摘　要:根据测量的需要,该文将聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜应用于足底压力测量。以16点PVDF压电薄膜传感器阵列为例,详细介绍了PVDF压电薄膜的工作原理及其传感器阵列的制作过程,并设计出相应的信号调理电路,给出了实验测试结果。实验表明,PVDF压电薄膜具有较好的灵敏度、稳定性及重复性,能可靠采集到足底压力信号,适合于足底压力测量。

　　关键词:聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜;足底压力测量;信号调理

　　Application of PVDF Piezoelectric-film to Foot-pressure Measurement
Abstract:Based on the requirement of measurement,PVDF piezoelectric-film was applied to foot-pressure measurement.Taking the 16-point PVDF piezoelectric-film sensor array as example,the working principle of the PVDF piezoelectric-film and the producing process of its sensor array were introduced in detail,and the design of its signal processing circuit was also discussed,and the result of experiment was presented.The experiment indicated that the PVDF piezoelectric-film had better sensitivity,stablization and repeatability,and it could obtain reliable　foot-pressure signal.It confirmed that the PVDF piezoelectric-film was suitable to foot-pressure measurement.

　　Key words:
　　PVDF piezoelectric-film;foot-pressure measurement;signal processing circuit

　　足部关联着人体的五脏六腑和各个器官,被称为“人的第二心脏”。测量、分析足底的压力可知不同足底压力分布特征和模式,这对临床医学诊断、疾患程度测定、术后疗效评价、生物力学及康复救治、体育训练和功能鞋的设计研究有重要意义。因此,在20世纪末,发达国家均加快了足底压力测量工具的研制。

　　目前,测试鞋或鞋垫将成为足底压力测量的主流工具。在研制测试鞋或鞋垫时,选合适的传感元件很重要。对于可在足底压力测量的理想传感器,应能测量压力分布,对接触测量影响小,具有高的测量灵敏度,且满足动态测试要求。现有的接触压力传感器大都为单点,且体积较大,难满足测量要求。

　　目前所研制的测试鞋或鞋垫采用的传感元件主要以导电橡胶和应变片为主。由于导电橡胶材料对变形恢复有滞后效应,不能适应往复压力变化,特别是动态力的测试,因此系统的稳定性和重复性遭受质疑。

　　而使用应变片作为传感元件,其引线易脱落,因此解决引线问题成为设计过程中面临的最大难题。聚偏氟乙烯(PVDF)是一种新兴的高分子材料。1969年,Kawai发现经过高倍率拉伸、高电场下极化以及真空蒸发金属电极后的PVDF薄膜具有明显的压电特性。经过几十年的基础与应用研究,PVDF的性能获得了明显提高。近年来,PVDF在测试领域得到了广泛的应用。它与传统的压电材料相比,具有频响宽,动态范围大,力电转换灵敏度高,机械性能强度高,膜轻且柔韧,稳定性及重复性好等优点,易制成不同形状的传感器阵列。本文将PVDF压电薄膜应用于足底压力测量,详细介绍了PVDF压电薄膜的工作原理,并以16点PVDF压电薄膜阵列传感器为例,介绍了PVDF压电薄膜阵列传感器的制作过程以及调理电路的设计,并给出了试验测试结果,为足底压力测量创造了条件。

　　1　PVDF压电薄膜的工作原理

　　当PVDF压电薄膜被加载外力时,它的上下两个表面会产生极性相反、大小相等的电荷,可以把它看成是二极板上聚集异性电荷,中间为绝缘体的电容器。当PVDF压电薄膜受力后,输出电荷与外力间的关系为

　　式中，qi为薄膜单位面积输出的电荷;Qj为薄膜承受的应力;Fj为薄膜承受的外力;Qi为薄膜总的输出电荷;dij为薄膜的压电应变常数。

　　当二个极板聚集一定电荷时,极板间存在一定的电压

　　式中q为极板上聚集的电荷量;Ca为PVDF压电薄膜两个表面间的等效电容。所以,可以把PVDF压电薄膜看成是一个等效电荷源和一个电容器相并联,如图1(a)所示。在实际测量中,PVDF压电薄膜传感器还必须考虑外接电路的电容和电阻,因此,PVDF压电薄膜传感器的实际等效电路[4]如图1(b)所示。在此等效电路中,传感器的绝缘电阻与前置放大器的输入电阻相并联,为了保证传感器的低频响应,尽量减少静态测量误差,要求传感器的绝缘电阻应保持在1 013Ψ以上,才能使电荷泄露减少到满足精度要求。同时前置放大器要有较大的输入电阻,以防止传感器的电荷通过输入电路泄露。

　　2　PVDF压电薄膜传感器制作及调理电路设计

　　2.1　PVDF压电薄膜传感器的制作

　　本文采用的北京赛斯维测控PVDF压电薄膜的厚度为100μm,单点面积为5 mm×5 mm,共16点,成阵列分布,按从左至右,由上向下的顺序进行编号,依次为1、2、…、16,如图2所示。由于PVDF薄膜厚仅100μm,因此引线问题成为一大难题。本文采用在绝缘薄膜基底上光刻铜制栅线的方法来制作引线,将栅线作为信号引出端,并通过接插元件与多路模拟开关连接。由于PVDF压电薄膜传感器属于高内阻、弱信号的传感器,在设计时稍有疏忽就会有很大的干扰信号[3],因此本文将传感器阵列设计成夹心式多层结构,使它具有良好的绝缘性和屏蔽性,如图2所示。其制作过程如下:

