- PVDF壓電薄膜在足底壓力測量中的應用
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2015/4/13
摘 要:根據測量的需要,該文將聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜應用于足底壓力測量。以16點PVDF壓電薄膜傳感器陣列為例,詳細介紹了PVDF壓電薄膜的工作原理及其傳感器陣列的制作過程,并設計出相應的信號調理電路,給出了實驗測試結果。實驗表明,PVDF壓電薄膜具有較好的靈敏度、穩定性及重復性,能可靠采集到足底壓力信號,適合于足底壓力測量。
關鍵詞:聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜;足底壓力測量;信號調理
Application of PVDF Piezoelectric-film to Foot-pressure Measurement
Abstract:Based on the requirement of measurement,PVDF piezoelectric-film was applied to foot-pressure measurement.Taking the 16-point PVDF piezoelectric-film sensor array as example,the working principle of the PVDF piezoelectric-film and the producing process of its sensor array were introduced in detail,and the design of its signal processing circuit was also discussed,and the result of experiment was presented.The experiment indicated that the PVDF piezoelectric-film had better sensitivity,stablization and repeatability,and it could obtain reliable foot-pressure signal.It confirmed that the PVDF piezoelectric-film was suitable to foot-pressure measurement.
Key words:
PVDF piezoelectric-film;foot-pressure measurement;signal processing circuit
足部關聯著人體的五臟六腑和各個器官,被稱為“人的第二心臟”。測量、分析足底的壓力可知不同足底壓力分布特征和模式,這對臨床醫學診斷、疾患程度測定、術后療效評價、生物力學及康復救治、體育訓練和功能鞋的設計研究有重要意義。因此,在20世紀末,發達國家均加快了足底壓力測量工具的研制。
目前,測試鞋或鞋墊將成為足底壓力測量的主流工具。在研制測試鞋或鞋墊時,選合適的傳感元件很重要。對于可在足底壓力測量的理想傳感器,應能測量壓力分布,對接觸測量影響小,具有高的測量靈敏度,且滿足動態測試要求。現有的接觸壓力傳感器大都為單點,且體積較大,難滿足測量要求。
目前所研制的測試鞋或鞋墊采用的傳感元件主要以導電橡膠和應變片為主。由于導電橡膠材料對變形恢復有滯后效應,不能適應往復壓力變化,特別是動態力的測試,因此系統的穩定性和重復性遭受質疑。
而使用應變片作為傳感元件,其引線易脫落,因此解決引線問題成為設計過程中面臨的最大難題。聚偏氟乙烯(PVDF)是一種新興的高分子材料。1969年,Kawai發現經過高倍率拉伸、高電場下極化以及真空蒸發金屬電極后的PVDF薄膜具有明顯的壓電特性。經過幾十年的基礎與應用研究,PVDF的性能獲得了明顯提高。近年來,PVDF在測試領域得到了廣泛的應用。它與傳統的壓電材料相比,具有頻響寬,動態范圍大,力電轉換靈敏度高,機械性能強度高,膜輕且柔韌,穩定性及重復性好等優點,易制成不同形狀的傳感器陣列。本文將PVDF壓電薄膜應用于足底壓力測量,詳細介紹了PVDF壓電薄膜的工作原理,并以16點PVDF壓電薄膜陣列傳感器為例,介紹了PVDF壓電薄膜陣列傳感器的制作過程以及調理電路的設計,并給出了試驗測試結果,為足底壓力測量創造了條件。
1 PVDF壓電薄膜的工作原理
當PVDF壓電薄膜被加載外力時,它的上下兩個表面會產生極性相反、大小相等的電荷,可以把它看成是二極板上聚集異性電荷,中間為絕緣體的電容器。當PVDF壓電薄膜受力后,輸出電荷與外力間的關系為
式中，qi為薄膜單位面積輸出的電荷;Qj為薄膜承受的應力;Fj為薄膜承受的外力;Qi為薄膜總的輸出電荷;dij為薄膜的壓電應變常數。
當二個極板聚集一定電荷時,極板間存在一定的電壓
式中q為極板上聚集的電荷量;Ca為PVDF壓電薄膜兩個表面間的等效電容。所以,可以把PVDF壓電薄膜看成是一個等效電荷源和一個電容器相并聯,如圖1(a)所示。在實際測量中,PVDF壓電薄膜傳感器還必須考慮外接電路的電容和電阻,因此,PVDF壓電薄膜傳感器的實際等效電路[4]如圖1(b)所示。在此等效電路中,傳感器的絕緣電阻與前置放大器的輸入電阻相并聯,為了保證傳感器的低頻響應,盡量減少靜態測量誤差,要求傳感器的絕緣電阻應保持在1 013Ψ以上,才能使電荷泄露減少到滿足精度要求。同時前置放大器要有較大的輸入電阻,以防止傳感器的電荷通過輸入電路泄露。
