基于静电纺丝工艺制备的PVDF纤维无线脉搏传感器

1.1 PVDF纤维传感原理
PVDF是一
5种不同结晶相的典型压电
合物，因为氟原子和氢原子的电负性 生强电
偶极矩（（5~0）XI/-30 C• m）使得PVDF具有压电性
和铁电性，因而在
的
为重要［］］
PVDF的每个分子链都
直 合 的偶极
,,
同极性（0、a、Y、6和s相）的总
体偶极聚合物形态,其中室 0相在
率0.4%~0.6%.在50 C的水浴温度下，磁力 ：
3 h,直至获得稳定、均匀的PVDF前驱体溶液.在静
电 技术中，纺丝的条件参数和溶液参数是
的2个重要参数.4
件:纺丝电压设
置为22 kV,,
为10 ~ 10 cm,溶
速为
20 ^L/mid,将环境
在25 C （ ±4%）、相对
在3%（±5%）范围内，即可 直径相对
(Guangdong Provinciai Research Cevtvs for Smart Materiais ang Energy Cooversioo Devices//Guangdong Provinciai Key Laboratora of
Funchonal Soft Congeased Matter〃Schooi ot Materiais ang Energy , Guangdong University ot Technoloyy , Guangzhou 51a006 , China)
的
极 高（5xl4-34C•m）［0］.在偶极矩的作
，
当
到动态外力作用时，在极板表面将发生
生电荷信号u0.
d^AF
%i=--,
⑴
陰为
的
电压（V）, AF为外界施加
的力（N） ,d33为压电电荷系数（pC/N）, C为PVDF
纤维层的电容（F）.
由于静电 工艺在制备PVDF纤维的同时可
以进行极化和拉伸，能够进一步增强PVDF中0相的
机STM0L152能够通过AD
数转换读取信号.
/3.2无线传输模块由于蓝牙技术具有较高的
，且单个体
，易于实现设备的可 化
设计，本系统采用了 BC4（7143芯片与0MFLASH芯
合的、主从一体的 串口 •当 机获
采样信，通
HC-05将信
上位机.上位机通过PyQta在电脑
示的
波信4
12
华南师范大学学报（自然科学版）
华南师范大学学报(自然科学版)
Journai of South China Normai University (Natnrai Science Editioo)
2021,53(3) ：/-14 dol ： 10.6054/j.0cuuu.2021037
基于静电纺丝工艺制备的PVDF纤维无线脉搏传感器
PVDF 电纤维 传感器
■ 滤波电路
信号采集电路
ADC
STM8L 蠶
信号显示 上位机
图1脉搏监测系统 Fiame 1 The sphygmps monimFna system
（.8.1信号采集模块 因为PVDF压电材料本身具
有很大的 ，输出的信号为电荷，而且电荷数量极
,,
要 合适的信号采集电路，将
的
随着我国人口的老龄化进程,心脑血管疾病正 逐渐成为中国居民发病率和致死率最高的一种疾 病⑴.由于此类疾病早期的病征并不明显，导致许
多患者往往在就医前就错过了最佳的治疗时期•因 此，通过对人体生理信息的实时动态监测来判断慢 性心脑血管疾病的研究工作已经引起了人们的广泛 关注.脉搏信号与疾病（尤其是心血管疾病）密切相 关,正常人在平静状态下的脉率（Pulseper min, PRbpm）通常稳定在60~100 min-,而当脉率不 在这个范围内时，应注意心血管系统是否发生了病 变⑵.到目前为止，较为成熟的预防心血管疾病的
测量方案有平面脉搏压力波形测量分析法I34、超 声多普勒法⑸、脉搏波传导测定法［6等.常规的脉 搏信号监护设备价格昂贵,难以随身携带，而且大部 分缺乏无线实时监护功能.基于平面脉搏压力波形 测量分析法的检测装置更为简便，具有可穿戴性，方 便患者长时间佩戴•由于信号主要来源于人体的脉 搏振动信号，因此对于传感器的灵敏度和准确性要 求极高.
林雄威，周 磊，廖付阳，赵小波，鲁圣国**
（广东工业大学材料与能源学院〃广东省智能材料和能量转化器件工程技术研究中心〃 广东省功能软凝聚态物质重点实验室，广州510006）
摘要:采用静电纺丝工艺制备了聚偏氟乙烯（PVDF）纤维，设计了 一种无线可穿戴式的脉搏监测系统.利用柔性纤
维结构对于皮肤表面的良好贴合能力和高灵敏度，检测橈动脉处的表皮脉搏振动情况，通过蓝牙传输方式将脉搏
其中,人为脉搏在1 miv内跳动的频次，Fpean为脉搏
信号相邻 的间隔时间•
采样率为100 s-，先从上位机 的串口
数据中获取300个数据，缓存在数 ，并将数据分
3组.取前100个数据作为第一组,取平 作为
动态阈值"，然后对第ID〜220个数据取平 作
为动态阈值"，再将第200〜300个数据取平 [
聚偏氟乙烯（PVDF）由于具有良好的生物相容 性、高的压电电压输出常数以及柔韧性等特点已经 被广泛地应用于多种医用传感器本文通过静电
收稿日期：2622-60-10
《华南师范大学学报（自然科学版）》网址:http：〃jQnmat-nocnn.3dn.3h
基金项目：国家自然科学基金项目（51372640J102653）；国家自然科学基金-广东省联合基金项目（U15612/6）；东莞市核心技术攻关前沿项
在1啊 ，平均直径在0.63啊.通过能 析
（Egeroy Dispersive Spectrometce ,EDS）对 PVDF 纤
（图2A红色框线区域）和PVDF粉末（图2B红色
框线区域）进行了元
（表1），未发现杂质
元素.
