肘部壓力對PVDF傳感器壓電信號響應*

王 威， 馬 爽， 徐 磊

(天津工業大學 紡織學院，天津300387)

肘部壓力對PVDF傳感器壓電信號響應*

王 威， 馬 爽， 徐 磊

(天津工業大學 紡織學院，天津300387)

設計了一種可嵌入服裝的柔性壓電傳感器，對人體肘部運動進行彎曲力壓電性能檢測。以聚偏二氟乙烯(PVDF)靜電紡纖維膜為基礎，封裝傳感器芯片，為了優化傳感器的測試性能，采用多層傳感芯片結構以提高薄膜傳感器信號響應，并記錄手臂在不同彎曲狀態下的壓電響應信號，實際測試結果表明：雙層電紡傳感芯片結構具有明顯的壓電信號響應優勢，彎曲力比正壓力下的壓電信號響應更為明顯。

肘關節； 聚偏二氟乙烯靜電紡薄膜； 傳感器； 壓電信號響應

0 引 言

近年來，人們對穿戴式生理監測技術的關注越來越多，已經成為智能紡織品研究領域的一大熱點[1]。肘關節是人體活動的重要部位，相對于身體其他關節來說，肘關節活動范圍比較大，更容易受到損傷，通過對人體肘關節運動特征監測，改變運動的節奏感和運動方式，尋找最佳的運動姿態，可較大程度降低肘關節損傷。

聚偏二氟乙烯(PVDF )薄膜屬于高分子壓電材料，具有厚度薄、質量輕、柔性好、靈敏性高、頻率響應范圍寬等特點能[2～4]，可制成多種形狀甚至大面積撓曲的多種傳感器[5]，成為制備生理監測傳感元件的理想材料。

針對肘關節壓力測試要求,本文設計了雙層壓電薄膜在不同彎曲條件下的彎曲響應信號。以手臂肘部為例進行傳感器分析設計。

1 實 驗

1.1 PVDF靜電紡薄膜制備[6]

采用PVDF靜電紡纖維膜合適紡絲參數配制質量分數為10 %的PVDF靜電紡絲溶液。設置靜電紡絲電壓為16 kV，紡絲速度為1.0 mL/h，紡絲距離為15 cm，紡絲時間8 h。紡絲薄膜采用鋁箔紙接收，所紡薄膜厚度為50 μm。

1.2 PVDF傳感器傳感芯片制備

為了避免壓電性能測試過程中PVDF薄膜破損，將PVDF纖維膜經封裝成傳感芯片后使用，制得感芯為3層復合三明治結構。上下兩層貼有銅箔電極的聚酯基片作為電極層，中間一層為靜電紡纖維膜試樣，中間層相錯的夾在上下層之間。感芯結構是影響信號質量的關鍵因素，為保證良好的肘部穿戴性能，感芯的尺寸不宜太大，確定PVDF傳感芯片尺寸為3 cm×2 cm的長方形，但尺寸小的結構會對測試的穩定性和準確性造成影響。為此實驗設計了雙層PVDF薄膜重疊結構，在不改變傳感單元表面積的情況下輸出的電荷量可達到單層膜的2倍，保證傳感器可獲得顯著的信號響應。

2 實驗結果與討論

2.1 PVDF纖維膜XRD譜分析

圖1為兩種不同方法制得的PVDF流延薄膜和靜電紡纖維膜與PVDF粉末XRD對比，可以看出:PVDF粉末的衍射峰值分別在2θ=17.66°,18.30°,19.90°,26.56°處，有很強的衍射峰，分別對應著α晶相為(100)，(20)，(110)，(21)的4個晶面。亦說明不經過處理的PVDF粉末以α晶型存在。流延法制得的PVDF薄膜與PVDF粉末的XRD圖形并無較大差異，2θ=18.30°處的衍射峰消失，但在2θ=17.66°，19.90°，26.56°處仍出現明顯的α峰，對應著α晶相(100)，(110)，(21)的3個晶面。說明流延法制備PVDF薄膜并沒有改變PVDF粉末的晶體結構。靜電紡纖維膜中，α衍射峰消失，出現明顯的2θ=20.26°衍射峰，對應β晶相的(110)和(200)晶面。β晶胞結構的偶極方向全部垂直于鏈軸，形成極大的偶極矩，具有很強的壓電特性，在壓電和熱釋電方面有廣泛的應用[7,8]。說明PVDF靜電紡纖維膜的晶體構相為β相，為PVDF靜電紡纖維膜壓電性能測試提供了實驗理論基礎。

