压电薄膜传感器ppt.pptx

背景介绍 背景介绍 心脏体征检测 现状 临床听诊 传统心电图 其他 主观性 不准 结构和成本上都存在问题 如利用图像识别 不准 不成熟 背景介绍 心脏体征检测 我们的想法 压电传感器 采用新型材料压电传感器降低心电图的成本 传感器 传感器 基本原理 压电传感器 压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器 所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变 包括弯曲和伸缩形变 时 由于内部电荷的极化现象 会在其表面产生电荷的现象 压电材料它可分为压电单晶 压电多晶和有机压电材料 在有机高分子材料中聚偏氟乙烯等类化合物具有较强的压电性质 压电率的大小取决于分子中含有的偶极子的排列方向是否一致 传感器 基本原理 压电传感器 当对压电材料施以物理压力时 材料体内之电偶极矩会因压缩而变短 此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷 以保持原状 这种由于形变而产生电极化的现象称为 正压电效应 正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程 传感器 优势 对人体微弱生理信号的有效采集和处理一直是医疗器械领域的研究热点 目前有多种用于人体微弱信号采集的传感器 压电陶瓷传感器多普勒效应传感器 新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器 vs 结构简单 灵敏度高 频带宽能准确测量微弱的人体信号与人体接触安全舒适 能紧贴体壁声阻抗与人体组织声阻抗十分接近等一系列特点 结构和成本上都存在一定的问题 传感器 准确度 压电薄膜对 动态应力 非常敏感 28 m厚的pvdf的灵敏度典型值为10 15mv 微应变 长度的百万分率变化 附 动态应力 因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失 所以压电薄膜并不能探测静态应力 当需要探测不同水平的预应力时 这反而成为压电薄膜的优势所在 薄膜只感受到应力的变化量 最低响应频率可达0 1hz 传感器 设计 在采集人体心音的信号时 由于心音的频响范围较宽 同时其输出的物理信号值也很微弱 采用硬质衬底和中空的设计 压电薄膜传感器的设计主要考虑了传感器的灵敏度和信噪比 根据测量信号的频率和响应幅度 传感器 设计 优点 提高传感器中薄膜在收到心音信号时的形变量 从而提高信号强度 缺点 结构不牢固 使用时间长了需要校正 传感器 设计 pvdf压电薄膜的压电常数一般为d33 15 10 12c n g值比较高 但具有很高的内阻抗 一般高达1012 制作出传感器的输出阻抗较大 不利于后面的信号采集和放大 为防止信号的衰减 我们采用高输出阻抗的场效应管作为阻抗变换器 即为测量系统的前置电路 我们利用结型场效应管的高输入阻抗的特点 根据其静态工作点设计阻抗变换器 如图所示 传感器获得的人体信号经过阻抗变换器后 得到可靠的低阻抗的输出信号 其输出阻抗如图所示 在信号频率变化的情况下 传感器的输出阻抗保基本保持不变 注 压电常数是表示压电材料受到的应力和产生的电荷之间关系的一个参数 系统 算法 信号的采集部分 信号的处理控制部分 信号的输出部分 心音传感器 心电电极 阻抗变换电路 滤波器 同相放大器和模数转换电路 信号的处理控制部分主要由8031单片机完成 信号的输出由8255芯片完成 系统 硬件系统 心音传感器 pvdf压电薄膜传感器 压电薄膜传感器采集的心音信号强度 仅有几个毫伏的数量级 心电放大单元包括输入缓冲电路 高共模抑制比高增益差动放大器 我们利用一种高共模抑制比 高输入阻抗的运算放大器 利用电路的高度对称性 来控制放大倍数 低通滤波器 qrs波检测电路 模 数转换器 计算机进行处理 系统 硬件系统 信号的采集部分 系统 硬件系统 信号的处理控制部分 利用8031单片机中的两个定时器 计数器t0和t1分别工作于定时和计数方式 对心音心电波形整形后的脉冲进行计数 然后通过软件计算脉搏心率每分钟跳动次数 并根据软件分析心电心音数据相关的量 系统 硬件系统 信号的输出部分 选用8255的能输入 输出方式 完成微型记录盒与pc机数据传送 为了方便计算机正确地找到该接口电路 赋予8255接口特定的地址 通过口地址译码确定接口电路地址 译码电路如图所示 选择采用数据查询式传送方式向外界传送数据 优点是当cpu与外部过程不同步时 也可以很好地解决cpu的时序和i o端口的时序之间的配合问题 从而不同外设的状态信息 可以使用同一端口 而使用不同的位就行 结果显示部分由液晶显示块显示 选用点阵式液晶显示块显示心音和心电中心脏跳动次数及记录仪的工作时间 状态等 系统 硬件系统 信号的输出部分 算法 选择单片机定时器 计数器t0作为定时器 而定时器 计数器t1作为计数器 且都工作于16位计数器操作模式0为定时器时 选取定时时间为5ms 另设定一计数器cr 根据公式 216 x t1 t2计算出x值 其中t1为一个机器周期时间 t2为定时时间 首先设定模式控制字 接通t1计数器 当外部脉冲的第一个下降沿到时即tl1 1时 t0开始计数 当其溢出产生中断时 cr开始计数 直到tl1 4时 t0 t1停止计数 读取寄存器值 计算最终结果 利用高分子压电材料聚偏氟乙稀研制成压电薄膜传感器应用于心音心电监测系统 能够准确不失真的采集人体微弱的心音脉搏信号 该薄膜传感器与心音心电整机之间结构 性能匹配 通过实验 本心音心