摘 要:根據(jù)測(cè)量的需要,該文將聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜應(yīng)用于足底壓力測(cè)量。以16點(diǎn)PVDF壓電薄膜傳感器陣列為例,詳細(xì)介紹了PVDF壓電薄膜的工作原理及其傳感器陣列的制作過(guò)程,并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路,給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明,PVDF壓電薄膜具有較好的靈敏度、穩(wěn)定性及重復(fù)性,能可靠采集到足底壓力信號(hào),適合于足底壓力測(cè)量。
關(guān)鍵詞:聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜;足底壓力測(cè)量;信號(hào)調(diào)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(guān)聯(lián)著人體的五臟六腑和各個(gè)器官,被稱(chēng)為“人的第二心臟”。測(cè)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(duì)臨床醫(yī)學(xué)診斷、疾患程度測(cè)定、術(shù)后療效評(píng)價(jià)、生物力學(xué)及康復(fù)救治、體育訓(xùn)練和功能鞋的設(shè)計(jì)研究有重要意義。因此,在20世紀(jì)末,發(fā)達(dá)國(guó)家均加快了足底壓力測(cè)量工具的研制。
目前,測(cè)試鞋或鞋墊將成為足底壓力測(cè)量的主流工具。在研制測(cè)試鞋或鞋墊時(shí),選合適的傳感元件很重要。對(duì)于可在足底壓力測(cè)量的理想傳感器,應(yīng)能測(cè)量壓力分布,對(duì)接觸測(cè)量影響小,具有高的測(cè)量靈敏度,且滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)測(cè)試要求。現(xiàn)有的接觸壓力傳感器大都為單點(diǎn),且體積較大,難滿(mǎn)足測(cè)量要求。
目前所研制的測(cè)試鞋或鞋墊采用的傳感元件主要以導(dǎo)電橡膠和應(yīng)變片為主。由于導(dǎo)電橡膠材料對(duì)變形恢復(fù)有滯后效應(yīng),不能適應(yīng)往復(fù)壓力變化,特別是動(dòng)態(tài)力的測(cè)試,因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性遭受質(zhì)疑。
而使用應(yīng)變片作為傳感元件,其引線易脫落,因此解決引線問(wèn)題成為設(shè)計(jì)過(guò)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(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)高倍率拉伸、高電場(chǎng)下極化以及真空蒸發(fā)金屬電極后的PVDF薄膜具有明顯的壓電特性。經(jīng)過(guò)幾十年的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究,PVDF的性能獲得了明顯提高。近年來(lái),PVDF在測(cè)試領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它與傳統(tǒng)的壓電材料相比,具有頻響寬,動(dòng)態(tài)范圍大,力電轉(zhuǎn)換靈敏度高,機(jī)械性能強(qiáng)度高,膜輕且柔韌,穩(wěn)定性及重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),易制成不同形狀的傳感器陣列。本文將PVDF壓電薄膜應(yīng)用于足底壓力測(cè)量,詳細(xì)介紹了PVDF壓電薄膜的工作原理,并以16點(diǎn)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(guò)程以及調(diào)理電路的設(shè)計(jì),并給出了試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,為足底壓力測(cè)量創(chuàng)造了條件。
1 PVDF壓電薄膜的工作原理
當(dāng)PVDF壓電薄膜被加載外力時(shí),它的上下兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)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(dāng)PVDF壓電薄膜受力后,輸出電荷與外力間的關(guān)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(yīng)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(yīng)變常數(shù)。
當(dāng)二個(gè)極板聚集一定電荷時(shí),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(gè)表面間的等效電容。所以,可以把PVDF壓電薄膜看成是一個(gè)等效電荷源和一個(gè)電容器相并聯(lián),如圖1(a)所示。在實(shí)際測(cè)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(shí)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(lián),為了保證傳感器的低頻響應(yīng),盡量減少靜態(tài)測(cè)量誤差,要求傳感器的絕緣電阻應(yīng)保持在1 013Ψ以上,才能使電荷泄露減少到滿(mǎn)足精度要求。同時(shí)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(guò)輸入電路泄露。
2 PVDF壓電薄膜傳感器制作及調(diào)理電路設(shè)計(jì)
2.1 PVDF壓電薄膜傳感器的制作
本文采用的北京賽斯維測(cè)控PVDF壓電薄膜的厚度為100μm,單點(diǎn)面積為5 mm×5 mm,共16點(diǎn),成陣列分布,按從左至右,由上向下的順序進(jìn)行編號(hào),依次為1、2、…、16,如圖2所示。由于PVDF薄膜厚僅100μm,因此引線問(wèn)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(lái)制作引線,將柵線作為信號(hào)引出端,并通過(guò)接插元件與多路模擬開(kāi)關(guān)連接。由于PVDF壓電薄膜傳感器屬于高內(nèi)阻、弱信號(hào)的傳感器,在設(shè)計(jì)時(shí)稍有疏忽就會(huì)有很大的干擾信號(hào)[3],因此本文將傳感器陣列設(shè)計(jì)成夾心式多層結(jié)構(gòu),使它具有良好的絕緣性和屏蔽性,如圖2所示。其制作過(guò)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(nèi),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(dǎo)電膠,同時(shí)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(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)傳感器陣列是否短路。盡管采用多層結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)