　　(1)将面积为5 mm×5 mm的PVDF压电薄膜嵌入绝缘薄膜上的空格内,如图2(b)所示。
　　(2)PVDF压电薄膜的两面分别与顶、底层的光刻电极相连接,连接材料为银粉导电胶,同时在绝缘薄膜的空白处涂上502粘合剂,干燥几分钟后,迅速将三层粘合在一起,粘合后的阵列传感器如图2(d)所示。
　　(3)采用数字万用表检测传感器阵列是否短路。尽管采用多层结构,传感器的总体厚度也小于2mm。

　　图2　PVDF压电薄膜阵列传感器结构

　　2.2　电荷放大装置的设计

　　由于传感器受压力应力后会有电荷产生,电荷量不能直接测量,必须经电荷放大装置将电荷信号转换成电压信号才能进行采集。通常商品电荷放大器较贵,且用于多点测量时很难对信号源电荷进行切换而共用一个电荷放大器,因此设计简单的直接与传感器相联接的电荷放大装置是进行多点测量的关键。本文设计的电荷放大装置是由运算放大器集成元件组成的二级放大装置,如图3所示。

　　电荷放大器主要有两个作用:

　　(1)与PVDF压电薄膜传感器阻抗匹配,把高阻抗输入变为低阻抗输出。
　　(2)将微弱电荷转换成电压信号并放大。由于PVDF压电薄膜在受力作用下产生的电荷易通过放电回路泄露,产生测量误差。因此,为了减少测量误差,在设计电荷放大装置时,必须提高测量回路的时间常数。提高放电时间常数有增加回路电容和提高

　　回路电阻两种途径。但通过增加回路电容来增加时间常数,将会降低PVDF压电薄膜传感器的灵敏度。为此,本文通过在回路中接入输入阻抗很高的前置放大器,以提高回路的时间常数。

　　图3　电荷放大装置

　　第一级是一个带电容反馈的高输入阻抗和高增益的运算放大器,通常商用电荷放大器的第一级采用场效应管,以提高输入阻抗满足传感器要求,对于PVDF表面,虽然绝缘内阻高达1TΩ,但在动态力作用下,当频率为10～100 Hz时,其内阻降至100～10MΩ,这样输入端就不必用场效应管。本文选用CA3140高输入阻抗运算放大器,反馈电容C1=0.1μF,反馈电阻R1=15MΩ,其低频下限为0.1Hz。PVDF压电薄膜传感器受力产生的电荷,经电荷放大装置可产生毫伏级的电压,因此需要一个电压放大级实现信号的放大。电压放大级为一个标准的运算放大电路。

　　2.3　去噪设计

　　系统的噪声主要有元器件噪声、市电50Hz噪声及PVDF对电磁信号响应引起的噪声及温度变化导致PVDF产生的热电效应噪声。对不同的噪声,采取不同的滤除和抑制措施。对元器件噪声的抑制,主要是选择低噪声的前置运放,电阻选用0.1%的高精度金属膜电阻,电容选用钽电容。对市电噪声采取了硬件工频陷波和软件滤波并用的措施,利用数字滤波技术,对工频干扰信号的抑制效果较好。对电磁信号抑制主要采取了两种方法:

　　(1)对信号线进行屏蔽。
　　(2)设计4阶巴特沃斯低通滤波器,截止频率为100 Hz。因PVDF产生的热电噪声信号频率在0.5 Hz以下,故本文设计了一个下限频率为0.5 Hz的高通数字滤波器,以滤除热电效应噪声。

　　3　实验与结果

　　本实验设计的测量系统主要由控制模块、切换电路模块、调理电路模块及采集存储显示模块组成。控制模块采用AT89C51单片机作为主控制单元。

　　系统的工作原理是在单片机的控制下,由切换电路完成对传感单元的选择,被选择的PVDF压电薄膜传感器经电荷-电压转换及相应的信号调理电路变成0～5V的电压信号,再经过AD7820进行模数转换,转换结果通过AT89C51暂存于片外存储单元(本文采用静态RAM芯片62256),并在检测完毕后,通过RS232串行通信接口传送到计算机进行处理与显示。测量系统的结构框图如图4所示。

　　数据采集和模数转换是借助DP-51PROC单片机综合仿真实验仪来完成的。采集的数据通过RS-232串口通信传送至计算机进行处理与显示。本文用VC+ +6.0编程实现串口通信,并进行数据处理。测试时,由人体足底前掌部对传感器阵列施加一动态压力,经过数据处理,可获取每只传感器对应的压力曲线。图5为某一时刻,第1只PVDF压电薄膜传感器(位于第5跖骨)对应的压力曲线。仅从图形上相比较,该结果与文献记载的足底压力曲线相似。一旦对PVDF压电薄膜进行标定,便能准确测量出该部位在任一时刻的压力大小。

　　4　结束语

　　PVDF压电薄膜具有频响宽,灵敏度高,膜轻且柔韧,稳定性及重复性好等优点,近几年在测试领域得到了广泛的应用。本文将PVDF压电薄膜制作成16点传感器阵列应用到足底压力测量,采集到的压力曲线可靠,效果良好,为进行精确的足底压力测量创造了条件。（作者：舒方法、姜寿山、张欣、马莉）

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