史 源,紀(jì)林海,陳春紅,吳 文
(1.南京理工大學(xué)電光學(xué)院,江蘇 南京, 210094;2.淮海工學(xué)院電子工程學(xué)院,江蘇 連云港, 222005)
隨著社會的發(fā)展和生活水平的提高,人們對健康的關(guān)注也越來越多,希望能實(shí)時準(zhǔn)確地了解自身的健康狀態(tài)。從古至今,中醫(yī)學(xué)講究望聞問切,其中“切”就指的是診脈,通過解讀人體的脈搏信號能夠探測出很多生理疾病,反映出人的身體健康狀態(tài),可見人體的脈搏信號特征是何其的重要。目前,各大醫(yī)院用的脈搏測試儀器大多為國外生產(chǎn)廠商提供,產(chǎn)品對進(jìn)口的依賴較高,也成為醫(yī)療器械價格居高不下的一個原因。國產(chǎn)類似型號的產(chǎn)品一般可以分為三類:一是使用壓電陶瓷或石英晶體材料制作[1],體積較大,波形不完整,靈敏度一般;二是使用光電耦合來制作[2],器械容易損壞,體積大,靈敏度不高,常用于工業(yè)測量;三是使用壓電薄膜材料來制作[3],但由于前段敏感部分機(jī)械結(jié)構(gòu)性能不穩(wěn)定等原因,測試輸出波形效果不理想。
本文旨在使用一種新型的壓電薄膜材料研制更加小巧、穩(wěn)定、實(shí)用的脈搏傳感器。在前端拾取信號的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面,采用了比較新穎的鼓式振動結(jié)構(gòu),從而可以提高拾取微弱脈搏信號的能力,靈敏度更高,大大地降低了后續(xù)信號處理的難度和電路的復(fù)雜度。在后續(xù)信號處理的電路中主要采用模擬放大器和濾波器的設(shè)計,將比較大的50 Hz 市電噪聲、外界的高頻干擾和人體的抖動產(chǎn)生的噪聲濾除,獲取比較純凈的模擬脈搏信號,再經(jīng)過波形轉(zhuǎn)換電路的處理,從而實(shí)現(xiàn)了脈搏模擬信號和脈沖方波的輸出。
壓電式傳感器是一種以某物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的傳感器。當(dāng)這些物質(zhì)材料表面因受力產(chǎn)生形變時,他的表面就會有大量電荷產(chǎn)生,從而實(shí)現(xiàn)非電量與電量間的轉(zhuǎn)換。
(1)壓電石英晶體
壓電石英晶體是最具代表性并較早發(fā)現(xiàn)的天然壓電材料。它的結(jié)構(gòu)為中間是六棱柱,兩端呈六棱錐體的結(jié)構(gòu),如圖1所示。
圖1 石英晶體的形狀
如圖2所示,壓電材料在受到外力的作用后,發(fā)生形變,并且在其對應(yīng)面上引起正負(fù)電荷中心的相對位移而產(chǎn)生極化的現(xiàn)象。左圖顯示的是當(dāng)無外力作用到壓電材料的表面時,正負(fù)電荷中心相互重合,晶體表面電荷為0。當(dāng)受到擠壓時,由于表面形變使得正負(fù)電荷的中心不再重合,材料表面就出現(xiàn)極化現(xiàn)象。
圖2 壓電材料受外力作用
石英晶體的壓電常數(shù)比較低,具有很好的機(jī)械強(qiáng)度和時間及溫度的穩(wěn)定性,常用于精確度和穩(wěn)定性要求較高的場合[4]。
(2)壓電陶瓷
壓電陶瓷壓電材料就是人工燒制成的陶瓷微晶材料。其中鈦酸鋇(barium titanate,BaTiO3)和鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate ,PZT)是應(yīng)用最廣的壓電陶瓷[5]。
圖3所示是鈦酸鋇或鋯酸鉛晶體結(jié)構(gòu)圖。立方體的八角是帶負(fù)電的氧離子,立方體的六個表面的中心是帶正電的鉛離子,正4 價的鋯或鈦離子(Ti4+,Zr4+)居于正立方體的正中心。由圖可知,正負(fù)離子的重心是重合的,晶體表面電荷為零。
壓電陶瓷的壓電常數(shù)大,靈敏度高,造價低廉。
圖3 PZT 晶格結(jié)構(gòu)
(3)壓電有機(jī)聚合材料
