肘部壓力對(duì)PVDF傳感器壓電信號(hào)響應(yīng)*

王 威， 馬 爽， 徐 磊

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津300387)

肘部壓力對(duì)PVDF傳感器壓電信號(hào)響應(yīng)*

王 威， 馬 爽， 徐 磊

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津300387)

設(shè)計(jì)了一種可嵌入服裝的柔性壓電傳感器，對(duì)人體肘部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行彎曲力壓電性能檢測(cè)。以聚偏二氟乙烯(PVDF)靜電紡纖維膜為基礎(chǔ)，封裝傳感器芯片，為了優(yōu)化傳感器的測(cè)試性能，采用多層傳感芯片結(jié)構(gòu)以提高薄膜傳感器信號(hào)響應(yīng)，并記錄手臂在不同彎曲狀態(tài)下的壓電響應(yīng)信號(hào)，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：雙層電紡傳感芯片結(jié)構(gòu)具有明顯的壓電信號(hào)響應(yīng)優(yōu)勢(shì)，彎曲力比正壓力下的壓電信號(hào)響應(yīng)更為明顯。

肘關(guān)節(jié)； 聚偏二氟乙烯靜電紡薄膜； 傳感器； 壓電信號(hào)響應(yīng)

0 引 言

近年來，人們對(duì)穿戴式生理監(jiān)測(cè)技術(shù)的關(guān)注越來越多，已經(jīng)成為智能紡織品研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)[1]。肘關(guān)節(jié)是人體活動(dòng)的重要部位，相對(duì)于身體其他關(guān)節(jié)來說，肘關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍比較大，更容易受到損傷，通過對(duì)人體肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特征監(jiān)測(cè)，改變運(yùn)動(dòng)的節(jié)奏感和運(yùn)動(dòng)方式，尋找最佳的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，可較大程度降低肘關(guān)節(jié)損傷。

聚偏二氟乙烯(PVDF )薄膜屬于高分子壓電材料，具有厚度薄、質(zhì)量輕、柔性好、靈敏性高、頻率響應(yīng)范圍寬等特點(diǎn)能[2～4]，可制成多種形狀甚至大面積撓曲的多種傳感器[5]，成為制備生理監(jiān)測(cè)傳感元件的理想材料。

針對(duì)肘關(guān)節(jié)壓力測(cè)試要求,本文設(shè)計(jì)了雙層壓電薄膜在不同彎曲條件下的彎曲響應(yīng)信號(hào)。以手臂肘部為例進(jìn)行傳感器分析設(shè)計(jì)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 PVDF靜電紡薄膜制備[6]

采用PVDF靜電紡纖維膜合適紡絲參數(shù)配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %的PVDF靜電紡絲溶液。設(shè)置靜電紡絲電壓為16 kV，紡絲速度為1.0 mL/h，紡絲距離為15 cm，紡絲時(shí)間8 h。紡絲薄膜采用鋁箔紙接收，所紡薄膜厚度為50 μm。

1.2 PVDF傳感器傳感芯片制備

為了避免壓電性能測(cè)試過程中PVDF薄膜破損，將PVDF纖維膜經(jīng)封裝成傳感芯片后使用，制得感芯為3層復(fù)合三明治結(jié)構(gòu)。上下兩層貼有銅箔電極的聚酯基片作為電極層，中間一層為靜電紡纖維膜試樣，中間層相錯(cuò)的夾在上下層之間。感芯結(jié)構(gòu)是影響信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，為保證良好的肘部穿戴性能，感芯的尺寸不宜太大，確定PVDF傳感芯片尺寸為3 cm×2 cm的長方形，但尺寸小的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)測(cè)試的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性造成影響。為此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了雙層PVDF薄膜重疊結(jié)構(gòu)，在不改變傳感單元表面積的情況下輸出的電荷量可達(dá)到單層膜的2倍，保證傳感器可獲得顯著的信號(hào)響應(yīng)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 PVDF纖維膜XRD譜分析

圖1為兩種不同方法制得的PVDF流延薄膜和靜電紡纖維膜與PVDF粉末XRD對(duì)比，可以看出:PVDF粉末的衍射峰值分別在2θ=17.66°,18.30°,19.90°,26.56°處，有很強(qiáng)的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)著α晶相為(100)，(20)，(110)，(21)的4個(gè)晶面。亦說明不經(jīng)過處理的PVDF粉末以α晶型存在。流延法制得的PVDF薄膜與PVDF粉末的XRD圖形并無較大差異，2θ=18.30°處的衍射峰消失，但在2θ=17.66°，19.90°，26.56°處仍出現(xiàn)明顯的α峰，對(duì)應(yīng)著α晶相(100)，(110)，(21)的3個(gè)晶面。說明流延法制備PVDF薄膜并沒有改變PVDF粉末的晶體結(jié)構(gòu)。靜電紡纖維膜中，α衍射峰消失，出現(xiàn)明顯的2θ=20.26°衍射峰，對(duì)應(yīng)β晶相的(110)和(200)晶面。β晶胞結(jié)構(gòu)的偶極方向全部垂直于鏈軸，形成極大的偶極矩，具有很強(qiáng)的壓電特性，在壓電和熱釋電方面有廣泛的應(yīng)用[7,8]。說明PVDF靜電紡纖維膜的晶體構(gòu)相為β相，為PVDF靜電紡纖維膜壓電性能測(cè)試提供了實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)。