2 PVDF壓電薄膜傳感器制作及調理電路設計
2.1 PVDF壓電薄膜傳感器的制作
本文采用的北京賽斯維測控PVDF壓電薄膜的厚度為100μm,單點面積為5 mm×5 mm,共16點,成陣列分布,按從左至右,由上向下的順序進行編號,依次為1、2、…、16,如圖2所示。由于PVDF薄膜厚僅100μm,因此引線問題成為一大難題。本文采用在絕緣薄膜基底上光刻銅制柵線的方法來制作引線,將柵線作為信號引出端,并通過接插元件與多路模擬開關連接。由于PVDF壓電薄膜傳感器屬于高內阻、弱信號的傳感器,在設計時稍有疏忽就會有很大的干擾信號[3],因此本文將傳感器陣列設計成夾心式多層結構,使它具有良好的絕緣性和屏蔽性,如圖2所示。其制作過程如下:
(1)將面積為5 mm×5 mm的PVDF壓電薄膜嵌入絕緣薄膜上的空格內,如圖2(b)所示。
(2)PVDF壓電薄膜的兩面分別與頂、底層的光刻電極相連接,連接材料為銀粉導電膠,同時在絕緣薄膜的空白處涂上502粘合劑,干燥幾分鐘后,迅速將三層粘合在一起,粘合后的陣列傳感器如圖2(d)所示。
(3)采用數字萬用表檢測傳感器陣列是否短路。盡管采用多層結構,傳感器的總體厚度也小于2mm。
圖2 PVDF壓電薄膜陣列傳感器結構
2.2 電荷放大裝置的設計
由于傳感器受壓力應力后會有電荷產生,電荷量不能直接測量,必須經電荷放大裝置將電荷信號轉換成電壓信號才能進行采集。通常商品電荷放大器較貴,且用于多點測量時很難對信號源電荷進行切換而共用一個電荷放大器,因此設計簡單的直接與傳感器相聯接的電荷放大裝置是進行多點測量的關鍵。本文設計的電荷放大裝置是由運算放大器集成元件組成的二級放大裝置,如圖3所示。
電荷放大器主要有兩個作用:
(1)與PVDF壓電薄膜傳感器阻抗匹配,把高阻抗輸入變為低阻抗輸出。
(2)將微弱電荷轉換成電壓信號并放大。由于PVDF壓電薄膜在受力作用下產生的電荷易通過放電回路泄露,產生測量誤差。因此,為了減少測量誤差,在設計電荷放大裝置時,必須提高測量回路的時間常數。提高放電時間常數有增加回路電容和提高
回路電阻兩種途徑。但通過增加回路電容來增加時間常數,將會降低PVDF壓電薄膜傳感器的靈敏度。為此,本文通過在回路中接入輸入阻抗很高的前置放大器,以提高回路的時間常數。
圖3 電荷放大裝置
第一級是一個帶電容反饋的高輸入阻抗和高增益的運算放大器,通常商用電荷放大器的第一級采用場效應管,以提高輸入阻抗滿足傳感器要求,對于PVDF表面,雖然絕緣內阻高達1TΩ,但在動態力作用下,當頻率為10～100 Hz時,其內阻降至100～10MΩ,這樣輸入端就不必用場效應管。本文選用CA3140高輸入阻抗運算放大器,反饋電容C1=0.1μF,反饋電阻R1=15MΩ,其低頻下限為0.1Hz。PVDF壓電薄膜傳感器受力產生的電荷,經電荷放大裝置可產生毫伏級的電壓,因此需要一個電壓放大級實現信號的放大。電壓放大級為一個標準的運算放大電路。
2.3 去噪設計
系統的噪聲主要有元器件噪聲、市電50Hz噪聲及PVDF對電磁信號響應引起的噪聲及溫度變化導致PVDF產生的熱電效應噪聲。對不同的噪聲,采取不同的濾除和抑制措施。對元器件噪聲的抑制,主要是選擇低噪聲的前置運放,電阻選用0.1%的高精度金屬膜電阻,電容選用鉭電容。對市電噪聲采取了硬件工頻陷波和軟件濾波并用的措施,利用數字濾波技術,對工頻干擾信號的抑制效果較好。對電磁信號抑制主要采取了兩種方法:
(1)對信號線進行屏蔽。
(2)設計4階巴特沃斯低通濾波器,截止頻率為100 Hz。因PVDF產生的熱電噪聲信號頻率在0.5 Hz以下,故本文設計了一個下限頻率為0.5 Hz的高通數字濾波器,以濾除熱電效應噪聲。
3 實驗與結果
本實驗設計的測量系統主要由控制模塊、切換電路模塊、調理電路模塊及采集存儲顯示模塊組成。控制模塊采用AT89C51單片機作為主控制單元。
系統的工作原理是在單片機的控制下,由切換電路完成對傳感單元的選擇,被選擇的PVDF壓電薄膜傳感器經電荷-電壓轉換及相應的信號調理電路變成0～5V的電壓信號,再經過AD7820進行模數轉換,轉換結果通過AT89C51暫存于片外存儲單元(本文采用靜態RAM芯片62256),并在檢測完畢后,通過RS232串行通信接口傳送到計算機進行處理與顯示。測量系統的結構框圖如圖4所示。
數據采集和模數轉換是借助DP-51PROC單片機綜合仿真實驗儀來完成的。采集的數據通過RS-232串口通信傳送至計算機進行處理與顯示。本文用VC+ +6.0編程實現串口通信,并進行數據處理。測試時,由人體足底前掌部對傳感器陣列施加一動態壓力,經過數據處理,可獲取每只傳感器對應的壓力曲線。圖5為某一時刻,第1只PVDF壓電薄膜傳感器(位于第5跖骨)對應的壓力曲線。僅從圖形上相比較,該結果與文獻記載的足底壓力曲線相似。一旦對PVDF壓電薄膜進行標定,便能準確測量出該部位在任一時刻的壓力大小。
4 結束語
PVDF壓電薄膜具有頻響寬,靈敏度高,膜輕且柔韌,穩定性及重復性好等優點,近幾年在測試領域得到了廣泛的應用。本文將PVDF壓電薄膜制作成16點傳感器陣列應用到足底壓力測量,采集到的壓力曲線可靠,效果良好,為進行精確的足底壓力測量創造了條件。（作者：舒方法、姜壽山、張欣、馬莉）
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