基于PVDF的心率傳感器設計

羅衍鑫 張森 鞏建福 劉賢輝

摘 要：根據PVDF的應變傳感機理，設計了一種測量心率信號的系統。可調放大電路可以根據因人而異的心率跳動強弱，調節輸出信號強度。兩個濾波電路可以有效的將雜波濾除，增強了傳感器的靈敏度和精確度，并且對傳感器的實際應用效果進行了仿真工作。實驗表明，該電路具有較好的靈敏度和穩定性，能準確獲得心率信號。

關鍵詞：PVDF；心率檢測；傳感器電路

聚偏氟乙烯（PVDF或PVF2）結構如圖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”被譽為“21世紀最有發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，因此世界上對壓電薄膜領域的需求越來越大，如日本旭化成、日本東麗、西門子、歐美環境等公司主導著大多數PVDF膜產品。

1 PVDF傳感機理

PVDF薄膜當接受到外界的振動時，壓電膜就會產生壓電效應。該壓電效應是可逆的：當外荷載施加到薄膜上時， 就會產生電壓；當卸去外荷載時，就會產生極性相反的信號。

2 傳感器電路設計

信號處理系統首先要經過PVDF振動后產生一系列的微弱電信號，經過可調節放大倍數的放大電路將微弱的電信號放大為示波器可以顯示的信號。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，輸出穩定準確的信號。

2.1 放大電路

被測信號的幅值為毫伏級，所以放大電路要將被測信號放大1000倍左右，由集成運放U4A組成放大電路。

由于每人的脈搏信號強弱也有不同，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采用滑動變阻器，通過調節其電阻，可以改變放大器的放大倍數。

2.2 濾波電路

大多數人的心臟跳動頻率在0.2-5Hz之間，所以設計一個帶通濾波器濾掉多余的雜波是很有必要的。一個多路負反饋二階有源帶通濾波器，它使用單個通用運算放大器接成單電源供電方式，易于實現。

3 仿真結果

圖5是用示波器測量的實際脈搏信號，對比實際脈搏信號和仿真的實驗結果可以看出，每當脈搏處在一個峰值階段的時候，脈沖輸出就進行一個計數，由此可以得到一個周期內的脈搏數，由此來分析人體健康狀況。

4 結論

文章基于PVDF壓電薄膜設計了傳感器調理電路，電路包括可調放大電路，濾波電路和整形電路。仿真結果表明，此傳感器調理電路能夠很好的實現預期的目標，能夠很好的跟蹤心率的波動來產生脈沖輸出，具有較好的抗干擾性和線性度。可用于心率檢測和體育測試，適用范圍廣，有效范圍大，具有良好的實用性和可靠性。

參考文獻：

[1] 辛毅，楊慶雨，鄭浩田，蔣琪.PVDF觸滑覺傳感器結構及其調理電路設計[J].壓電與聲光， 2014，36（1）：76-78.

[2] 舒方法，石俊.基于PVDF壓電薄膜的脈搏測量系統研究[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的呼吸信號檢測腰帶研究[J].壓電與聲光，2014，36（1）：72-75.

作者簡介：

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。