（测试计量技术及仪器专业论文）激励产品设计方法及其应用研究.pdf

中文摘要 科技产品的普及，使工作效率得到提高的同时，也造成了很多弊端，例如工 作的重复性越来越高，工作形式越来越单一，致使工作者身体机能不断退化；另 外随着工作节奏的加快，体力、脑力长期处于紧张疲劳状态，各种各样的职业病 也越来越多见了。 针对这种情况，美国学者卢志扬教授提出“激励技术”这一概念，它将中国 传统的天人合一、整体与局部的医学、哲学思想应用于现代产品的设计与研究。 激励产品与一般的产品、理疗设备不同之处在于激励产品不仅仅是为实现某一功 能，而是在保存产品现有功能的情况下，在不影响操作者使用的情况下，根据人 体工学模型，将生物信号检测系统设计到产品中去，并使产品能够根据检测结果 主动对使用者施加有益健康的激励，从而消除产品对操作者的不良影响，改善操 作者健康状态。 本文研究了激励产品的设计思想，并应用该设计思想设计研发了两种雏形产 品和一个可作为激励产品检测关键环节的脉搏波传感器。 研究设计的第一种产品是以电脑工作者最常用的工具鼠标为基础，在其 中添了测温模块以及磁疗激励模块而形成的测温鼠标。 研究设计的第二种产品是以座椅为基础，将时间模块、测温模块和音乐模块 集成在电路板上，通过嵌入在椅垫内的光电开关阵列判断工作者工作的起止时 间，并在工作过程中以一定间隔采集时间值，根据工作时长给以适当提醒或音乐 缓解；同时间断性的采集环境温度以决定是否开启调温装置。 所设计的脉搏波传感器可用于“脉诊手”的前端测试部分，该传感器以p v d f 压电薄膜为敏感元件，加之后续的信号处理电路，可实现在小面积上采集到脉搏 波信号，为以后的具体应用作了充分的准备。 本论文深入分析了激励产品的特点，并实践了激励产品的研究开发方法，对 激励产品设计理论的应用，进行了有益的探索和实践。 关键词：激励产品，p v d f 压电薄膜、脉搏波、生物信号检测 a b s t r a c t s o m ew i d e l yu s e dt e c h n o l o g i c a lp r o d u c t sh a v ei n c r e a s e dw o r ke f f i c i e n c y ； m e a n w h i l e ，t h e yb r i i 培a b o u ts o m ep r o b l e m s w i t hm o r er e p e a t e d a n dm o r e s p e c i a l i z e dw o r k , t h o s ep r o d u c t sb e c o m eh a z a r d st oh a m a nh e a l t h ；t h ei n c r e a s i n g l y r a p i dp a c eo f l i f et o d a yc a l l s c sm o r ep r o b l e m st h a ni ts o l v e s i n s p i d n gt e c h n o l o g yi s c o n c e r n e dw i t he s t a b l i s h i n gan e ws c i e n t i f i cf o u n d a t i o nw h i c hi n t e g r a t e sh u m a n s y s t e mt h e o r i e sw i t hm o d e r nt e c h n o l o g i e st od e v e l o pan e wg e n e r a t i o no fp r o d u c t s t h a tc a ns i m u l t a n e o u s l yi n s p i i eh u m a np o t e n t i a l sw h i l ea c h i e v i n gt h e ki n t e n d e d f u n c t i o n a l p u r p o s e s i n s p i r i n gp r o d u c t s a r ec o m p l e t e l yi n t e g r a t e dw i t h e x i s t i n g p r o d u c t sa n di n t e l l i g e n t l yt a i l o rt h e i ri n s p i r i n gf u n c t i o n sf o rd i f f e r e n tu s e r sa n da d a p t t 0c h a n g i n ge n v i r o n m e n t s “i n s p i r i n gt e c h n o l o g y ”i si n i t i a t e db ys t e p h e n l u , w h i c he x t e n d sw e s t e r n h u m a ns y s t e mt h e o r i e st ot h et r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n ea p p r o a c h e s ：i ti sa l l a p p l i c a t