PVDF压电薄膜在足底压力测量中的应用

    足部关联着人体的五脏六腑和各个器官,被称为“人的第二心脏”^[1]。测量、分析足底的压力可知不同足底压力分布特征和模式,这对临床医学诊断、疾患程度测定、术后疗效评价、生物力学及康复救治、体育训练和功能鞋的设计研究有重要意义^[2]。因此,在20世纪末,发达国家均加快了足底压力测量工具的研制。

    目前,测试鞋或鞋垫将成为足底压力测量的主流工具。在研制测试鞋或鞋垫时,选合适的传感元件很重要。对于可在足底压力测量的理想传感器,应能测量压力分布,对接触测量影响小,具有高的测量灵敏度,且满足动态测试要求。现有的接触压力传感器大都为单点,且体积较大,难满足测量要求。目前所研制的测试鞋或鞋垫采用的传感元件主要以导电橡胶和应变片为主。由于导电橡胶材料对变形恢复有滞后效应,不能适应往复压力变化,特别是动态力的测试,因此系统的稳定性和重复性遭受质疑。而使用应变片作为传感元件,其引线易脱落,因此解决引线问题成为设计过程中面临的最大难题。

    聚偏氟乙烯(PVDF)是一种新兴的高分子材料。1969年,Kawai发现经过高倍率拉伸、高电场下极化以及真空蒸发金属电极后的PVDF薄膜具有明显的压电特性。经过几十年的基础与应用研究,PVDF的性能获得了明显提高。近年来,PVDF在测试领域得到了广泛的应用。它与传统的压电材料相比,具有频响宽,动态范围大,力电转换灵敏度高,机械性能强度高,膜轻且柔韧,稳定性及重复性好等优点,易制成不同形状的传感器阵列^[3]。本文将PVDF压电薄膜应用于足底压力测量,详细介绍了PVDF压电薄膜的工作原理,并以16点PVDF压电薄膜阵列传感器为例,介绍了PVDF压电薄膜阵列传感器的制作过程以及调理电路的设计,并给出了试验测试结果,为足底压力测量创造了条件。

    1　PVDF压电薄膜的工作原理

    当PVDF压电薄膜被加载外力时,它的上下两个表面会产生极性相反、大小相等的电荷,可以把它看成是二极板上聚集异性电荷,中间为绝缘体的电容器。当PVDF压电薄膜受力后,输出电荷与外力间的关系为^[3]。

式中　q_i为薄膜单位面积输出的电荷;σ_j为薄膜承受的应力;Fj为薄膜承受的外力;Q_i为薄膜总的输出电荷;d_ij为薄膜的压电应变常数。

    当二个极板聚集一定电荷时,极板间存在一定的电压

    U_a=q/C_a                  (2)

式中q为极板上聚集的电荷量;C_a为PVDF压电薄膜两个表面间的等效电容。所以,可以把PVDF压电薄膜看成是一个等效电荷源和一个电容器相并联,如图1(a)所示。在实际测量中,PVDF压电薄膜传感器还必须考虑外接电路的电容和电阻,因此,PVDF压电薄膜传感器的实际等效电路^[4]如图1(b)所示。在此等效电路中,传感器的绝缘电阻与前置放大器的输入电阻相并联,为了保证传感器的低频响应,尽量减少静态测量误差,要求传感器的绝缘电阻应保持在1 013Ω以上,才能使电荷泄露减少到满足精度要求。同时前置放大器要有较大的输入电阻,以防止传感器的电荷通过输入电路泄露。