壓電聚合物材料主要有壓電半導(dǎo)體和有機(jī)壓電薄膜等。有機(jī)壓電薄膜是由某高分子聚合物,經(jīng)延展拉伸擠壓和電場極化后形成的具有壓電特性的薄膜。圖4是具有微晶結(jié)構(gòu)的聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride ,PVDF)的晶型結(jié)構(gòu)示意圖。由其結(jié)構(gòu)可知F 原子和H 原子的空間分布是不對稱的,因而PVDF 具有很強(qiáng)的電偶極性傾向[5]。有機(jī)壓電薄膜具有機(jī)械強(qiáng)度高、較柔軟、不易破碎、易于加工成薄膜、能夠耐沖擊、造價低廉、不易受水和化學(xué)藥品的污染等優(yōu)點(diǎn)。
圖4 PVDF的兩種晶型結(jié)構(gòu)
表1 常見的三種壓電材料的性能比較
綜合比較表1 中數(shù)據(jù),PVDF的性能介于壓電陶瓷和壓電石英晶體之間。介電常數(shù)比石英高,但比起PZT 就低很多了,壓電電壓系數(shù)中PVDF是最高的。又由于PVDF 變力響應(yīng)靈敏度高、單位體積能獲得大的輸出功率、能緊貼皮膚,使得脈搏信號通過薄膜而不失真、能滿足脈搏信號的頻率特性[6]。所以本設(shè)計選用PVDF 材料制作脈搏傳感器。
一款微弱生物脈搏信號傳感器性能的好壞,在很大程度上取決于換能器的材料以及傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,在上一節(jié)中對壓電材料進(jìn)行了詳細(xì)的比較,在本款脈搏傳感器的制作上選用了性能比較好的PVDF 壓電薄膜材料,在本節(jié)中將詳細(xì)介紹本傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計,采用了鼓式振動的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計理念,從而獲得了較好的換能效果。
采用四層PVDF 壓電薄膜材料制作的脈搏傳感器,中間層位金屬薄片,具有良好的導(dǎo)電特性,在輸出引線端設(shè)計方面,采用鉚釘將PVDF 材料、夾層金屬薄片、輸出引線固定在一起,從而實(shí)現(xiàn)了較為良好的換能輸出效果。傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,如圖5所示,采用厚度約為2 mm的塑料硬質(zhì)襯底,以減少手臂的震動干擾。在硬質(zhì)襯底與壓電薄膜之間填充軟質(zhì)材料,同時將壓電材料產(chǎn)生形變,做成拋物球面,使得最低點(diǎn)能夠與人體手腕處脈搏有效地接觸,增加靈敏度。
圖5 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
在日常生活中,常見的鼓具有良好的震動性能,當(dāng)外界有敲擊時,鼓面和空氣共振,形成“共鳴腔”,因此聲音大大增強(qiáng)?;诠拿嬲饎拥脑O(shè)計思想的啟發(fā),為了更好地放大脈搏跳動時的震動信號,將壓電材料的兩端使用彈性皮筋固定,配合中間的軟質(zhì)填充物,壓電薄膜材料的表面變的緊繃,從而可以更好地感應(yīng)震動信號,實(shí)現(xiàn)動能轉(zhuǎn)換為電信號。實(shí)物模型如圖6。
圖6 傳感器實(shí)物模型
由于壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高,而輸出的信號很弱,因此它的測量電路需要一個高輸入阻抗的前置放大器作為阻抗匹配,這樣才能防止電荷迅速泄漏,從而使測量誤差減小。通過50 Hz的陷波器濾除人體自身攜帶的50 Hz 工頻干擾信號。再通過高通濾波器濾去信號中的由于人體的抖動而產(chǎn)生的干擾信號[7]。用低通濾波濾除高于心電信號高頻響應(yīng)頻率(小于200 Hz)。系統(tǒng)總體方框圖如圖7。
圖7 系統(tǒng)總體框圖