i o n - d r i v e n b a s i cr e s e a r c hi ns y s t e me n g i n e e r i n g ，d e s i g nm e t h o d o l o g y , a n d p r o d u c td e v e l o p m e n t ；i n s p i r i n gp r o d u c t sa r en o t m e d i c a lt r e a l m e n td e v i c e s ；t h e y “i n s p i r e h u m a np o t e n t i a l s n o t c b i e h u m a nd i s e a s e s ；t h e ya r e t r a n s p a r e n t l y e m b e d d e di ne x i s t i n gp r o d u c t s i n s p i r i n gp r o d u c td e s i g nm e t h o da n dr e a lm o d e la r er e s e a r c h e dh e r e t h ef i r s tp r o d u c ti sm e a s u r i n gt e m p e r a t u r em o u s e ，w h i c he m b e d sm e a s u r i n g t e m p e m b 1 r em o d u l ea n dm a g n e t i s mt h e r a p ym o d u l ei nc o m n l o nm o n s ea n db ya n n ， h u m a nb o d yt e m p e r a t u r ei sf o r e c a s t e df r o mm e a s u r e di n f o r m a t i o n t h es e c o n dp r o d u c ta d o p t st i m e - m e a s u r i n gm o d u l e ，p h o t oe l e c t r i c i t y - s w i t c ha n d t e m p e r a t u r es e n s o rt 0m e a s u r ew o r kt i m ea n dt e m p e r a t u r e c o r r e s p o n d i n g l y ，m u s i c a n dt h e r m o r e g u l a t i o nc u s h i o nw i l lt a k ee f f e c to nb o d y sf a t i g u e w h a t sm o r e ，w ea l s or e s e a r c h e dap u l s ew a v e - p i c k i n gu p8 e l l s o rf o ro t h e ri 】! $ a g e a l lo ft h o s ew i l lb et h ed e s i g nf o u n d a t i o no fp r o d u c tb a s e d0 1 1i n s p i r i n g t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：i n s p i r i n gp r o d u c t ，p v d fp i e z o e l e c t r i c i t ym e m b r a n e , p u l s ew a v e , b i o l o g i c - s i g n a ld e t e c t e d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名毒二禅 签字日期：a 舯罗年3 月) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基建盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名。蒯 签字日期：钟3 月日 导师签名： 签字日期p 伊衫年月陟日 第一章绪论 1 i 课题的来源叫 第一章绪论 现有的高科技产品基本上都是以代替或 延展人的一部分能力为目的的( 如图卜i ) ， 产品与人是一个开环的系统；而随着该种产 品功能的强大，人需要做的工作就越来越单 一、单调了，其结果将导致人体机能的退化， 威胁工作者的健康。有学者调查，城市新兴 行业中的白领脑力劳动者，慢性疲劳综合 症的发病率为l o 2 0 ，美国约有4 0 0 万 人患上此病“。 图1 一i 现代产品与人的开环模型 慢性疲劳综合症( c h r o n i cf a t i g u es y n d r o m e ，c f s ) ，它是一种以长期极度 疲劳为突出表现，同时伴有低热、淋巴结肿痛、肌肉酸痛、关节疼痛、神经精神 症状、免疫学异常和其它非特异表现的综合症。 社会医学家认为：现代社会，由于工作节奏快、效率高，体力、脑力长期处 于紧张疲劳状态，导致机体神经、内分泌、免疫系统功能失调是本病发生的主要 原因。