基于PVDF的心率傳感器設(shè)計(jì)

羅衍鑫 張森 鞏建福 劉賢輝

摘 要：根據(jù)PVDF的應(yīng)變傳感機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種測(cè)量心率信號(hào)的系統(tǒng)。可調(diào)放大電路可以根據(jù)因人而異的心率跳動(dòng)強(qiáng)弱，調(diào)節(jié)輸出信號(hào)強(qiáng)度。兩個(gè)濾波電路可以有效的將雜波濾除，增強(qiáng)了傳感器的靈敏度和精確度，并且對(duì)傳感器的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了仿真工作。實(shí)驗(yàn)表明，該電路具有較好的靈敏度和穩(wěn)定性，能準(zhǔn)確獲得心率信號(hào)。

關(guān)鍵詞：PVDF；心率檢測(cè)；傳感器電路

聚偏氟乙烯（PVDF或PVF2）結(jié)構(gòu)如圖1，Kynar PVDF均聚物， Kynar Flex和Kynar power Flex共聚物：（PVDF-HFP）共聚物—HFP的含量和分布可以被剪裁，如圖2。

而“膜”被譽(yù)為“21世紀(jì)最有發(fā)展前途的高科技之一”。PVDF因其良好的耐溶性、疏水性、壓電性等性能，因此世界上對(duì)壓電薄膜領(lǐng)域的需求越來越大，如日本旭化成、日本東麗、西門子、歐美環(huán)境等公司主導(dǎo)著大多數(shù)PVDF膜產(chǎn)品。

1 PVDF傳感機(jī)理

PVDF薄膜當(dāng)接受到外界的振動(dòng)時(shí)，壓電膜就會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。該壓電效應(yīng)是可逆的：當(dāng)外荷載施加到薄膜上時(shí)， 就會(huì)產(chǎn)生電壓；當(dāng)卸去外荷載時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生極性相反的信號(hào)。

2 傳感器電路設(shè)計(jì)

信號(hào)處理系統(tǒng)首先要經(jīng)過PVDF振動(dòng)后產(chǎn)生一系列的微弱電信號(hào)，經(jīng)過可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的放大電路將微弱的電信號(hào)放大為示波器可以顯示的信號(hào)。正常人的心率一般在0.2-5Hz之間。所以，我們還要過濾掉50Hz的工頻信號(hào)，輸出穩(wěn)定準(zhǔn)確的信號(hào)。

2.1 放大電路

被測(cè)信號(hào)的幅值為毫伏級(jí)，所以放大電路要將被測(cè)信號(hào)放大1000倍左右，由集成運(yùn)放U4A組成放大電路。

由于每人的脈搏信號(hào)強(qiáng)弱也有不同，反映在示波器中的波形幅值也不同，為了使該傳感器有較大的適用范圍，R1采用滑動(dòng)變阻器，通過調(diào)節(jié)其電阻，可以改變放大器的放大倍數(shù)。

2.2 濾波電路

大多數(shù)人的心臟跳動(dòng)頻率在0.2-5Hz之間，所以設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器濾掉多余的雜波是很有必要的。一個(gè)多路負(fù)反饋二階有源帶通濾波器，它使用單個(gè)通用運(yùn)算放大器接成單電源供電方式，易于實(shí)現(xiàn)。

3 仿真結(jié)果

圖5是用示波器測(cè)量的實(shí)際脈搏信號(hào)，對(duì)比實(shí)際脈搏信號(hào)和仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，每當(dāng)脈搏處在一個(gè)峰值階段的時(shí)候，脈沖輸出就進(jìn)行一個(gè)計(jì)數(shù)，由此可以得到一個(gè)周期內(nèi)的脈搏數(shù)，由此來分析人體健康狀況。

4 結(jié)論

文章基于PVDF壓電薄膜設(shè)計(jì)了傳感器調(diào)理電路，電路包括可調(diào)放大電路，濾波電路和整形電路。仿真結(jié)果表明，此傳感器調(diào)理電路能夠很好的實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)，能夠很好的跟蹤心率的波動(dòng)來產(chǎn)生脈沖輸出，具有較好的抗干擾性和線性度。可用于心率檢測(cè)和體育測(cè)試，適用范圍廣，有效范圍大，具有良好的實(shí)用性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 辛毅，楊慶雨，鄭浩田，蔣琪.PVDF觸滑覺傳感器結(jié)構(gòu)及其調(diào)理電路設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光， 2014，36（1）：76-78.

[2] 舒方法，石俊.基于PVDF壓電薄膜的脈搏測(cè)量系統(tǒng)研究[J].壓電與聲光，2008，30（1）： 12 4-126.

[3] 凌振寶，齊曉慧，李偉娜，辛毅，蔡靖.基于PVDF的呼吸信號(hào)檢測(cè)腰帶研究[J].壓電與聲光，2014，36（1）：72-75.

作者簡(jiǎn)介：

羅衍鑫（1990-），男，山東鄆城縣人，碩士研究生在讀，主要研究方向：無線通信技術(shù)。