压电薄膜传感器

Sleep Monitoring Belt

睡眠监测带是一条长800毫米、宽8毫米的压电薄膜(压电PVDF聚合物)。活性电极区长698.5mm，宽3mm。监测带的总厚度约为50微米，使用非常灵活，放置在身体下，完全无法察觉到。电气连接是通过两个卷曲的焊锡片。当受到动态应变(长度变化)时，监测带产生电荷或电压输出。当安装在床垫上与胸部/心脏成一条直线时，这条带子可以探测到心脏的声音，由于呼吸而引起的负荷或重心的微小变化。这些信号可以在一段较长的时间内(如夜间)进行评估，并可能指示持续时间、阶段或睡眠质量。

    该传感器不需要外部电源，因此适用于电池驱动的设备，能够保持电力消耗最低。

0.1 Hz data    Q p-p      V p-p OC

脉搏             0.5-1 nC     75-150 mV

呼吸              2-7 nC       0.3-1 V

运动            100-500 nC   10-70 V

    峰间电荷(Qp-p)和开路条件下的电压(Vp-p OC)仅作为一个常用的指南。床垫的合规性、床上用品的厚度和材质、使用者在床上的姿势/方向、体型、体质和健康等因素都会影响信号的强弱。

  与任何压电传感器一样，睡眠监测条的低频响应是由传感器所连接的外部电路设置的。在真正的开路条件下，电荷通过压电介 质材料的泄漏是最小的，低频响应扩展到接近直流(1mHz)。在实际应用中，有必要定义一个功能极限，以避免长期漂移和由薄膜热释电响应产生的缓慢但高振幅的潜在信号。成年人的呼吸频率通常被认为在每分钟12到18次之间，尽管这可能在睡眠期间有所减少。如果我们想要捕获，比如说，降到每分钟10次，这就需要一个在0.16赫兹有最小衰减的网络。

    压电薄膜实验室放大器(TE Part #   1007214-X)提供了一个可选择的0.1   Hz的较低的限制频率，这在这种情况下是有用的。此外，可以设置10 Hz的上限频率，以消除不必要的50/60 Hz的干线(线路)干扰。提供了广泛的总增益范围，并且放大器可以在充电模式或电压模式下工作。

压电薄膜实验室放大器(TE Part #   1007214-X)提供了一个可选择的0.1   Hz的较低的限制频率，这在这种情况下是有用的。此外，可以设置10 Hz的上限频率，以消除不必要的50/60 Hz的干线(线路)干扰。提供了广泛的总增益范围，并且放大器可以在充电模式或电压模式下工作。

    不建议将睡眠监测带直接连接到传统的示波器输入端(输入电阻为1M)，因为这将形成一个截止频率(到-3dB)约为22hz的高通滤波器。这将大大减弱目标信号由于呼吸或脉搏。

    为了用一个简单的电压模式电路获得对0.1 Hz (-3dB点)的响应，输入电阻需要达到220M。

    如果只需要心率(而不需要呼吸频率)，那么在13赫兹范围内的较低的限制频率可能就足够了。例如，在2hz使用高通滤波器并不会阻止检测到重复频率为1hz甚至更低的脉冲序列，因为每个脉冲包含分布在一个频带上的信号能量。

上图显示了一个大约67秒的时间记录，有13个明显的呼吸周期。低振幅脉冲信号可以看到叠加在高振幅慢呼吸周期。采用压电薄膜实验室放大器，电荷模式，10nF反馈电容，0.1 Hz LLF, 100k Hz ULF, 0 dB增益。采样频率1k Hz, 12位分辨率，+/- 1v范围。注意，信号是双极性的(相对于系统地，既有正的也有负的摆动)。

上面是一个较长的时间记录(234s持续时间)，捕捉了大约52个呼吸周期，使用与以前相同的仪器设置，但使用100赫兹采样率。这个记录是使用FFT(快速傅里叶变换)分析的，它有16K块大小(平均超过23377个数据点)，平坦窗口

上面的频谱图被放大到0- 10hz的范围。峰值出现在0.226 Hz(每分钟13.6次呼吸)。平均心率在1.1 Hz有一个小峰(几乎看不见)，2.2 Hz、3.3 Hz等有谐波污染。从图中可以看出，FFT对原始数据的处理可能不适合从时间信号中提取心率。再一次，2赫兹的数字高通滤波被证明在抑制呼吸信号和显示心率方面是有效的。

可以看出，睡眠监测带的应用非常广泛，可以监测心跳，呼吸等多方面睡眠，呼吸等状态，适用于家庭，ICU病床等监护场合。但是同时对于后续放大电路的处理要求也比较高，必须相应的技术处理能力才能够更好地应用。