c d c ( 美国疾病控制中心) 预测，慢性疲劳将成为2 1 世纪人类健康的主要 问题之一。 c f s 中的严重者，有可能出现猝然死亡，被称为。过劳死，其原因就是长期 劳累过度，不能及时缓解，精神与内分泌系统紊乱，出现积劳成疾，未老先衰， 过劳猝死。1 9 8 7 1 9 8 9 年，日本报道过劳死达1 8 0 0 例；我国国家体改委公布的 调查表明：肩负重担的知识分子平均寿命仅5 8 岁，比全国人均寿命约低1 0 岁。 现代医学证明，持续的心理紧张和心理冲突会造成精神疲劳，免疫功能下降， 容易发生疾病。 基于此，美国加州大学卢志扬教授提出了激励产品这个理念。激励产品在保 持现有产品的原有功能情况下，将中医“整体与局部”( 身体的某个局部反映着 全身的状态：当局部受到刺激的时候，身体会有整体的反应) 的理论、西医的分 析治疗理论、现代科技理论( 微控制器、传感器) 以及产品设计理论结合在一起， 研制出新的智能产品，如图卜2 。 第一章绪论 1 2 激励产品的特点 图i 2 激励产品框图 1 激励技术产品理论扩展了现代西方医学人体系统理论，吸收了传统中医 的理论方法。中西医有着各自不同的方法论和认识论。西医从各个局部来 认识整体，把人体分成几大系统，再不断地分下去，因此容易进行定量分 析，形成客观医学指标。中医则是从总体出发，从人体的生命运动规律出 发，研究人体及其各部分的功能和相互问的关系，因此中医理论中存在整 体观念。中西医理论各有千秋，既有区别又紧密相连。激励工程理论将二 者充分融合，应用于新一代产品的设计中，使设计出的产品同时兼备二者 的优点，从而最大限度地改善人体健康状况。 2 激励技术产品理论包舍系统工程、设计方法论和产品制造理论，同时是 以应用为驱动的基础性研究； 3 激励产品不是医疗仪器就激励产品功能而言，不是为了治愈人体疾病， 而是在于激发人体自身的潜能；在激励产品设计上，要求完全“透明” 的嵌入在现有产品中的，也就是要求与现有产品有机结合，不影响现有 产品基本功能的正常使用。 激励技术强调与已有产品的充分结合，现有产品都有可能成为基于激励技术 的产品，因此它有着非常广阔的应用前景，可以应用到人们生活的各个领域。例 如依托电脑可以设计出基于激励技术的鼠标、键盘、显示器等，依托汽车可以设 计出基于激励技术的方向盘、座椅，依托家用电器可以设计出基于激励技术的遥 控器、智能家电等，依托手机可以设计出基于激励技术的智能手机等等，这些产 品将随时监控和改善使用者的健康状况，使人与产品的潜能都得到了充分发挥， 从两极大地提高使用者的工作效率。 激励产品克服了现有产品发展的极限，是未来产品设计的方向。 2 第一章绪论 1 3 激励产品的设计流程 激励产品是包括人体信息采集、分析并根据分析结果对人体实施适当激励的 闭环控制系统。激励产品都是建立在现有产品基础之上，在完成现有产品预定功 能的同时又具备图卜3 所示的四个特性，这四个特点环环相扣构成了一个完整地 整体。 激励技术 专家分 系统 产品使 用者 q 皴糕 图卜3 激励产品设计模型 1 产品使用者 激励产品所面对的使用者范围非常广泛，可以是坐在计算机前的工作人员、 驾驶汽车的司机、玩游戏的儿童、运动着的运动员或者仅仅是正在休息的人。人 总是与周围环境发生各种各样的能量交换，这些能量交换为我们提供了非常丰富 的信息，通过这些信息，可以分析出人体的生理、心理状态。 i 2 健康疲劳参数采集 人体能够提供的健康疲劳参数非常多，选择- 个合适的采集指标是专家分析 系统的前提。从传统中医系统理论出发，可以通过人体的某项信息来检测人体的 健康状况，例如人的手部可以反映出人体全身各个器官的健康状况，我们只需要 通过手部的信息就可以分析出人体健康疲劳状况。我们总结了一些可能的指标， 如脉搏波、血压、人体微循环、人体温度、肌电信号、脑电信号、心电信号、瞳 孔变化、眨眼频率、舌苔、面部表情、声纹分析等等，希望通过这些参数的检测、 分析得到人体的健康状况。 3 专家分析系统 专家分析系统也可以称为数据处理中心。采集到的人体健康疲劳数据将在此 第一章绪论 进行处理。在健康疲劳模型中人体状态被分成健康状态、是否疲劳、疲劳程度如 何、什么疾病等等多个等级，专家分析系统根据这些等级判断是否需要启动相应 的激励模块。专家分析系统的设计是基于激励技术的产品设计中至关重要的环 节。根据软件模块化处理的思想，在专家系统中至少应该包括以下几个模块： ( 1 ) 通信模块 基于激励技术的产品是具有智能输入、输出功能的产品，需要依据特定的情 况驱动人体信息采集模块，也需要在特定的时候驱动激励模块完成对人体的激 励；由于激励技术内嵌在现有产品之中，因此产品需要强大地接口扩展能力和灵 活地接入方式，专家分析系统应该保证基于激励技术的产品具有强大的信息交互 能力。 ( 2 ) 数据存储模块 基于激励技术的产品核心功能是要监护人体的健康状况。因此对人体信息数 据进行存储就非常重要。例如对一个人全天的体温信息进行监控，就需要有个强 大的数据存储功能，在需要的时候对存储的数据进行提取、分析和判断。长时间 的监护数据量可能会很大，这就需要在设计数据库时充分考虑到冗余性和扩展 性。 ( 3 ) 数据处理模块 数据处理模块的核心是健康疲劳模型，一切数据都需要围绕着健康疲劳模型 进行处理。健康疲劳模型的确立是激励系统中最重要的部分，根据模型就可以确 定人体健康状况是否发生了改变，这种改变是良性的还是恶性的，是否有必要驱 动激励模块，激励的效果如何评估等等一系列问题。