圖1 不同方法制備的PVDF壓電薄膜XRD

2.2 單雙層傳感芯片結(jié)構(gòu)信號(hào)響應(yīng)輸出

膜傳感芯片結(jié)構(gòu)的壓電輸出為1.5 V，結(jié)果表明，靜電紡PVDF纖維膜壓電輸出原理PVDF材料的壓電效應(yīng)，在沿某一方向上受到外力的作用變形時(shí)，靜電紡PVDF纖維膜的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其2個(gè)相對(duì)表面產(chǎn)生正負(fù)相反的電荷，從而有壓電信號(hào)的輸出[9～12]。

信號(hào)調(diào)理電路由基本的積分放大電路與低通濾波電路構(gòu)成[13]。本文利用LabVIEW程序控制D/A和A/D端口完成對(duì)壓電薄膜壓電性能數(shù)據(jù)的采集，壓電薄膜輸出的電荷信號(hào)經(jīng)高功率運(yùn)算放大器PA08由調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)低通濾波后輸入數(shù)據(jù)采集裝置，完成壓力信號(hào)的采集和處理。人體所感受到的服裝的壓力介于1.96～8.1 kPa之間[14]。本文給定較大服裝壓力8 kPa的正壓力分別對(duì)單、雙層傳感芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓電性能測(cè)試，圖 2、圖3 所示為單、雙層傳感芯片結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)的響應(yīng)?？梢钥闯?單層膜傳感芯片結(jié)構(gòu)的壓電輸出為1 V，而經(jīng)過優(yōu)化，雙層膜傳感芯片結(jié)構(gòu)將傳感器的信號(hào)強(qiáng)度提升至原來的1.5倍。

圖2 單層結(jié)構(gòu)傳感芯片的信號(hào)輸出

圖3 雙層結(jié)構(gòu)傳感芯片的信號(hào)輸出

2.3 肘部彎曲信號(hào)響應(yīng)輸出

將壓力織物縫制了一種肘部可穿戴服裝，用于對(duì)人體肘部彎曲力壓電響應(yīng)的測(cè)試，采用了雙層傳感芯片結(jié)構(gòu)傳感器，柔軟的PVDF芯片可以與壓力織物緊密貼合，肘部彎曲時(shí)，PVDF芯片同時(shí)彎曲，發(fā)生形變產(chǎn)生壓電響應(yīng)信號(hào)，如圖4所示。

圖4 肘部彎曲響應(yīng)信號(hào)測(cè)試實(shí)物

以手臂肘部夾角為標(biāo)準(zhǔn)，輸出手臂彎曲不同角度時(shí)的電壓值。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。可知，當(dāng)手臂彎曲為180°時(shí)有較小的壓電響應(yīng)輸出，隨著手臂肘部夾角的變小，彎曲程度增大，壓電響應(yīng)輸出也在變大，當(dāng)手臂呈90°時(shí)，壓點(diǎn)輸出約為4 V，手臂呈30°時(shí)，壓電輸出約為7 V?？梢宰C明：手臂進(jìn)行彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)傳感器有較明顯的壓電效果。與雙層結(jié)構(gòu)感芯受到較大服裝壓時(shí)的壓電輸出相比，彎曲力下的壓電感應(yīng)信號(hào)更加明顯。由此說明彎曲力比正壓力產(chǎn)生更強(qiáng)的感應(yīng)信號(hào)。

圖5 肘部彎曲信號(hào)響應(yīng)輸出

3 結(jié) 論

研制了一種肘部柔性傳感器，可監(jiān)測(cè)佩戴者的一舉一動(dòng)，分析肘部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)以及關(guān)節(jié)彎曲情況，有助于使用者了解自身肘部健康狀況，保持良好運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。針對(duì)肘部運(yùn)動(dòng)特征設(shè)計(jì)了不同狀態(tài)下的信號(hào)響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)證明:彎曲力的作用較正壓力產(chǎn)生更強(qiáng)的壓電信號(hào)響應(yīng),符合肘部的運(yùn)動(dòng)特征，證明了提出的方法實(shí)際可行，為人體的肘部受力研究提供依據(jù)。實(shí)現(xiàn)了PVDF靜電紡傳感器肘關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)并且有良好的可穿戴性，為人體的肘部受力研究提供了依據(jù)。

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Piezoelectric signal response of elbow pressure on PVDF sensor*

WANG Wei, MA Shuang, XU Lei

(School of Textiles,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

A flexible piezoelectric sensor embedded in clothing is designed to test the piezoelectric properties of the elbow movements.Based on PVDF electrostatic spinning thin films,encapsulate sensor chip,in order to optimize test performance of sensor,improvements have been made by using multilayer sensing chip structure to increase signal responses of sensor,and record piezoelectric response signals of arm in different bending state.The practical test results show that the double-layer chip structure has obviously advantages of piezoelectric signal responses,and the bending force is more obviously than the piezoelectric signal responses under the positive pressure.

elbow joint; PVDF electrostatic spinning thin films; sensor; piezoelectric signal response

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0104—02

2016—10—12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11502163)

TS 176

A

1000—9787(2017)09—0104—02

王 威(1965-)，女，通訊作者,博士，教授，主要從事天然纖維復(fù)合材料、智能可穿戴紡織品的研究工作，E—mail：616573386@qq.com。