2.2 電荷放大裝置的設(shè)計(jì)
由于傳感器受壓力應(yīng)力后會(huì)有電荷產(chǎn)生,電荷量不能直接測(cè)量,必須經(jīng)電荷放大裝置將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)才能進(jìn)行采集。通常商品電荷放大器較貴,且用于多點(diǎn)測(cè)量時(shí)很難對(duì)信號(hào)源電荷進(jìn)行切換而共用一個(gè)電荷放大器,因此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的直接與傳感器相聯(lián)接的電荷放大裝置是進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)的電荷放大裝置是由運(yùn)算放大器集成元件組成的二級(jí)放大裝置,如圖3所示。
電荷放大器主要有兩個(gè)作用:
(1)與PVDF壓電薄膜傳感器阻抗匹配,把高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵觥?br> (2)將微弱電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大。由于PVDF壓電薄膜在受力作用下產(chǎn)生的電荷易通過(guò)放電回路泄露,產(chǎn)生測(cè)量誤差。因此,為了減少測(cè)量誤差,在設(shè)計(jì)電荷放大裝置時(shí),必須提高測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)。提高放電時(shí)間常數(shù)有增加回路電容和提高
回路電阻兩種途徑。但通過(guò)增加回路電容來(lái)增加時(shí)間常數(shù),將會(huì)降低PVDF壓電薄膜傳感器的靈敏度。為此,本文通過(guò)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(shí)間常數(shù)。
圖3 電荷放大裝置
第一級(jí)是一個(gè)帶電容反饋的高輸入阻抗和高增益的運(yùn)算放大器,通常商用電荷放大器的第一級(jí)采用場(chǎng)效應(yīng)管,以提高輸入阻抗?jié)M足傳感器要求,對(duì)于PVDF表面,雖然絕緣內(nèi)阻高達(dá)1TΩ,但在動(dòng)態(tài)力作用下,當(dāng)頻率為10～100 Hz時(shí),其內(nèi)阻降至100～10MΩ,這樣輸入端就不必用場(chǎng)效應(yīng)管。本文選用CA3140高輸入阻抗運(yùn)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(chǎn)生的電荷,經(jīng)電荷放大裝置可產(chǎn)生毫伏級(jí)的電壓,因此需要一個(gè)電壓放大級(jí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。電壓放大級(jí)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算放大電路。
2.3 去噪設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的噪聲主要有元器件噪聲、市電50Hz噪聲及PVDF對(duì)電磁信號(hào)響應(yīng)引起的噪聲及溫度變化導(dǎo)致PVDF產(chǎn)生的熱電效應(yīng)噪聲。對(duì)不同的噪聲,采取不同的濾除和抑制措施。對(duì)元器件噪聲的抑制,主要是選擇低噪聲的前置運(yùn)放,電阻選用0.1%的高精度金屬膜電阻,電容選用鉭電容。對(duì)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(shù)字濾波技術(shù),對(duì)工頻干擾信號(hào)的抑制效果較好。對(duì)電磁信號(hào)抑制主要采取了兩種方法:
(1)對(duì)信號(hào)線進(jìn)行屏蔽。
(2)設(shè)計(jì)4階巴特沃斯低通濾波器,截止頻率為100 Hz。因PVDF產(chǎn)生的熱電噪聲信號(hào)頻率在0.5 Hz以下,故本文設(shè)計(jì)了一個(gè)下限頻率為0.5 Hz的高通數(shù)字濾波器,以濾除熱電效應(yīng)噪聲。
3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)主要由控制模塊、切換電路模塊、調(diào)理電路模塊及采集存儲(chǔ)顯示模塊組成。控制模塊采用AT89C51單片機(jī)作為主控制單元。
系統(tǒng)的工作原理是在單片機(jī)的控制下,由切換電路完成對(duì)傳感單元的選擇,被選擇的PVDF壓電薄膜傳感器經(jīng)電荷-電壓轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路變成0～5V的電壓信號(hào),再經(jīng)過(guò)AD7820進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)AT89C51暫存于片外存儲(chǔ)單元(本文采用靜態(tài)RAM芯片62256),并在檢測(cè)完畢后,通過(guò)RS232串行通信接口傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理與顯示。測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換是借助DP-51PROC單片機(jī)綜合仿真實(shí)驗(yàn)儀來(lái)完成的。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232串口通信傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理與顯示。本文用VC+ +6.0編程實(shí)現(xiàn)串口通信,并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。測(cè)試時(shí),由人體足底前掌部對(duì)傳感器陣列施加一動(dòng)態(tài)壓力,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理,可獲取每只傳感器對(duì)應(yīng)的壓力曲線。圖5為某一時(shí)刻,第1只PVDF壓電薄膜傳感器(位于第5跖骨)對(duì)應(yīng)的壓力曲線。僅從圖形上相比較,該結(jié)果與文獻(xiàn)記載的足底壓力曲線相似。一旦對(duì)PVDF壓電薄膜進(jìn)行標(biāo)定,便能準(zhǔn)確測(cè)量出該部位在任一時(shí)刻的壓力大小。
4 結(jié)束語(yǔ)
PVDF壓電薄膜具有頻響寬,靈敏度高,膜輕且柔韌,穩(wěn)定性及重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),近幾年在測(cè)試領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文將PVDF壓電薄膜制作成16點(diǎn)傳感器陣列應(yīng)用到足底壓力測(cè)量,采集到的壓力曲線可靠,效果良好,為進(jìn)行精確的足底壓力測(cè)量創(chuàng)造了條件。（作者：舒方法、姜壽山、張欣、馬莉）
