压电薄膜传感器及其在脉搏和心脏监测中的应用研究和解决方案.docx
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压电薄膜传感器及其在脉搏和心脏监测中的应用研究和解决方案
压电薄膜传感器及其在脉搏和心脏监测中的应用研究和解决方案
篇一：
压电薄膜传感器生命体征
压电薄膜传感器与生命体征监测
——121270036尹思源
一、特点
压电薄膜拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。
一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。
本文将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。
当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。
一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。
因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变（长度的百万分率变化）。
如图：
压电薄膜很薄，质轻，非常柔软，可以无源工作，因此可以广泛应用于医用传感器，尤其是需要探测细微的信号时。
显然，该材料的特点在供电受限的情况下尤为突出（在某些结构中，甚至还可以产生少量的能量）。
而且压电薄膜极其耐用，可以经受数百万次的弯曲和振动。
二、应用
1.接触式传感器
利用压电薄膜的动态应变片特性，可以轻松的将压电薄膜直接固定在人体皮肤上（例如手腕内侧）。
精量电子—美国MEAS传感器的产品型号1001777是一款通用传感器，传感器的一侧涂有压力敏感胶。
但这款胶未经生物兼容性认证，在短期试验中可以将3M9842（聚亚安酯胶带）固定在皮肤上，再将压电薄膜传感器粘贴在3M胶带上。
图2显示出重复握紧和松开物体时压电薄膜传感器的反应，输出振幅为3V左右（开路），或大约250με的动态应力。
压电薄膜之所以既能探测非常微小的物理信号又能感受到大幅度的活动，是因为PVDF膜的压电响应在相当大的动态范围内都是线性的（大约14个数量级）。
多数情况下，只要能明显区分目标信号和噪声的带宽，细小的目标信号都可以通过过滤器采集到。
类似的传感器已在睡眠紊乱研究中用于探测胸部、腿部、眼部肌肉和皮肤的运动。
另外，传感器可以通过探测肌肉（例如拇指和食指之间的肌肉）对电击的反应作为检验麻醉效果的指示器（神经肌肉传导）。
2.加速度传感器
Minisense100是精量电子的一款标准产品，采用悬臂梁设计，一端用硬性PCB板夹紧并带有连接引脚，另一端装有质量块。
质量块使传感器在受到振动时连贯反应。
质量块保持不动，而薄膜部分发生形变，从而产生非常高的电压灵敏度（大约1V/g）。
由这个元件派生出其他生命特征传感器，例如工作人员或病患佩戴的智能胸卡（内置RF遥感设备）。
通过阶段性采集佩戴者的信号来确定其位置和跟踪其状态。
传感器感测到胸卡被摘下时会将胸卡设置成睡眠状态；如果传感器感受到身体任何部位的运动，肌肉的震颤，甚至是脉搏的振动，会唤醒胸卡。
将传感器用一条轻薄而有弹性的绑带固定在胸部，可以“听”到心音的细节。
如果传感器电气接口频率非常低，同时还可以监控呼吸的情况（见图3）。
这个波形图显示呼吸引起的胸腔运动，大约4秒钟一个信号周期；同时也显示出心跳的信号，大概每秒一次（60bpm）。
将滤波器设置为1Hz~10Hz滤除图3波形中的呼吸信号和噪声，可以获得心跳的实时信号（见图4）。
3.听诊器
很多电子听诊器都采用了压电薄膜作为传感器元件，因为它耐用，灵敏度高，带宽范围宽。
在该应用中，传感器元件通常都封装在传统的金属听诊头中，因为传感器需要与身体形成“作用力”。
一旦动态的压力信号转换成电信号，就可以有选择性的过滤或放大、作为音频信号回放、运用更复杂的运算方法判断出具体的状况、或传输到远程基站进行进一步分析存储等。
4.传感器组
一个复合声传感器可以同时监控多个点。
DeepBreeze公司用一个有差不多100个传感器的传感器组采集病人吸气和呼气的声音信息。
用真空罩将传感器贴在皮肤表面。
采集到的信号在加工处理后转换成声音的“图像”，因而气管和肺里的气流可以像动画片一样成像。
任何异物和不正常现象在这些图像中都一目了然。
这种方式比X光可靠，而且安全。
篇二：
压电薄膜的应用
压电薄膜的应用与研究进展
1.压电传感器的原理
压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。
所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。
压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。
2.压电薄膜传感器
20世纪60年代，美国科学家发现在鲸鱼的骨和腱内，存在着微弱的压电效应，于是开始了对其它有可能具有压电效应的有机材料的研究工作。
1969年Kawai（凯沃）发现在极化的含氟聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）中有很高的压电能力，其它材料如尼龙和PVC也都具有压电效应，但没有一种能像PVDF及其共聚物一样呈现出那么高的压电效应。
压电薄膜传感器的特点
PVDF压电薄膜通常很薄，不但柔软、密度低、灵敏度极好，而且还具有很强的机械韧性，其柔顺性比压电陶瓷高出10倍。
可以说是一种柔性、质轻、韧度高的塑料膜，可制成较大面积和多种厚度。
它可以直接贴附在机件表面，而不会影响机件的机械运动，非常适用于需要大带宽和高灵敏度的应变传递。
作为一种执行器件，聚合物很低的声阻抗，使其可以有效的向空气和其它气体中传送能量。
压电薄膜的压电效应和特性参数
共聚物聚偏氟乙烯（PVDF）是一种经特殊加工后能将动能转化成电能的聚合体材料，具有很高的压电性能。
应用此种压电材料制成的传感器，当受到机械冲击或振动时，压电材料原子层的偶极子（氢—氟偶对）的排列顺序被打乱，并试图使其恢复原来的状态，这个偶极子被打乱的结果就是一个电子流的形成而产生电荷，这就是PVDF的压电效应。