数据处理模块在激励系统中 的地位就好比c p u 在计算机系统中的地位，所有其他功能都将围绕着数据处理模 块展开。 ( 4 ) 智能学习模块 由于基于激励技术的产品是面向用户的，不同使用者的生理参数差别可能会 很大，即使同一用户由于环境、生理、心理的变化采集到的生物信息也可能会有 一定的差别。因此基于激励技术的产品应该具有自主学习的能力，能够根据特定 使用者的信息快速地建立起个性化的健康、疲劳模型。这就像位经验丰富的老医 生，可以快速地根据病人的情况开出适当的处方。基于激励技术的产品需要通过 不断地学习，不断地提高智能化程度来满足使用者的需求。 4 激励环节 4 第一章绪论 作为基于激励技术的产品的最后一环，激励环节意义重大，它是基于激励技 术的产品区别于现有产品的主要特点之一。由于涉及到人体的激励，因此需要考 虑的问题比较多，总结起来主要有以下问题： ( 1 ) 对人有益的激励信号的选择； ( 2 ) 激励信号作用部位的选择： ( 3 ) 激励信号强度的选择； ( 4 ) 激励效果的评定。 1 4 课题发展现状 激励产品是一种全新的产品设计理念，但与此相近的智能产品却是早已存 在，并得到越来越的人的重视。欧美很多国家相继开发了智能衣服、智能锄头、 智能垃圾桶、智能玻璃窗等，这些产品都在原有产品基础上，添加了一些智能化 的功能，使其使用起来更加便利舒适。比如智能垃圾桶，这种垃圾桶可以将垃圾 按瓶子、纸张和食物分类存放，还可以识别扔在桶中的商品条形码，当主人某种 商品存货发生短缺时，便对主人进行提示，同时通知超市供应商。 1 5 本论文的研究内容 基于激励技术的产品的开发涉及的知识面很广，需要深入研究的问题许多。 为了快速设计出基于激励技术的产品，我们先后针对脉搏波、体温、工作时间等 健康疲劳参数设计了几套方案，并在第二、三、四章中进行了详细阐述。 1 第二章介绍了基于p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计； 2 第三章介绍了基于d s l 8 8 2 0 温度传感器及m l x 9 0 6 0 1 测温模块的测温磁 疗鼠标的研制，以及神经网络方法在体温预测方面的应用； 3 第四章介绍了疲劳监测调节智能椅的设计方法； 第三、四章介绍的两个系统属于激励产品的雏形产品的设许，为今后的成品 开发奠定了基础。 第二章基于p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计 第二章基于p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计 从中西医的研究资料和临床经验可知，脉搏波信号包含了丰富的人体健康信 息，也是激励产品所要采集的一个重要的参数。 本章所研究的基于p v d f f e , 电薄膜的脉搏波传感器属于“脉诊手”的前端信号 测试部分，“脉诊手”的研究是为了采集丰富的脉搏波信息，建立起脉诊信息数 据库，从而建立激励产品模型中的专家分析系统以便于进一步的数据分析以及激 励环节的应用。 p v d f ( p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ) 薄膜，即聚偏氟乙烯薄膜，是一种具有 较强压电效应的高分子聚合物薄膜，具有强度高、频响范围宽( 0 i 1 0 m h z ) ， 材料薄( 几微米几百微米) 而柔软，易于剪裁，与任何形状的被测对象表面都 有良好的贴附性，时间和温度稳定性较好，与水和人体组织的声阻抗匹配良好， 非常适于医疗领域的应用“1 ，本章将具体分析其工作原理及以p v d f 压电薄膜为敏 感元件的脉搏波传感器在“脉诊手”中的应用价值。 2 1 脉搏波测量的意义 心脏是一个持续不断的振源。心室收缩时，血液快速射入主动脉致其基部压 力骤增而膨胀；心室暂未射血时，主动脉基部压力下降，管壁弹性回缩，则恢复 至原来的位置。如此，主动脉管壁就因心室的舒缩而有节律地受迫振动。这种振 动能沿弹性血管向末梢传播而形成脉搏波( 横波) 。由于可不断地从心脏获得能 量，因而血管的振动可持续向前传播；在脉搏波的传播过程中，由于穿过脏腑、 器官、肌肉等组织，萁能量必然受其影响而发生变化，所以脉象的形成与气血脏 腑有着密切的关系，脉搏波的波形幅度和形态包含了反映心脏和血管状况的重要 生理信息，透过诊察脉象可以判断疾病的部位、性质和推断疾病的进退预后等。 因此从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为f i 缶床和治疗的根据，历来受到人们 的重视嘲。 2 1 1 脉搏波的形成过程 ( 1 ) 上升段，首先是左心室开始收缩，主动脉瓣开启，血液自左心室输出，主 动脉内因射血而压力迅速上升，主动脉内的脉压波在a 点处( 见图2 - 1 ) ， 左心室排空量和主动脉排空量相等，形成血流图中的第一峰，然后左心室 内压力急剧下降旧。 6 第二章基于p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计 图2 - 1 一个完整的脉搏波形 嵫为主潼 b 蕞为膏潼 c 潼为重苒渡备 d 咎为重搏波峰 e 渡为房缩渡 t n 为收薯期 ，t d 为舒张期 t 为心动骨期 ( 2 ) 当进入剩余排血期时，由于血流灌注缓慢，周围容量性小血管复位，使血 管阻力略微上升，以致在下降枝出现第一个轻微隆起，形成潮波b 。 ( 3 ) 随后主动脉关闭，由于血管的回弹，动脉血液由远心端向近心端回流脉压 波形成重搏波d 。 ( 4 ) 在下降支末端，某些情况下脉搏波中会出现一个轻微的隆起，它是右心房 收缩时有少量血液返入腔静脉而引起的脉压波动，形成房缩波e 。 2 i 2 脉搏波的医学应用 脉搏波的分析是监测心血管系统疾病的一种有效手段。当脉搏波由心脏开始 向动脉系统传播时，不仅要受到心脏本身的影响，同时也会受到流经各级动脉及 分支中各种生理因素如血管阻力、血管弹性和血液黏性等的影响，当血管阻力和 动脉弹性参数按一定规律变化时，脉搏波的波形亦会出现一系列规律性的动态变 化。如果血管阻力较低和动脉弹性较好，脉搏波的升支与降支均较陡峭，形成高 而尖的主波，而潮波多不明显，或处于较低的位置。与此同时，重搏波波峰往往 十分突出，而重搏波谷处于较低位置。随着血管阻力增加和动脉弹性变差，脉搏 波波形特征的规律性动态变化首先反映在潮波的出现和潮波的位置逐渐抬高，并 自后向前与主波接近和呈不同程度的融合，甚至超过主波。与此同时，重搏波谷 位置也逐渐抬高，并与重搏波峰融为一体，不易区分，使整个脉搏波波形呈现出 馒头形状，其变化过程如图2 2 所示【7 l ： o i h 豢售一相对童曼 第二章基于p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计 一一一一寰麟谗黝 l l t2 - 2 随着血管阻力增加动脉弹性减少的脉搏波变，化示t l i i t 由此可知，脉搏波中包括了丰富的心血管系统的生理病理信息。例如高血压 和动脉粥状硬化的初期，虽然患者还没有明显的症状，但血压、血流、血管阻力、 血管弹性和血液黏性等一系列心血管血流参数实际上已发生变化，并首先反映在 脉搏波的幅值与波形变化之中。 此外，临床还表明：心力衰竭、高血压病人的脉搏波波形与动脉硬化以及正 常健康人的脉搏波波形也大不相同，如图2 3 所示。因此，只要根据提取的脉搏 波波形图，将正常健康情况和不正常疾病情况的脉搏波特征值进行比较判别，就 可将潜在的心血管疾病尽早诊断出来，从而实现为心血管疾病的临床诊断治疗提 供有力的证据的目的。 2 2p v d f 压电薄膜测量脉搏波的原理 脉搏传感器的研制是脉搏信号研究的基础。高灵敏度、高可靠性以及最大地 8 第二章基于p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计 获取脉搏信息一直是脉搏传感器研制的重要方面。p v d f 材料是一种性能优良的压 电材料，自七十年代以来，已被广泛地用于多种声学、超声学和力学传感器中， 其良好的压电性能已得到大量证实，具有广泛的应用前景。因此，在脉搏传感 器的研制中，我们确定了以p v d f 材料作为传感器的换能元件以保证传感器的高灵 敏度和高可靠性。 下图是p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的示意图： 图2 - 4p v d f 脉搏波传感器结构框图 该传感器由两部分组成，前端是以p v d f 压电薄膜为敏感元件，将该元件以均 匀压力贴附在人体脉搏的被测点上( 如寸、关、尺处) ，检测脉搏波力的变化， 并将采集到的信号送入第二部分一信号处理电路，从而获得脉搏波的模拟信号。 2 2 1p v d f 材料的性能 1 9 6 9 年k a w a i 叫发现经高倍率拉伸和高电场下极化真空蒸发金属电极后的 p v d f 薄膜具有明显的压电特性，经过几十年的应用，目前p v d f 压电薄膜的性能已 明显提高，其压电常数比p z t 压电陶瓷高1 0 2 0 倍。 膜片式p v d f 压电材料只有上下两面进行了金属化，所以在p v d f 材料表面施加 作用力时，只有在垂直于z 轴的表面产生跟压力成比例的电荷( 如图2 1 ) 。产生 的电荷面密度o r ( c m 2 ) 与应力t ( n m 2 ) 有如下关系： 仃= d x t( 2 - 1 ) 其中盯表示在垂直于z 轴的材料表面上的电荷面密度( c m 2 ) ；t 表示沿z 轴 方向的单向应力。d ( c n ) 是压电应变常数， t i 图2 _ 5p v d f 压电薄膜原理示意图 9 第二章基于p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计 电荷面密度盯( c 1 2 ) 与表面电荷q ( c ) 有如下关系： 仃：旦( 2 2 ) a 其中代表极化面积( m 2 ) 单向应力t ( n m 2 ) 与单向压缩力f ( n ) 的关系： f t = 二-( 2 - 3 ) a 由( 2 - 1 ) 式、( 2 2 ) 式和( 2 3 ) 式可得出p 1 i ，d f 薄膜产生的表面电荷与所受压缩 力有如下关系： q2 d x f ( 2 4 ) 该公式表明p v d f 薄膜表面所产生的电荷正比于压缩力，而与其几何尺寸无 关。为获得寸、关、尺横向和纵向上全面的脉搏波信息，我们最终需要进行多点 冗余测量，公式2 4 表明p v d f 压电薄膜适于在较小面积上实现多点测量。 2 2 2p v d f 压电薄膜的等效模型 当p v d f 压电薄膜承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相 反而电量相等的电荷。