ddF(f):cd(,)+d,(18) 因为,0=0时刻,F(,)lh:0=0,U(,)lh:0=0. 解方程可得: 赤壶?d(19) 因为C=+C,(+1),且?100,cs(K+1)》(C ++C;) 所以CC,(+1)KCs(20) 从而有 F(t毫?dz】(21) 从式(21)可以看出,只有当足够大r=RsCs=Rcs 时,式(14)才成立. 在一般的电荷放大器设计中,时间常数r= RsCs要求很大(105s以上),在小型的PVdF脉搏传 感器中,很难实现,因为反馈电容不能选得太小,式 (15)中,不能满足cs(K+1)》(C++Ci)条 件,相对地电缆电容将会对反馈电容引起较大干 扰,产生积分漂移现象;如果反馈电容选得太大,将 容易引起电路自激现象.一般情况下,c取值范 围在100pF到10nF量级之间,实验中,我们取10 nF量级.实验表明,在时间常数不足够大的情况 下(小于100S),电荷放大器的输出电压跟换能器 受到的压力成非线性关系,这一点从式(21)就可看 出.又因医生取脉时,浮,中,沉三种取法,换能器 感受到的脉搏压力变化很小,在这种情况下,如果 不对电荷放大器进行线性化修正,会引起检测的脉 搏信号较大失真. 在式(21)中,令 (,)=(,)+赢J.(,)d,(22) 则(,):一粤(23) 式(23)表示为电荷放大器线性化修正后输出,其中 U(t)是U(,)及其积分的线性组合,其线性化原 理框图为图8所示: 图8线?l生化电荷放大器原理图 从原理图可知,线性化修正可以很容易用标准 运算电路实现. 1.2.3除噪设计 由于脉搏信号频率很低,是微弱信号,且干扰 信号较多,滤波电路在设计中,非常重要.系统中, 噪声主要来自以下几个方面:?元器件噪声;? 市电50Hz噪声;?PVdF对电磁信号响应引起的 噪声;?患者和医生手部抖动对PVdF激励产生的 噪声.?外界温度变化导致PVdF生产的热电效 应噪声.对不同的噪声,我们采取了不同的滤除和 抑制措施.对元器件噪声抑制,主要是选择低噪声 前置运放,经比较,选择了AD620,该运放采用了激 光晶片校准工艺,为超p结构,低频使用时,其噪声 水平仅为0.28V,输人阻抗可达10CA2,共模抑 制比可达140dB.对电荷放大电路和时间常数电 路中用到电阻应选用0.1%的高精度金属膜电阻, 电容应选钽电容作补偿电容.对市电噪声采取了 硬件工频陷波和软件滤波并用的措施,实验证明, 利用数字滤波技术,对工频干扰信号的抑制效果较 好;对电磁信号抑制主要采取了两种方法,一是对 信号线进行屏蔽,二是设计四阶巴特沃斯低通滤波 器,截止频率为100Hz.对于人体的抖动噪声主要 是通过软件滤波加以滤除,主要是采用了防脉冲干 扰平均值滤波法.该算法在凌阳单片机内实现,其 基本 思想 教师资格思想品德鉴定表下载浅论红楼梦的主题思想员工思想动态调查问卷论语教育思想学生思想教育讲话稿 是把测量得到的256个数据看成一队列, 每进行一次新的测量,就把测量结果放入队尾,而 剔除原来队首的一次数据,这样在队列中始终有 256个”最新”数据,对256个数据逐个比较大小,去 掉其中的最大值和最小值,然后计算254个数据的 平均值.这种滤波方法对周期性干扰有良好的抑 制作用,还能对滤除脉诊过程中人体偶尔的抖动产 生的干扰.实验中发现,尽管人的体温基本保持恒 定,但手腕部位皮肤表面的温度受外界温度变化 的影响仍很大,而且手腕部位皮肤与传感器表面的 温差也会给测量带来很大影响,需要消除温度效应 噪声.利用人体脉搏(1Hz左右)与热电噪声信号 (0.5Hz以下)之间存在频率差别,需要设计一个 下限频率为0.5Hz的高通数字滤波器,来避免温 度效应给脉搏测量带来的不良影响. 2实验与结果 2.1实验 脉搏信号在微机中处理,我们借助了MATIAB 信号处理工具箱. 传感技术学报2004正 2.1.1电荷放大器线性化修正实验 图9和图10所显示的都是某正常人在同一时 刻测得左手桡动脉尺部的脉搏波形,分别为线性化 修正前和修正后的检测结果.检测图9显示波形 时.所用的PVdF换能器和电路,除没有对电荷放 大器进行线性化修正外,其他情况都与检测图10 所显示波形时相同.可以看出图9显示波形失真 较大.图l0显示波形与正常人脉图相似. 图9线性化修正前脉图 图10线性化修正后脉图 因此,设计的线性化电荷放大器,在输人阻抗 不是极高的情况下,可以较好解决非线性失真问题. 2.12传感器实验 本传感器性能稳定,重复使用性好,脉搏波形 清晰.图11为测得的正常脉图(右关部),仅从脉 搏波形态上相比较,本传感器检测到的脉图与气压 图l1正常人脉图(右关) 血流电阻式脉象仪【6测得的正常人脉图(右关)如 图12所示)非常相似. 本传感器可以用于人体脉搏信号采集,且效果 比较好. 2.2灵敏度测试 PVdF膜换能器的灵敏度可以表示为: 图12经典正常人脉图(右关) K::一 ,3,33 式中:U.为开路电压.F,为桡动脉作用在膜片上 的周期性均匀压力,为膜片厚度,实验结果若取 r d33=20pC/N,,33==12,=50/Jan.可得出K ‘0 =83.3pC,m/N. 2.3传感器参数 传感器参数如下:PVdF膜厚h=50/Jan,压电 常数d=20pC/N.A,=16mrn2.静电容量C,= 3.4nF’.工作温度范围是一10,50cI=. 3结束语 通过对电荷放大器的线性化修正,实现了传感 器设计整体的小型化.所研制的PVdF传感器较 好地解决了以往大都由刚体材料制成的脉搏传感 器换能器触头,以压力定标取浮,中,沉模拟中医切 脉所引起的与人体耦合性不好,模拟效果不佳的问 题.它适合于不同年龄和各种体格的人体脉搏测 量,能实现人体交互监测,并可用于建立中医脉诊 专家系统,也可用于中医脉诊教学与实验. 参考文献: [1]王秀艳.IrZT/PVdF压电复合材料的制备和性能研究 [D].中国科学院长春应用化学研究所硕士论文, 2001. 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