此压电效应是可逆的，它可以把机械能转换为电能，也可以把电能转换为机械能。
即当有外载荷施加到传感器上时，就会产生电荷（电压），而当卸去外载荷时，就会产生一个极性相反的信号。
它产生的电压可以相当高，但传感器产生的电流却比较小。
传感器作动器
图1压电效应原理图
如图1所示，像“海绵挤水”一样，当压电薄膜受到压力的作用时，其厚度发生变化，并随之产生了相应的电荷，这些电荷在薄膜的上下电极上积聚，从而产生了与作用力大小相对应的电荷；相反，当给压电薄膜接通变化的电压信号，会使得薄膜的上下运动或振动，从而产生作动力或声音。
图2电荷放大器原理图Vp=1/C×d33×Fp
传感器的压电电荷系数d33即将1N的力垂直作用于传感器工作区上，传感器正负电极输出的电荷量大小。
Fp为垂直施加于传感器表面的作用力。
PVDF压电薄膜具有密度低、材质轻、灵敏度高、机械韧性好等特点，可制成多种厚度和较大面积。
作为一种传感器它的主要特性参数如下：
（1）频带宽：
～109Hz；
（2）动态范围广：
10-8～109Psi（磅/平方英寸）；
（3）声阻抗低：
与水、人体组织和粘胶体系接近；
（4）弹性柔顺性好；
（5）高电压输出：
在同样受载条件下，比压电陶瓷高10倍；
（6）高介电强度：
可耐强电场作用
式中:
C为调整系数,可利用已知重量W的车辆通过压电薄膜轴的试验后确定,C=W/S,S为对应W的信号曲线面积A和车辆速度V的乘积,即S=A×V。
根据试验所得到的波形图,在计算车辆重量的同时也可以计算出车速、轴距和轮距,从而实现动态称重。
1）车速。
2条平行放置的压电薄膜间距L。
已知,当同一根车轴先后通过这两条压电薄膜,会先后产生2个脉冲信号,测出2个脉冲信号上升沿之间的间隔时间Δt,可以得出该车辆的行驶速度V=L/Δt。
2）求轴距和轴数。
当轴数为N的同一辆车的不同车轴先后通过同一条平行放置的压电薄膜时,会产生N个脉冲信号,通过测出前后脉冲信号上升沿之间的间隔时间Δt1,Δt2,…,ΔtN-1,可以分别求出轴距为L1=VΔt1,L2=VΔt2,…,L=VΔt,总轴距为L=L1+L2+…+L,从各轴距判断得出是单轴、双联轴、还是三联轴。
轴数则通过计算产生的脉冲个数得到。
3）轮距和轮数。
倾斜放置的压电薄膜与平行放置的压电薄膜夹角α已知,当同一车轴的两侧轮胎先后通过压电薄膜时,会产生2个不同脉宽的脉冲信号,首先通过测出脉冲信号的宽度,判断出是每侧单轮还是每侧双轮,再测出两脉冲信号上升沿之间的时间间隔Δt’,可以得出轮距为VΔt’;然后再结合轴数,判断出其他轴是每侧单轮还是每侧双轮,对应轮距求法同理。
称重系统程序框图如图4所示:
篇三：
压电传感器SC0073脉搏测量仪设计
大连民族学院机电信息工程学院
自动化系
单片机系统课程设计报告
设计完成日期：
20XX年11月28日
目录
1任务分析和性能指标................................................................................................1
任务分析..............................................................................................................1
性能指标..............................................................................................................1
2总体方案设计............................................................................................................2
硬件方案..............................................................................................................2
传感器..........................................................................................................2
信号处理.....................................................................................................2
单片机.........................................................................................................2
电源.............................................................................................................2
软件方案..............................................................................................................2
3硬件设计与实现........................................................................................................4
前置放大电路......................................................................................................4
二阶有源滤波电路..............................................................................................4
