肘部压力对PVDF传感器压电信号响应*

王 威， 马 爽， 徐 磊

(天津工业大学 纺织学院，天津300387)

肘部压力对PVDF传感器压电信号响应*

王 威， 马 爽， 徐 磊

(天津工业大学 纺织学院，天津300387)

设计了一种可嵌入服装的柔性压电传感器，对人体肘部运动进行弯曲力压电性能检测。以聚偏二氟乙烯(PVDF)静电纺纤维膜为基础，封装传感器芯片，为了优化传感器的测试性能，采用多层传感芯片结构以提高薄膜传感器信号响应，并记录手臂在不同弯曲状态下的压电响应信号，实际测试结果表明：双层电纺传感芯片结构具有明显的压电信号响应优势，弯曲力比正压力下的压电信号响应更为明显。

肘关节； 聚偏二氟乙烯静电纺薄膜； 传感器； 压电信号响应

0 引 言

近年来，人们对穿戴式生理监测技术的关注越来越多，已经成为智能纺织品研究领域的一大热点[1]。肘关节是人体活动的重要部位，相对于身体其他关节来说，肘关节活动范围比较大，更容易受到损伤，通过对人体肘关节运动特征监测，改变运动的节奏感和运动方式，寻找最佳的运动姿态，可较大程度降低肘关节损伤。

聚偏二氟乙烯(PVDF )薄膜属于高分子压电材料，具有厚度薄、质量轻、柔性好、灵敏性高、频率响应范围宽等特点能[2～4]，可制成多种形状甚至大面积挠曲的多种传感器[5]，成为制备生理监测传感元件的理想材料。

针对肘关节压力测试要求,本文设计了双层压电薄膜在不同弯曲条件下的弯曲响应信号。以手臂肘部为例进行传感器分析设计。

1 实 验

1.1 PVDF静电纺薄膜制备[6]

采用PVDF静电纺纤维膜合适纺丝参数配制质量分数为10 %的PVDF静电纺丝溶液。设置静电纺丝电压为16 kV，纺丝速度为1.0 mL/h，纺丝距离为15 cm，纺丝时间8 h。纺丝薄膜采用铝箔纸接收，所纺薄膜厚度为50 μm。

1.2 PVDF传感器传感芯片制备

为了避免压电性能测试过程中PVDF薄膜破损，将PVDF纤维膜经封装成传感芯片后使用，制得感芯为3层复合三明治结构。上下两层贴有铜箔电极的聚酯基片作为电极层，中间一层为静电纺纤维膜试样，中间层相错的夹在上下层之间。感芯结构是影响信号质量的关键因素，为保证良好的肘部穿戴性能，感芯的尺寸不宜太大，确定PVDF传感芯片尺寸为3 cm×2 cm的长方形，但尺寸小的结构会对测试的稳定性和准确性造成影响。为此实验设计了双层PVDF薄膜重叠结构，在不改变传感单元表面积的情况下输出的电荷量可达到单层膜的2倍，保证传感器可获得显著的信号响应。

2 实验结果与讨论

2.1 PVDF纤维膜XRD谱分析

图1为两种不同方法制得的PVDF流延薄膜和静电纺纤维膜与PVDF粉末XRD对比，可以看出:PVDF粉末的衍射峰值分别在2θ=17.66°,18.30°,19.90°,26.56°处，有很强的衍射峰，分别对应着α晶相为(100)，(20)，(110)，(21)的4个晶面。亦说明不经过处理的PVDF粉末以α晶型存在。流延法制得的PVDF薄膜与PVDF粉末的XRD图形并无较大差异，2θ=18.30°处的衍射峰消失，但在2θ=17.66°，19.90°，26.56°处仍出现明显的α峰，对应着α晶相(100)，(110)，(21)的3个晶面。说明流延法制备PVDF薄膜并没有改变PVDF粉末的晶体结构。静电纺纤维膜中，α衍射峰消失，出现明显的2θ=20.26°衍射峰，对应β晶相的(110)和(200)晶面。β晶胞结构的偶极方向全部垂直于链轴，形成极大的偶极矩，具有很强的压电特性，在压电和热释电方面有广泛的应用[7,8]。说明PVDF静电纺纤维膜的晶体构相为β相，为PVDF静电纺纤维膜压电性能测试提供了实验理论基础。