此时可把它看成是一个静电发生器，如图2 6 ( a ) 所示。 也可以把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图2 6 ( b ) 所示。时受压时可看成具有一定电容巴( f ) 的电容器“”。 电极 压电晶体一 i l _ ( a ) ( b ) 图2 6p v d f 压电薄膜原理示意图 当两极板聚集异性电荷时，则两极板间电压为 u - = q c 。 式中q 极板上聚集的电荷量( c ) ； c , - 一两极板间等效电容( f ) ； u 一两极板间电压( v ) 。 其中 i o ( 2 - 5 ) 第二章基于p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计 c 。：半 ( 2 - 6 ) l 岛为真空介电常数； 为其相对介电常数； a 为极化面积( m 2 ) ； l 为两极面的问距( 即膜片厚度为l ( m ) ) ； 因此，p v d f 压电薄膜在理想条件下有两种等效电路模型：电荷等效电路模型 和电压等效电路模型，它们分别如图2 - 7 ( a ) ，( b ) 所示。 c q + - ( a ) 电荷等效电路( b ) 电压等效电路 图2 7p v d f 压电薄膜等效电路 其中图( a ) 是把p v d f 压电薄膜等效为一个电荷源与一个电容器并联的电荷等 效电路。图( b ) 是把p v d f 压电薄膜等效为一个电压源与一个电容串联的电压等 效电路。 在只考虑受到沿z 轴方向的单向压缩力f ( n ) 的情况下，由电荷等效电路模型 可得电荷灵敏度k 。( c p a ) 为： 0d f ， i k 2 卞2 一f a 2 d - a ( 2 7 ) 由式( 2 7 ) 可看出，电荷灵敏度与材料的极化面积有关。 在同样的受力情况下，由电压等效电路模型可得输出电压u ( v ) ： u 。= 百q ( 2 - 8 ) 由式( 2 5 ) 、( 2 - 6 ) 和( 2 8 ) 可得电压灵敏度k 。( v p a ) 为： x 。：堡：旦：d 。上( 2 - 9 ) 。t c 。t ， 式( 2 9 ) 表明，当材料给定时，即d 、s o 、占，给定，电压灵敏度和厚度1 成正 比。厚度越厚，电压灵敏度越高；厚度越薄，电压灵敏度越低。 由于p v d f 材料的电压灵敏度与材料的面积无关，而电荷灵敏度与材料的面积 有关。要将传感器的体积尽量做小，所以，我们选用了5 0l am 厚的p v d f 材料的电 第二章基于p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计 压输出模型来对脉压信号进行分析，并根据该模型来进行信号处理部分的设计。 2 2 信号处理电路的设计 脉搏波力是很微弱的力，所以p v d f 压电薄膜受此力后产生电量也是很微弱 的，只有传感器内部电荷无“泄漏”时，外部电路负载无穷大时，其受力后产生 的电压或电荷才能长期保存下来，否则电路将以某时间常数按指数规律放电，另 外由于测量的是生物信号，所以存在基线漂移、工频干扰以及人体电现象等干扰， 所以信号处理电路需要四大部分，分别是前置放大电路、二级放大电路、滤波电 路和陷波电路。 匮p p 圜 图2 - 8p v d f 压电薄膜所得信号处理电路 1 前置放大电路 根据压电传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电压信号也可以是 电荷信号。因此前置放大器有两种形式：电压放大器，输出电压与输入电压( 传 感器的输出电压) 成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 以上我们已经分析过，为满足在较小面积上的多点冗余测量以保证脉搏波信 息的完整性，我们选择电压等效模型，所以前置放大电路选用电压放大电路。 p v d f 压电式传感器连接电压放大器的等效电路如图2 9 ( a ) 。 图( b ) 是简化的等效图。 ( a ) ( b ) 图2 - 9p v d f 压电式传感器连接电压放大器的等效电路图 图中，凡为压电元件的漏电阻； 第二章基于p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计 c o 为连接电缆的等效电容； r ，c i 分别为放大器的输入电阻和输入电容； a o 为放大器的电压放大倍数； u 。u o 分别为放大器的输入、输出电压。 图2 - 9 ( b ) 中，等效电阻r 为 r = 垦! ：垦!( 2 1 0 ) r _ + r i 等效电容为 c - 巴+ g( 2 1 1 ) 又有 u 。：旦_ ( 2 一1 2 ) 。 c 设施加在压电元件上某方向的交变力f = f m s i n c o t ，压电传感器产生的电压为 u = 芒= 芒= 导s 址武 僻 式中，d 为压电元件某方向的压电系数，c n ；f 为交变力的瞬时值；f m 为交 变力的幅值；国为交变力的角频率。放大器输出电压为 6 。= di 而暴丽僻1 4 ) 其幅值为 u 一2 丽豢簧丽( 2 - 1 5 ) 输入电压与作用力之问的相位差中为 lo 一_ - t = f t g - 1 ( 翻r ( c + c c + c 。) ( 2 1 6 ) 令r = r ( c + c 。