波形整形电路......................................................................................................5
单片机接口电路..................................................................................................6
4软件设计与实现........................................................................................................7
主程序.................................................................................................................7
5调试及性能分析.......................................................................................................8
调试分析............................................................................................................8
总结...........................................................................................................................9
参考文献.....................................................................................................................10
附录1元器件清单....................................................................................................11
附录2调试系统照片................................................................................................12
附录3源代码.............................................................................................................13
1任务分析和性能指标
任务分析
医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。
为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。
为了提高脉搏测量的精确与速度，多种脉搏测量仪被运用到医学上来，从而开辟了一条全新的医学诊断方法。
随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器的研究。
动态微压传感器是一种高性能、低成本的压电式小型压力传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，在经传感器内部放大电路转换成电压输出。
该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击波能力强，抗干扰性好、操作简便、体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。
但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号,脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,因此必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。
性能指标
系统能准确测量人的脉搏次数，一分钟误差不超过1次，有直观的显示系统。
系统要求有自己设计电路部分。
2总体方案设计
硬件方案
本系统主要由动态微压传感器、脉搏信号调理模块、51单片机组成。
其中模块信号调理模块包括信号低通滤波电路、基于LM358的信号放大电路、基于LM339的信号整形电路。
传感器
SC0073脉搏传感器，该传感器采用压电复合材料作为换能元件，信号通过特殊的匹配层传递到换能元件上变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压信号输出。
该传感器是一种高性能低成本的振动传感器，具有灵敏度高、频率响应范围宽、抗过载及冲击能力强、抗干扰性好、操作简便等特点。
通过测试该型号传感器性能基本满足条件。
信号处理
由于从传感器输出的脉搏信号十分微弱而且有用信号容易淹没在噪声信号中，因此需要对采集到的原始脉搏信号进行放大和滤波等处理，将信号转化成TTL电平信号送给单片机处理。
单片机
将处理好的信号接到单片机，通过定时器定时对脉冲信号计数，经过计算处理后送给数码管显示。
电源
即向脉搏传感器、信号处理电路、单片机提供的电源，可以是5-12V直流的电源经过稳压电路送给系统。
软件方案
统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行,它是单片机系统程序的框架。
系统上电后,对系统进行初始化。
初始化程序主要完成对单片机内专用寄
存器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。
系统初始化之后,进行定时器中断、外部中断、显示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。
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