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基于PVDF压电薄膜的脉博传感器设计

作　者: 任程诚
导　师: 董维杰
学　校: 大连理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: PVDF薄膜脉搏压电传感器曲率灵敏度
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

压电类传感器目前已经广泛应用于现代医疗、工业控制、水声测量及结构健康监测等领域。PVDF压电薄膜作为新兴压电材料,有着质轻柔软、频响快、灵敏度高、机械性能强度高等优点,可以用于制作传感器和执行器。如今,医疗健康领域越来越受到人们关注和重视,发展应用于健康检测和维护的医疗设备,符合时代的需要。本文分析了常用压电材料的工作模式和等效电路,根据压电方程选择了d31工作模式下的PVDF压电薄膜为核心元件,设计了符合人体工学的传感器探头以测量人体脉搏信号。在此基础上,搭建后端调理电路,以处理探头测量的脉搏信号,该信号经过滤波、放大处理后,波形图形清晰,可以用于医生诊断病情的依据。将PVDF压电传感器制作成曲面形状,使其灵敏度增大,压电效应更加显著。对此进行了理论分析,得到灵敏度与曲率的关系,并利用ANSYS仿真软件,对曲面PVDF压电薄膜进行压电效应仿真,进一步验证了曲率对灵敏度的影响。通过电涡流位移计测量曲面PVDF压电传感器在不同频率下的输出电压,得到可靠的测量频率区间。使用激振器产生激励信号,对不同频率下的曲面PVDF压电传感器进行动态测试分析,在保证激振器的输入电压不变的情况下,四种曲率的PVDF压电传感器的频率—电压曲线各不相同。实验发现,随着激振频率的不断增大,曲率大小的不同在输出电压值上的差距表现的愈加明显。传感器曲率越大,在外力激振频率较大时,传感器的灵敏度优势就越明显。据此本文采用硅橡胶为基底、PVDF压电薄膜为传感元件制作了四种不同曲率的曲面PVDF压电传感器,将PVDF压电传感器作为机电转换的核心来检测人体的脉搏信号。设计的PVDF脉搏传感器有硅橡胶基底、PVDF压电薄膜和调理电路组成。对不同曲率的PVDF传感器分别进行人体脉搏测量实验,得到幅值不同的脉搏信号,说明了传感器曲率的增大对传感器的灵敏度的提高确有帮助,但传感器的曲率大小也要考虑实际需要,做到适度、适中。如何有效避免测量时按压力度的大小对实验结果的影响,是下-步研究中亟待解决的问题。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-20
  1.1 课题背景及意义  9-10
  1.2 PVDF压电传感器国内外研究现状  10-16
  1.3 脉搏传感器概述  16-18
  1.4 本文主要工作  18-20
2 曲面PVDF压电传感器原理及设计  20-34
  2.1 PVDF压电薄膜工作原理  20-25
    2.1.1 压电效应与压电方程  20-22
    2.1.2 PVDF工作模式及测量电路  22-25
  2.2 曲面PVDF压电传感器的灵敏度分析  25-27
  2.3 基于ANSYS的不同曲率PVDF压电薄膜仿真分析  27-33
    2.3.1 ANSYS有限元软件简介  27-28
    2.3.2 ANSYS有限元分析方法  28-29
    2.3.3 PVDF压电传感器的ANSYS仿真分析  29-33
  2.4 本章小结  33-34
3 曲面PVDF传感器动态特性研究  34-47
  3.1 PVDF压电传感器结构制作  34-39
    3.1.1 制作材料及前期准备  34-35
    3.1.2 制作方法及实现  35-39
  3.2 激振器位移测量实验  39-40
  3.3 PVDF压电传感器动态测试分析  40-46
    3.3.1 实验方案  40-41
    3.3.2 实验装置介绍  41-43
    3.3.3 实验方法  43
    3.3.4 实验结果分析  43-46
  3.4 本章小结  46-47
4 PVDF脉搏传感器设计与制作  47-57
  4.1 脉搏信号检测及处理电路设计  47-53
    4.1.1 电荷放大器设计  47-50
    4.1.2 低通滤波器设计  50-51
    4.1.3 电压放大处理  51-53
  4.2 PVDF脉搏传感器制作  53-54
  4.3 脉搏测量实验结果  54-56
  4.4 本章小结  56-57
结论  57-59
参考文献  59-62
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  62-63
致谢  63-64

基于PVDF压电薄膜的脉博传感器设计

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