+ c ) ，t 为测量回路的时间常数，并令甜o = 1 t ，则可得 u m 2 丽d 3 3 f = a r 坠& ( 2 1 7 ) c 。+ c c + c i 由式( 2 1 7 ) 式可知，如果c o 国o l ，即作用力变化频率与测量回路时间常 数的乘积远大于1 时，前置放大器的输入电压，即电荷放大电路的输出电压与频 率无关。 。般认为国 3 ，可以近似看作输入电压与作用力无关。这说明，在 测量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器的高频特性优于低频特性。 而脉搏波力是一种变化频率较低的力，这种情况下，为提高灵敏度就需增加 测量回路的时间常数。根据电压灵敏度定义，得到 第二章基于p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计 足。：兰丝= 1 1 塑一 ( 2 1 8 ) _ 、( 去) 2 + ( c 。+ e + c i ) 2 电压灵敏度与回路电容成反比，增加回路电容必然使传感器灵敏度下降。为 此常将输入内阻r 。很大的前置放大器介入回路。其输入内阻越大，测量回路时间 常数越大，则传感器低频响应也越好。 我们采用c a 3 1 4 0 组成的电压跟随器。c h 3 1 4 0 输入级为m o s f e t 结构，输出级为 c m o s 结构，其输入阻抗可达i 5 1 0 ”欧，输入失调电流为o 5 p h ，输入偏置电流为 1 0 p a ，转换速率为9 v i ls ，增益带宽乘积为4 5 u n z ，输出电阻为6 0 0 i t o 经过c a 3 1 4 0 输出的电压量很小，所以还需要二次放大电路。 电路图如下： c i 图2 1 0 前置放大电路 选用0 p 2 7 作为二次放大电路的核心元件，它对微小信号具有良好的放大作 用。0 p 2 7 特性如下“”： i 输入偏置电压1 0 i tv ； 2 温漂0 2 i lv ； 3 输入噪声电压( 1 l ( i z ) 3 n v h z “2 ； 4 0 i h z “1 0 h z 噪声电压8 0 n v 州 5 压摆率2 8 v | ls ； 6 8 m h z 增益带宽 经过该电路，信号被放大大约i 0 0 倍，并且电容c 1 还有一定的低通作用，可 滤除大约2 0 h z 以后的频率分量。 1 4 第二章基于p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计 2 滤波电路“” 脉搏波的主要能量集中在0 1 1 2 h z “”的频率范围，脉搏波还有一些高频分 量，但能量很弱。脉搏波具有谐波的特性：脉搏波的功率谱的趋势是随着频率的 升高，谐波的幅值是单调下降的，我们据此选择滤波器的类型和阶数。 最常用的低通滤波器电路有三种：巴特沃思( b u t t e r w o r t h ) 、贝塞尔 ( b e s s e l ) 、切比雪夫( c h e b y s h e v ) 滤波电路。巴特沃思滤波电路的幅频响应 再通带内具有最大平坦度，但从通带到阻带衰减较慢；切比雪夫滤波电路能迅速 衰减，但通带内有纹波，波形失真较为严重；而贝塞尔滤波电路着重于相频响应。 我们需要在通带内有最完好的波形，所以选用巴特沃思滤波器。 常用的有源低通滤波器电路有两种形式，一种是无限增益多路负反馈有源二 阶低通滤波器电路，另一种是压控电压源( v c v s ) 。 二者的特点是： ( 1 ) 压控电压源二阶滤波电路：运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很 高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。其优点是：电路性能稳定，增益 容易调节； ( 2 ) 无限增益多路负反馈二阶滤波电路：运算放大器为反相接法，由于放大器 的开环增益无限大，反相输入端可视为虚地，输出端通过电容和电阻形成两条反 馈支路。其优点是：输出电压与输入电压的相位相反，元件较少，但增益调节不 方便。 我们选用压控电压源二阶滤波电路，并且由于在实验过程中发现从前端电路 出来的信号高频干扰很多，用普通二阶低通达不到很明显的效果所以我们采用四 阶低通滤波器电路，电路图如下： 船虹 f 妒f 是t 嚣4 u i 图2 - 1 1 滤波电路 另外，由于压电薄膜在有压电特性的同时也有热电特性，所以受试者体温的 变化会影响结果的正确性，另外被测者轻微动作也会影响到测量结果，不过这些 变化的频率都是相当低的，所以需要一个简单高通滤波电路。选取高通截止频率 第二章基于p 、r d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计 定为0 3 h z ， c = 去= o s ( 2 - 1 9 ) 取电容值1 u ，r = 5 5 0 k ，用w o r k b e n c h 仿真得到电路波特图如图2 1 3 。 图2 1 2 滤波电路波特图 3 陷波电路 作为生物信号，其最大的干扰就是5 0 h z 的工频干扰和人体电信号我们从两 个方面来抑制这个干扰信号：首先在p v d f 压电薄膜与皮肤接触的那一面覆上绝 缘薄膜；其次在经过放大电路后接入陷波电路。 