(A)PVDF 纤维
(B)PVD F 粉末
（C）PVD F纤维的直径分布
图2 PVDF样品的SEM图及PVDF纤维的直径分布 Figure 2 The SEM imaaes of PVDF samples ang the diametcs distribution of PVDF fibers
文章编号：1000-5463（ 2021 ）03-0014-05
Thr Wirelest Pulst Sersor Based on PVDF FiUert Derived from tUr Electrospinning Technology
LIN
ZHOU Lei, LIAO Fryang , ZHAO XiaoOo , LU Shengnno *
54.937 45.463
22 PVDF的物相分析
3 对 PVDF
、 PVDF
和无
PVDF 厚膜的 XRD（X-Ray Diff7.5。、18.1。、26.5。处的 峰；
B 相对 20=20.6、、21.2。处的
U4■la]•经过
并极 的PVDF；
率测试对比,来验证PVDF纤维无
的
测
性.实验通过1名健康的测试志愿者
者，在
夹
血氧仪测试的同时在挠动脉
贴上PVDF：
进行脉率测试.
常规 计 率的 ，需要计算1 miv
内的 跳动次数,采样效率过低，这里采用效率相
对较高的动态阈
，即测量相邻2个 跳动
的波 隔时
测试时间就可
刻对应
的脉率.
fp 二畀，
（3）
sen
高
转换成低
•电 大器是将输
电
电荷正比放大的电路，并
电荷
大器的特性 导线电容对电路的
可以
略不计.因此，选
高达/5 TQ的
CA3174芯片作为PVDF压电材料的电 大器.中 的滤波电 据人体 信号的理论范围［1/］选
择滤波 ，针对
大的 进行
波，这
采用OP07芯片作为滤波芯片.最后，对负 分
进行电压抬升，,
目（2619620161006）
* 通信作者:鲁圣国,Emaii: sglu@ gduUedu.ch.
第3期
林雄威等:基于静电纺丝工艺制备的PVDF纤维无线脉搏传感器
11
纺丝工艺 了 PVDF:
，并
•将
PVDF：
固定在橈动 ，待数据采集电
信号采 ，通
发
位
机进行显示，最终实现 的实时和长时监测.
1研究方法
信号实时发送至上位机，实现对脉搏的长时间监控.结果表0：该纤维结构传感器的灵敏度几乎是无结构压电薄膜
的2倍；与商用指夹式血氧脉搏仪相比，平均脉率误差低于3%,在监测人体生理信号的医学领域具有实用价值.
关键词：静电纺丝；聚偏氟乙烯（PVDF）；灵敏度；脉搏监测；无线传输
中图分类号:TP212.3
文献标志码:A
Abstroct: A wireless wearaniv pulsa-monitoyng system was designed based on PVDF fiVers deyvea from the Paetrospinning pacps. The goog idpion of the flexibie fiVers to the sPiv sprfyco ang theV high sensitivitp helped to detect the pulse vibration at raniai artery^s epibermis. The pulse signai was sent to the computer in reai time thronug BluPooth transmission to realiee remote ang long-term monimring of the pulse. The results show that the sensitivitp of the fiber stmcture-derived sensor is almost twice that of the piezoelectric film without fiber stmctnre. Compared with commerciai clamp-tyne oximeto , the averane pen of the new system is less than 3% , which suggests potentiai anplicanilitp in monimring the ppysiolouichi signais of the human bogy. KeyworUt: electrospinning； polyvinylinene fluoribe (PVDF) ； sensitivim； pulse monimring; wireless transmission
极性,获得更多的输出电荷，提高
的
S定
：
其中"为电压信号（V）,F为法向压力（N）.
1.2 PVDF纤维的制备
本实验采用静电纺丝工艺 PVDF
按体积比6：4配制N,N-二甲基
（DMF）和丙酮
混合溶液作为溶剂，然后按质 数10%： PVDF
PVDF的熔体 为2 800 ~ 3 400 Pa • s、吸水
表1静电纺丝制备前后的样品EDS分析 Tanic 1 The EDS analysis of samples before ang ics electro-
spinmng
样品
元素 原子数百分比/% 质量分数/%
PVDF
C
64.784
53.763
F
35.126
46.232
PVDF
C
65.852
F
34.论
",
的3个平 "co.通过"pp再返回数组
寻找大于该数值的 信号，若大于则加1表示
跳动1次），若 10个数据无 则进入下
一组数据比对记录.
2结果与讨论
2.2 PVDF的形貌与成分分析
PVDF纤维、PVDF粉末的SEM图女口图2A、B
所示.采用Imaac-J软件对PVDF纤维的直径进行
计得到 直径的分布（图2C），可知 直径
第53卷
12灵敏度测试
对PVDF：
采用数显拉力计（HP50）
测试,通
，使其能够提供稳定的压力，并
将
与示波器连接，得到
的测试信号.
在1 Ho频率下对
复
力，随着数显
力机在步进电机的驱动 1 Hz的频率对 进
行1.5〜5.4 N的
，通过示波器记录
信号的正负幅值作为输岀电压•
12脉搏信号测试
通过与指夹
血氧仪进行平静状态下的脉
一的 PVDF 4
1.2脉搏监测系统的设计
整的
测系
PVDF：
、信
号采集电路、无
与上位机 4
1
所示,, 动信号通过PVDF;
转换成
电
；再经过信号采集电路进行电 大，当带
通滤波和电压抬升后将信号发
STM0L174的
ADC模数转换端口并处理;最后通过HC-05蓝牙
将信
位机，经 位机EFc6编程
可以在UI界面显示 信号.