在線性電荷放大器設(shè)計方面,其作用主要是將傳感器獲取的電荷轉(zhuǎn)化為電壓,采用差分輸入的方法,提高共模抑制比,對噪聲起到一定的抑制作用。選擇小信號低噪放集成器件TLC2201,為了實(shí)現(xiàn)輸入阻抗理論值要為無窮大的要求,超標(biāo)稱電阻選擇100 GΩ的輸入反饋電阻加以接近理想值,同時配以3.3pF的并聯(lián)電容,形成高通濾波器,考慮到人體脈搏信號應(yīng)為0.6 ~2 Hz,所以將濾波下限截止頻率控制在0.4 ±0.1 Hz 左右,可以方便地消除因手抖動產(chǎn)生的干擾信號。在實(shí)際制作中電荷放大器使用金屬屏蔽罩可以更好地減少干擾[8]。
在電壓放大器設(shè)計方面,采用線性集成器件LM324 構(gòu)成的電壓放大器,其作用是將電荷放大器輸出的微小的電壓幅值加以放大[9]。從前端PVDF 壓電薄膜(約1.2 cm2)中獲取到的脈搏信號的電壓幅值約為10 μV,因此在進(jìn)行后續(xù)信號處理前需要對信號進(jìn)行預(yù)放大,放大倍數(shù)約為1000。
在濾波器設(shè)計方面,由于脈搏信號極其微弱,而工頻市電噪聲的幅值約為50 mV,相比于脈搏信號要大的多,所以在濾波器前端需要增加一節(jié)50 Hz的陷波器電路是非常必要的。50 Hz 陷波器設(shè)計采用雙T 無源陷波器和50 Hz 文氏橋式陷波器組合[9]而成,在50 Hz 頻點(diǎn)上對信號的衰減達(dá)到-43.065 dB,滿足了設(shè)計要求。在后節(jié)濾波電路中,主要采用四階巴特沃斯高通和低通濾波器,通過仿真可得高通濾波器的截止頻率為0.4 Hz,阻帶衰減小于-25 dB,通帶增益為7.622 dB;低通濾波器的截止頻率約為200 Hz,阻帶衰減小于-23 dB,通帶增益約為7.612 dB。使用multisim10 仿真曲線如圖8所示。
圖8 仿真曲線圖
在波形變換電路設(shè)計方面,其功能主要是將模擬的脈搏信號轉(zhuǎn)換為方波脈沖信號,為數(shù)字電路提供穩(wěn)定的信號源。選擇遲滯比較器來做作為波形轉(zhuǎn)換的電路是比較合適的[9],根據(jù)低通濾波器輸出的模擬脈搏幅值(-0.81 V ~1.55 V),如圖9所示,取遲滯比較器的閾值電壓為-0.4 V和1 V,順利實(shí)現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換,其輸出的方波脈沖波形如圖10所示。
圖9 模擬脈搏信號
圖10 方波脈沖輸出
值得注意的是,在低通濾波器與遲滯比較器串接電路中,需要考慮負(fù)載匹配的問題,為了避免因負(fù)載不匹配而造成的功率的損耗,所以在其中間接入電壓跟隨器,從而實(shí)現(xiàn)了信號的完整輸出。系統(tǒng)電路原理圖如圖11所示。
在PCB 制作過程中,使用輔助設(shè)計軟件protel99se 進(jìn)行設(shè)計,對于脈搏信號的電路布線來說,應(yīng)該盡量順應(yīng)信號的走向來安排走線,由于電路元件較多,因而將電路板總體分成上下兩個部分,PCB 板上邊左端信號進(jìn)入,下邊左端信號輸出,總體走線呈圓形,板子背面接地,迎合了信號的流向,達(dá)到了比較好的效果。同時在電路板四周設(shè)計覆銅底線,方便制作金屬屏蔽盒,提高整個傳感器的抗干擾能力。PCB 板圖如圖12所示。
圖11 系統(tǒng)原理電路圖
圖12 脈搏傳感器PCB 電路板
本基于PVDF 壓電薄膜材料的傳感器經(jīng)過實(shí)際的制作和測試,完全能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的設(shè)計指標(biāo),具有良好的抗干擾性和線性度,較好地實(shí)現(xiàn)了由脈搏跳動的動能轉(zhuǎn)化為電信號的功能。在遲滯比較器電路單元中也可將其替換成A/D 轉(zhuǎn)換器和接口電路,從而提供給計算機(jī)進(jìn)行處理和運(yùn)算[10]。
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