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PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制.doc

PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制.doc

赵愈明 2018-01-06 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制doc》,可适用于人文社科领域,主题内容包含PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制OO年月传感技术学报第期V~signandImplementationoftheThreePointPVdFPiez符等。

PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制OO年月传感技术学报第期V~signandImplementationoftheThreePointPVdFPiezoFilmSphyonoTransducerWANGCuoli,ZHAOziyi~,BAIJinxing(SchoolofInformationScienceandEngneern#,Shando~(螂,Jnan,Chaa)Abstract:AkindofthreepointPVdFhasbeendeveloped,itcanimitatethetraditionChineseclinicaldiagnosisbyrIleasu衄threeparts”CUN”,”GUAN”,”CHI”ofthepulsewavehispaperanalysestheprincipleofthePVdFHezoFilmandelectricchargeamplifierfromaDewviewpointThesystemconsistsofalinearizationrevisarycircuitoftheelectricchargeamplifierandthesilalprocessingcircuits,Itconsiderstheplasticworkingofthepulsewaveformandsuppressionofthenoiseincreasesthen籼resensitivity,andsolvestheproblemofthepulsewavedistortionKeywords:PVdFlinearizationelectricchargeamplifierpulse~nsducerdesignPVdF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)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:TP文献标识码:A文章编号:()脉诊具有O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设计原理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=pCN),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=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:(g(~作者简介:王国力(一),男,硕士研究生,主要从事信号检测与处理,wangglsduedu赵子婴,女,硕士研究生导师第期王国力,赵子婴等:PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制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,Hz,一般情况下为Hz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MHz)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,面积约为珊I,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,其结构如图所示:图P,,dF薄膜换能器如图所示,当周期性脉搏压力作用在换能器脉搏压力流向图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()S:sFd()式中d=d,i=,,,=,…,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,,E=,如图所示:极化方向图PVdF膜应变示意图式()可简化为:D=dFdFdFdFdF()由于d》dl’且《,《,在具体应用中,可认为d=,=,,,,式()可进一步表示为:D=dF,()同理,式()也可简化为S=sF()由方程(),()得:D=S()式中E,=(aS,当E=时Es=寺()式中E为PVdF压电材料的弹性模量将式()代人式()得:D=d鹞S()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IIsdxdy()当,W很小时,式()可表示为:Q(t)=Q(t)dSw()方程()中Q(t)为介质初始贮能,一般情况下,认为Q(t)=得到Q(t)=dSw()由式()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)=DA=dFA()在整个脉搏信号检测中,压电薄膜的面积是不变的,A,换能器输出电荷与所受压力关系可表示为:Q(t)=dF(t)()其中d鹑为压电常数,单位为CN,表示其电荷灵第期王国力赵子婴等:PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制ddF(f):cd(,)d,()因为,=时刻,F(,)lh:=,U(,)lh:=解方程可得:赤壶d()因为C=C,(),且,cs(K)》(CC)所以CC,()KCs()从而有F(t毫dz】()从式()可以看出,只有当足够大r=RsCs=Rcs时,式()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(s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()中,不能满足cs(K)》(CCi)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pF到nF量级之间,实验中,我们取nF量级实验表明,在时间常数不足够大的情况下(小于S),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()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()中,令(,)=(,)赢J(,)d,()则(,):一粤()式()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所示:图线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Hz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AD,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V,输人阻抗可达CA,共模抑制比可达dB对电荷放大电路和时间常数电路中用到电阻应选用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Hz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,其基本思想是把测量得到的个数据看成一队列,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个”最新”数据,对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(Hz左右)与热电噪声信号(Hz以下)之间存在频率差别,需要设计一个下限频率为Hz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实验与结果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正电荷放大器线性化修正实验图和图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所显示波形时相同可以看出图显示波形失真较大图l显示波形与正常人脉图相似图线性化修正前脉图图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l正常人脉图(右关)血流电阻式脉象仪【测得的正常人脉图(右关)如图所示)非常相似本传感器可以用于人体脉搏信号采集,且效果比较好灵敏度测试PVdF膜换能器的灵敏度可以表示为:图经典正常人脉图(右关)K::一,,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rd=pCN,,==,=Jan可得出K‘=pC,mN传感器参数传感器参数如下:PVdF膜厚h=Jan,压电常数d=pCNA,=mrn静电容量C,=nF’工作温度范围是一,cI=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:王秀艳IrZTPVdF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,王代华,周德高,刘建胜PVdF压电薄膜振动传感器及其信号处理系统J压电与声光,,():CTandLingYweiSpectruanalysisofhumanJEETramBloomedEIlg,BME一:罗亚非,等编凌阳位单片机应用基础M北京航空航天大学出版社,彭军传感器与检测技术M西安电子科技大学出版社,费兆馥等编中医脉象研究M上海中医学院出版社,强锡富传感器M哈尔滨工业大学出版社,哈尔滨勰q暑,t

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