基于PVDF的心率传感器设计

罗衍鑫 张森 巩建福 刘贤辉

摘 要：根据PVDF的应变传感机理，设计了一种测量心率信号的系统。可调放大电路可以根据因人而异的心率跳动强弱，调节输出信号强度。两个滤波电路可以有效的将杂波滤除，增强了传感器的灵敏度和精确度，并且对传感器的实际应用效果进行了仿真工作。实验表明，该电路具有较好的灵敏度和稳定性，能准确获得心率信号。

关键词：PVDF；心率检测；传感器电路

聚偏氟乙烯（PVDF或PVF2）结构如图1，Kynar PVDF均聚物， Kynar Flex和Kynar power Flex共聚物：（PVDF-HFP）共聚物—HFP的含量和分布可以被剪裁，如图2。

而“膜”被誉为“21世纪最有发展前途的高科技之一”。PVDF因其良好的耐溶性、疏水性、压电性等性能，因此世界上对压电薄膜领域的需求越来越大，如日本旭化成、日本东丽、西门子、欧美环境等公司主导着大多数PVDF膜产品。

1 PVDF传感机理

PVDF薄膜当接受到外界的振动时，压电膜就会产生压电效应。该压电效应是可逆的：当外荷载施加到薄膜上时， 就会产生电压；当卸去外荷载时，就会产生极性相反的信号。

2 传感器电路设计

信号处理系统首先要经过PVDF振动后产生一系列的微弱电信号，经过可调节放大倍数的放大电路将微弱的电信号放大为示波器可以显示的信号。正常人的心率一般在0.2-5Hz之间。所以，我们还要过滤掉50Hz的工频信号，输出稳定准确的信号。

2.1 放大电路

被测信号的幅值为毫伏级，所以放大电路要将被测信号放大1000倍左右，由集成运放U4A组成放大电路。

由于每人的脉搏信号强弱也有不同，反映在示波器中的波形幅值也不同，为了使该传感器有较大的适用范围，R1采用滑动变阻器，通过调节其电阻，可以改变放大器的放大倍数。

2.2 滤波电路

大多数人的心脏跳动频率在0.2-5Hz之间，所以设计一个带通滤波器滤掉多余的杂波是很有必要的。一个多路负反馈二阶有源带通滤波器，它使用单个通用运算放大器接成单电源供电方式，易于实现。

3 仿真结果

图5是用示波器测量的实际脉搏信号，对比实际脉搏信号和仿真的实验结果可以看出，每当脉搏处在一个峰值阶段的时候，脉冲输出就进行一个计数，由此可以得到一个周期内的脉搏数，由此来分析人体健康状况。

4 结论

文章基于PVDF压电薄膜设计了传感器調理电路，电路包括可调放大电路，滤波电路和整形电路。仿真结果表明，此传感器调理电路能够很好的实现预期的目标，能够很好的跟踪心率的波动来产生脉冲输出，具有较好的抗干扰性和线性度。可用于心率检测和体育测试，适用范围广，有效范围大，具有良好的实用性和可靠性。

参考文献：

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[2] 舒方法，石俊.基于PVDF压电薄膜的脉搏测量系统研究[J].压电与声光，2008，30（1）： 12 4-126.

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作者简介：

罗衍鑫（1990-），男，山东郓城县人，硕士研究生在读，主要研究方向：无线通信技术。