PVDF压电薄膜传感器的研制

论文摘要

随着现代科技的发展,服装的功能性已不仅仅停留在保暖或者美观等传统的功能上。通过嵌入传感器等方法,让服装具有感知人体外部环境或内部状态的变化,并能实时地监测这种变化的功能,使服装有了“感觉”和“知觉”。如自动检测人体健康状况等功能的服装。本课题研制了一种可以嵌入服装中、对人体运动进行监测的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜传感器,并自行设计和制作了与之相匹配的前置电路。由于所研制的传感器要适于嵌入服装,而服装又是一种极具柔软度的载体,所以要制成嵌入服装的传感器,就必须要选用具有很好柔软性的、能适应大幅度形变的材料制作传感器。PVDF压电薄膜是一种新型的高分子聚合物型传感材料,利用压电薄膜的压电特性,设计制作各种传感器来满足不同的要求已经成为当今人们研究的一个热点。用PVDF压电薄膜具有高的压电常数,且质量轻、柔性好、加工性能好、频率响应宽,特别对高频激励实用性强。所制作传感器有结构简单、响应速率快、后端的处理电路简单等优点。本文将详细阐述PVDF压电薄膜传感器的研制及其幅频特性的测试。主要开展以下四方面的工作:(1)利用压电薄膜独特的积分特性,研制PVDF压电薄膜传感器。通过形状确定、薄膜切割、边缘处理、电极引出和加保护层等步骤,将PVDF压电薄膜制成传感器。(2)设计并制作前置电路,包括第一级电荷放大电路,第二级负反馈电压放大电路和最后一级低通滤波电路。将传感器与前置电路相连接构成传感系统中信号产生部分。第一级电荷放大电路在整个前置电路中起着至关重要的作用,它性能的优劣将最直接的影响到信号的采集。(3)选取负反馈电压放大电路和低通滤波电路中的电子元件,通过实验确定电荷放大电路中的积分电容C_f和反馈电阻R_f的取值。实验表明,如果积分电容C_f和反馈电阻R_f的取值合适,能与PVDF压电传感器相匹配,则输出的信号失真小、噪声小并无明显畸变。(4)通过A/D模数转换和采集卡将由传感器检测的信号输入微机,对所研制传感器在不同应变情况下的输出信号的幅频特性作了分析,探索传感器的特征响应。最后,通过模式识别的方法,将所研制的传感器嵌入手套中,以监测指关节的弯曲变化情况。试验表明,传感器和数据处理系统运行平稳,能快速的记录并反馈人体的运动状态。通过本课题的研究工作,探索了能与PVDF压电薄膜传感器相匹配的前置电路,探讨了PVDF压电薄膜传感器在受到弯曲应变时的幅频特性,并将PVDF压电薄膜传感器嵌入手套,完成了对指关节运动姿势式的监测。由此,证明所研制的PVDF压电薄膜传感器可以与服装相结合,监测人体运动姿态。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究的背景以及意义
• 1.2 研究的目标
• 1.3 研究的内容和方法
• 1.4 论文的章节安排
• 第二章 文献综述
• 2.1 可穿戴传感器的研究现状
• 2.1.1 国外研究概述
• 2.1.2 国内研究概述
• 2.2 PVDF压电薄膜传感器的研究现状
• 2.3 PVDF压电薄膜
• 2.3.1 薄膜结构
• 2.3.2 压电效应
• 2.3.3 压电方程
• 2.4 本章小结
• 第三章 PVDF压电薄膜传感器的制作
• 3.1 实验准备
• 3.2 传感器的基本结构
• 3.3 传感器的制作流程
• 3.4 传感器的应变输出
• 3.5 本章小结
• 第四章 前置电路的设计
• 4.1 电荷放大电路的设计
• 4.2 电压放大电路的设计
• 4.3 低通滤波电路的设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 实验及数据分析
• 5.1 电荷放大电路中电容电阻的选取
• f的选择'>5.1.1 积分电容C_f的选择
• f的选择'>5.1.2 反馈电阻R_f的选择
• 5.3 PVDF压电薄膜传感器幅频特性测试
• 5.3.1 激励频率对响应信号的影响
• 5.3.2 弯曲幅度对响应信号的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 人体动态运动姿势识别
• 6.1 模式识别的原理
• 6.2 指关节弯曲动态识别
• 第七章 总结与结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表论文情况
• 致谢