压电陶瓷脉搏传感器的特性及应用

李长安 赵刚

摘要：为了测量脉搏信号，研究设计了压电陶瓷脉搏传感器及测量装置，该传感器利用压电陶瓷正压电效应制成，实测表明可得到信噪比高的脉搏信号。

关键词：压电陶瓷;正压电效应;脉搏传感器

中图分类号：TP212.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）12-0013-02

0 引言

随着科学技术的发展和应用，以及生物医学、数学、生物力学、生物物理学、计算机技术等向中医领域的渗透， 脉诊客观化取得了长足的发展。

本文基于锆钛酸铅压电陶瓷片，利用激振器、示波器等作为测试工具，测试并提出了压电陶瓷片作为传感器的两个主要特性，以及在不使用滤波器的条件下，得到了幅度大、信噪比高的脉搏图像，为后续分析脉搏波形与病理性联系提供了可靠的数据[1]。

1 压电陶瓷片传感器的特性分析

压电陶瓷片用作传感器的特性分析所采用的电路原理为分压原理，压电陶瓷片两极分别接在分压电路的两侧，经过仪用放大器INA128放大后输出，通过RIGOL DS1102E示波器进行数据存储和波形分析。

电路中使用的放大器为INA128仪用放大器，利用电阻调平输出端口的电压值，其中电阻Rp接放大器INA128的引脚1和引脚8，用于调节仪用放大器的放大倍数，试验中Rp实际阻值为19.5KΩ，根据放大器INA128的增益公式G=1+计算，其放大倍数理论值约为3.56倍。

1.1 静态压力与输出电压的关系

静态压力是指加在压电陶瓷片上的力的大小不随时间而变化。

对直径为12mm、20mm、27mm、35mm、43mm的压电陶瓷片施加不同的静态压力，待波形稳定以后，通过示波器观察波形。其数据结果如表1所示。

从表1可知，对于压电陶瓷片，当施加静态压力时，其输出电压保持稳定[2]。

当压电陶瓷片因静态压力产生机械形变时，束缚电荷之间的距离变小，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，随后在新的极化强度下，形成新的电量相等的自由电荷，达成新的平衡，对外不显电性。

因此压电陶瓷片不响应静态压力，故不能将其用做测量静态压力的传感器[3]。

1.2 动态应力与输出电压的关系

动态应力是指加在压电陶瓷片上的力的大小随时间而变化。使用型号为JZ-2的激振器做激振源，产生稳态正弦激振力作为动态应力，将作用力直接作用在压电陶瓷片金属片一侧。

对同等厚度直径为12mm、20mm、27mm、35mm、43mm的压电陶瓷片施加频率为1Hz稳态正弦激振力，通过示波器读取峰值电压，得到如表2所示数据。

从表2可知，同一动态应力下压电陶瓷片直径越大，输出电压越大[4]。

2 压电陶瓷片传感器的应用

基于压电陶瓷片的上述特性，将其制作成脉搏传感器。为了避免工频干扰、皮肤干扰，需要对其做接地屏蔽处理，具体方法是：在无陶瓷的铜基板一侧，粘贴塑料薄膜进行隔离，再在塑料薄膜上覆盖导电铜箔胶带，导电铜箔胶带用引线引出，接到电源地上，作为接地屏蔽線。

利用仪用放大器INA128输出端与采集卡NI USB 6001模拟输入端连接，通过采集卡将电压数据采集到计算机中，上位机采用labview进行程序编写，存储数据和波形分析。实际测的脉搏波形如图1所示。

3 结论

主要得到2个结论：（1）压电陶瓷片用作传感器时对静态力无响应，不可对静态压力进行测量。（2）根据动态应力特性，压电陶瓷片尺寸越大，在同等力下的挠度越大，其形变越大，单位面积上所释放的自由电荷也就越多，在制作传感器时可选用尺寸较大的压电陶瓷片，提高灵敏度。

参考文献

[1] 宋道仁，肖鸣山.压电效应及其应用[M].科学普及出版社，1987（8）：32-34.

[2] SirohiJ，ChopraI.Fundamental Behavior of Piezoceramic Sheet Actuators[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2000，11（1）：47-61.

[3] 袁昕天，陆永耕，王照萌，等.压电陶瓷谐振特性模型拟合仿真实验研究[J].自动化应用，2017（2）：10-12.

[4] 袁晓红.压电陶瓷的压电效应分析[J].化学工程与装备，2017（6）：40-41.

Characteristics and Application of  Piezoelectric Ceramic Pulse Sensor

LI Chang-an，ZHAO Gang

（College of  electronic information Sichuan University， Chengdu  Sichuan  610064）

Abstract：In order to measure the pulse signal， the piezoelectric ceramic pulse sensor and measuring device are designed. The sensor is made of piezoelectric ceramic with positive piezoelectric effect. The actual measurement shows that the pulse signal with high signal-to-noise ratio can be obtained.

Key words：piezoelectric ceramic; positive piezoelectric effect; pulse sensor