圖1 不同方法制備的PVDF壓電薄膜XRD

2.2 單雙層傳感芯片結構信號響應輸出

膜傳感芯片結構的壓電輸出為1.5 V，結果表明，靜電紡PVDF纖維膜壓電輸出原理PVDF材料的壓電效應，在沿某一方向上受到外力的作用變形時，靜電紡PVDF纖維膜的內部會產生極化現象，在其2個相對表面產生正負相反的電荷，從而有壓電信號的輸出[9～12]。

信號調理電路由基本的積分放大電路與低通濾波電路構成[13]。本文利用LabVIEW程序控制D/A和A/D端口完成對壓電薄膜壓電性能數據的采集，壓電薄膜輸出的電荷信號經高功率運算放大器PA08由調理電路轉換為電壓信號，經低通濾波后輸入數據采集裝置，完成壓力信號的采集和處理。人體所感受到的服裝的壓力介于1.96～8.1 kPa之間[14]。本文給定較大服裝壓力8 kPa的正壓力分別對單、雙層傳感芯片結構進行壓電性能測試，圖 2、圖3 所示為單、雙層傳感芯片結構對信號的響應?？梢钥闯?單層膜傳感芯片結構的壓電輸出為1 V，而經過優化，雙層膜傳感芯片結構將傳感器的信號強度提升至原來的1.5倍。

圖2 單層結構傳感芯片的信號輸出

圖3 雙層結構傳感芯片的信號輸出

2.3 肘部彎曲信號響應輸出

將壓力織物縫制了一種肘部可穿戴服裝，用于對人體肘部彎曲力壓電響應的測試，采用了雙層傳感芯片結構傳感器，柔軟的PVDF芯片可以與壓力織物緊密貼合，肘部彎曲時，PVDF芯片同時彎曲，發生形變產生壓電響應信號，如圖4所示。

圖4 肘部彎曲響應信號測試實物

以手臂肘部夾角為標準，輸出手臂彎曲不同角度時的電壓值。測試結果如圖5所示。可知，當手臂彎曲為180°時有較小的壓電響應輸出，隨著手臂肘部夾角的變小，彎曲程度增大，壓電響應輸出也在變大，當手臂呈90°時，壓點輸出約為4 V，手臂呈30°時，壓電輸出約為7 V?？梢宰C明：手臂進行彎曲運動時傳感器有較明顯的壓電效果。與雙層結構感芯受到較大服裝壓時的壓電輸出相比，彎曲力下的壓電感應信號更加明顯。由此說明彎曲力比正壓力產生更強的感應信號。

圖5 肘部彎曲信號響應輸出

3 結 論

研制了一種肘部柔性傳感器，可監測佩戴者的一舉一動，分析肘部關節的運動姿勢以及關節彎曲情況，有助于使用者了解自身肘部健康狀況，保持良好運動姿態。針對肘部運動特征設計了不同狀態下的信號響應，實驗證明:彎曲力的作用較正壓力產生更強的壓電信號響應,符合肘部的運動特征，證明了提出的方法實際可行，為人體的肘部受力研究提供依據。實現了PVDF靜電紡傳感器肘關節監測并且有良好的可穿戴性，為人體的肘部受力研究提供了依據。

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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

國家自然科學基金資助項目(11502163)

TS 176

A

1000—9787(2017)09—0104—02

王 威(1965-)，女，通訊作者,博士，教授，主要從事天然纖維復合材料、智能可穿戴紡織品的研究工作，E—mail：616573386@qq.com。