图1 不同方法制备的PVDF压电薄膜XRD

2.2 单双层传感芯片结构信号响应输出

膜传感芯片结构的压电输出为1.5 V，结果表明，静电纺PVDF纤维膜压电输出原理PVDF材料的压电效应，在沿某一方向上受到外力的作用变形时，静电纺PVDF纤维膜的内部会产生极化现象，在其2个相对表面产生正负相反的电荷，从而有压电信号的输出[9～12]。

信号调理电路由基本的积分放大电路与低通滤波电路构成[13]。本文利用LabVIEW程序控制D/A和A/D端口完成对压电薄膜压电性能数据的采集，压电薄膜输出的电荷信号经高功率运算放大器PA08由调理电路转换为电压信号，经低通滤波后输入数据采集装置，完成压力信号的采集和处理。人体所感受到的服装的压力介于1.96～8.1 kPa之间[14]。本文给定较大服装压力8 kPa的正压力分别对单、双层传感芯片结构进行压电性能测试，图 2、图3 所示为单、双层传感芯片结构对信号的响应。可以看出:单层膜传感芯片结构的压电输出为1 V，而经过优化，双层膜传感芯片结构将传感器的信号强度提升至原来的1.5倍。

图2 单层结构传感芯片的信号输出

图3 双层结构传感芯片的信号输出

2.3 肘部弯曲信号响应输出

将压力织物缝制了一种肘部可穿戴服装，用于对人体肘部弯曲力压电响应的测试，采用了双层传感芯片结构传感器，柔软的PVDF芯片可以与压力织物紧密贴合，肘部弯曲时，PVDF芯片同时弯曲，发生形变产生压电响应信号，如图4所示。

图4 肘部弯曲响应信号测试实物

以手臂肘部夹角为标准，输出手臂弯曲不同角度时的电压值。测试结果如图5所示。可知，当手臂弯曲为180°时有较小的压电响应输出，随着手臂肘部夹角的变小，弯曲程度增大，压电响应输出也在变大，当手臂呈90°时，压点输出约为4 V，手臂呈30°时，压电输出约为7 V。可以证明：手臂进行弯曲运动时传感器有较明显的压电效果。与双层结构感芯受到较大服装压时的压电输出相比，弯曲力下的压电感应信号更加明显。由此说明弯曲力比正压力产生更强的感应信号。

图5 肘部弯曲信号响应输出

3 结 论

研制了一种肘部柔性传感器，可监测佩戴者的一举一动，分析肘部关节的运动姿势以及关节弯曲情况，有助于使用者了解自身肘部健康状况，保持良好运动姿态。针对肘部运动特征设计了不同状态下的信号响应，实验证明:弯曲力的作用较正压力产生更强的压电信号响应,符合肘部的运动特征，证明了提出的方法实际可行，为人体的肘部受力研究提供依据。实现了PVDF静电纺传感器肘关节监测并且有良好的可穿戴性，为人体的肘部受力研究提供了依据。

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Piezoelectric signal response of elbow pressure on PVDF sensor*

WANG Wei, MA Shuang, XU Lei

(School of Textiles,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

A flexible piezoelectric sensor embedded in clothing is designed to test the piezoelectric properties of the elbow movements.Based on PVDF electrostatic spinning thin films,encapsulate sensor chip,in order to optimize test performance of sensor,improvements have been made by using multilayer sensing chip structure to increase signal responses of sensor,and record piezoelectric response signals of arm in different bending state.The practical test results show that the double-layer chip structure has obviously advantages of piezoelectric signal responses,and the bending force is more obviously than the piezoelectric signal responses under the positive pressure.

elbow joint; PVDF electrostatic spinning thin films; sensor; piezoelectric signal response

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0104—02

2016—10—12

国家自然科学基金资助项目(11502163)

TS 176

A

1000—9787(2017)09—0104—02

王 威(1965-)，女，通讯作者,博士，教授，主要从事天然纤维复合材料、智能可穿戴纺织品的研究工作，E—mail：616573386@qq.com。