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    压电薄膜传感器实用电路设计和原理

    发布者:深铭易购     发布时间:2019-08-14    浏览量:156

    压电薄膜拥有独一无二的特性,作为一种动态应变传感器,非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。本文将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。

     

    压电薄膜传感器是器件X1。在原型设计当中,使用了测量专用的 LDTM-028K器件。这个传感器的一端已经施加了一个很小的重力,在这端再增加大的重力,可以提高灵敏度。传感器通过R1连到运放U1的非反向输入端,R1可防止过压对运放的输入造成损害。如果传感器承受的加速度非常高(如重击),就很可能发生这种情况。R1也可以用来减小来自X1的信号幅值。这个电路中的R11GΩ。R2是输入分流电阻,1pA的泄漏电流会流过R2,其数值也是1GΩ,产生1mV的偏置电压(加到运放的实际偏置电压上)。R22.5V的参考电压,设定运放的静态输出电压。运放是ISL28158(或任何其他具有超低输入偏置/泄漏电流的器件)。运算放大器使用+5V DC电源供电。直流增益由R3R4设定,在这个电路中是+2V/V1μF的电容器(C3)构成了低通滤波器,减小了电路对更高频振动的响应。这里最好用薄膜电容器,因为陶瓷电容器可能引入附加的讨厌的压电效应(即常说的颤噪效应)。如果需要额外的低通滤波,在运放的输出端,即图中的R5C4,可以增加一个额外的极点。

     

    X1安装到电路板上,这样重力就会加到电路板的下面,传感器会在所要测量加速度的方向上弯曲。调小R1可提高灵敏度。调整C3C4可改变低通滤波器的时间常数。

     

    压电薄膜传感器工作原理

    当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜(压电薄膜),薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号(电荷或电压),并且同拉伸或弯曲的形变成比例。一般的压电材料都对压力敏感,但对于压电薄膜来说,在纵向施加一个很小的力时,横向上会产生很大的应力,而如果对薄膜大面积施加同样的力时,产生的应力会小很多。因此,压电薄膜对动态应力非常敏感,28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变(长度的百万分率变化)。

    使用‘动态应力’这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失,所以压电薄膜并不能探测静态应力。当需要探测不同水平的预应力时,这反而成为压电薄膜的优势所在。薄膜只感受到应力的变化量,最低响应频率可达0.1Hz


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