我们采用双t 型带阻型陷波电路，电路图如下： 图2 一1 3陷波电路 经过w o r k b e n c h 软件仿真的其波特图如图2 1 5 ，可见陷波效果很好。 1 6 第二章基于p v i ) f 压电薄膜的脉搏被传感器的设计 图2 一1 4 双t 型二阶带阻滤波器波特图 2 3 输出信号及分析 经过上述信号处理电路后在示波器中可观察到脉搏波形如下图： 图2 - 1 5 脉搏波传感器输出信号 可以看到清晰的按一定周期变化的脉搏波形，但还有如下问题存在： ( 1 ) 波形不够明显，经分析这与脉搏波拾取部分制作关系很大，以后该传感 器嵌入到脉诊手中时要配合脉诊手重新处理其拾取部分的安放、p v i ) f 膜片的拉 伸程度以及屏蔽等。 ( 2 ) 高频干扰没有完全滤出，波形毛刺很多；分析原因p v d f 压电薄膜是非常 敏感的元件，它不仅感受脉搏波力，而且空气中的扰动如声音，气流等，以及附 近大功率器件的振动等都对它有很大的影响，这可通过脉诊手的后序数字滤波加 以处理； ( 3 ) 波形一致性较差，有基线飘移，原因是测试时将p v d f 膜贴压在寸、关、 尺处时施加的外力有变化。第一种影响经过低通滤波后当此传感器与脉诊手结合 后，其力的大小方向等均不再是人为的随机的值，所以此影响可降低。 第二章基于p v d f 压电薄膜的脉搏波传感器的设计 2 4 本章小结 本章介绍了p v l ) f 压电薄膜的工作原理及其在生物医学传感器方面的应用价 值，主要介绍了利用p v d f 压电薄膜为敏感元件的脉搏波传感器的原理和信号处 理电路，并最终实现脉搏波信号的测量。 为获得全面的脉搏波信息，打算在“脉诊手”指端安放多个这样的传感器， 由于p v d f 压电薄膜可剪裁、柔软、压电效应好等特点，使得为迸一步开发用于 测量多点脉搏波信息的阵列传感器打下良好的基础。 第三章测温鼠标的设计开发 第三章测温鼠标的设计研发 3 1 测温鼠标设计思路 体温是人体生理学中的一个重要参数。在人与环境进行能量交换时，皮肤是 一个界面。局部区域的病变，通常要引起相应局部皮肤温度异常，如炎症、恶性 肿瘤等将引起温度升高、血管栓塞等会引起温度降低。如果能将每目的温度值都 能加以测量并统计其长期的变化规律，则对于健康的监督是一件很有意义的事 1 5 】 系统的总体的设计框图如下： 图3 1 铡温鼠标总体框图 其中，基本鼠标功能模块用以实现鼠标的基本功能。该模块通过检测上下左 右四个方向位移量，判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位，本 论文对此不作具体介绍。温度传感器用来实现温度检测；为判断温度传感器所测 得的温度是否为需要的温度，我们用光电开关r p r 2 2 0 来加以控制；系统机接收 模块主要由系统机串行接口及应用程序实现数据的接收、实时显示、存储等功能。 我们将测温模块嵌入鼠标中，原因如下： 第一：鼠标是电脑应用中必不可少的设备，电脑的普及也使得鼠标成为很多 人日常生活中必不可少的部分。 第二：鼠标为p c 机外设产品，可在p c 机上进行生理信号的处理、生理参 数的计算与分析、激励方案的制定及激励效果的评定。 1 9 第三章测温鼠标的设计开发 3 2 基于d s l 8 8 2 0 的测温鼠标的研制 3 2 i 硬件设计 3 2 i 1 温度采集模块 1 一温度传感器的选择 由于本系统需要与现有鼠标有机结合，不能影响鼠标的正常使用，且必须将 系统硬件添加在现有鼠标内部，因此要求应尽量减小整个系统所占的的空间，模 拟式温度传感器外围电路较复杂，因此我们采用数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 “”。 d s l 8 8 2 0 是美国d a l l a s 公司推出的增强型单总线数字温度传感器。它集温度 测量，a d 转换于一体，具有单总线结构，数字量输出，直接与微机接口等优点。 既可用它组成单路温度测量装置，也可用它组成多路温度测量装置。 ( 1 ) d s l 8 8 2 0 的特点： 结构简单，只有三个引脚，数据线只有一个，易于减小系统占用资源。 测温范围：一5 5 + 1 2 5 ，在一1 0 + 8 5 时精度为o 5 ； 可编程的分辨率为9 1 2 位，对应的可分辨温度分别为0 5 、0 2 5 、 0 1 2 5 和0 0 6 2 5 ： 1 2 位分辨率时温度值转换为数字最大同时7 5 0 m s ： 多个d s l 8 8 2 0 可以并联到3 根或2 根线上，c p u 只需一根端口线就能与 诸多d s l 8 8 2 0 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻 辑电路。 d s l 8 8 2 0 的外观如图3 - 2 ： 图3 2d s l 8 8 2 0 外观图 第三章测温鼠标的设计开发 ( 2 ) d s l 8 8 2 0 与m c u 的接口电路 d s l 8 8 2 0 与单片机的接法如图3 - 3 ，可见电路十分简单，只需一条i o 口线 即可，占用的系统资源非常少，符合设计要求。 厂1 磁u 6 r 仰 一一一1 r高l 一盘 图3 - 3d s l 8 8 2 0 与m c u 的接法 2 采温部位的选择 由于此产品是依托鼠标而设计的，所以测温部位只能是手掌，而指端等位置 的