基于P(VDF-TRFE)的柔性纳米可穿戴脉搏传感器设计及其应用研究.pdfVIP

摘要

脉搏信号蕴含了丰富的人体的生理与病理信息，其已在许多领域进行应用，比如基于脉

搏的情绪识别分析。传统的脉搏信号检测方法有光电容积脉搏波描记法（也称为PPG法）和

压力检测等脉搏检测方法，其中PPG法检测精度有限、受日常光变化的影响较大，压力检测

法多用刚性结构，如压电陶瓷传感器等，其柔性和可穿戴性舒适性差。因此对脉搏波信号的

检测及分析识别方法进行深入研究有重要的科学意义和临床需求。

首先，本文针对以上所述脉搏波检测技术的缺点，提出了一种基于聚(偏氟乙烯-三氟乙

烯)(P(VDF-TRFE))/GR(石墨烯)的柔性可穿戴纳米压电脉搏传感器的设计方案。作者研制并搭

建了一套基于实验室原有的旧的垂直高压静电纺丝设备改进而来的水平高压静电纺丝优化实

验平台，基于该装置，提出了一种利用静电纺丝工艺制备P(VDF-TRFE)/石墨烯(Graphene,以

下简称GR)复合纳米纤维薄膜的方法并对其纳米纤维特征和压电性能进行了研究。作者制备

了含不同石墨烯组分的P(VDF-TRFE)/GR复合纳米纤维薄膜，并通过扫描电镜(SEM)观测了

不同薄膜样品的纳米纤维形态结构特征。经扫描电镜观察，发现加入适量的石墨烯所制备的

复合薄膜的纳米纤维排列更加有序，孔隙均匀度上升，纤维直径减小且分布更加均匀，薄膜

柔性较好。

其次，设计并制备了以复合薄膜为功能层的柔性压电传感器，并对其进行了电响应输出

测试和电容充电测试，发现随着石墨烯浓度的上升，柔性压电传感器的开路输出电压、短路

输出电流和电容充电效率有显著提高，其中含0.2%石墨烯的P(VDF-TRFE)/GR柔性压电传感

器样品的开路输出电压、短路输出电流比纯P(VDF-TRFE)样品分别增加了大约2.0倍、2.2

倍。针对实验得到的压电性较好的含0.2%石墨烯的P(VDF-TRFE)/GR柔性压电传感器，作者

设计了P(VDF-TRFE)/GR柔性压电传感器的后端调理电路模块，模块由电荷放大、电压放大

以及偏置电路三部分组成。该模块将压电传感器获得的桡动脉脉搏信号放大后，经USB-6008

数据采集卡传输给LabVIEW的采集模块，最后在LabVIEW平台上实现脉搏信号的最终采集、

滤波和存储。

研究了脉搏信号的去噪方法。本文提出了一种改进的可调小波阈值函数对脉搏信号进行

去噪，去噪实验结果表明，改进的小波阈值函数，对脉搏信号去噪后所得到的均方误差与信

噪比两种性能指标均优于本文介绍的几种常见的小波阈值函数。

研究了基于脉搏波信号的情绪分类识别方法，基于去噪后的脉搏信号的特点，采用差分

阈值法准确的检测到了脉搏的主波峰，并提取了一共25种特征参量，包括5种时域特征和

20个离散小波特征参量。采用了基于网格有哪些信誉好的足球投注网站算法(GSA)进行过参数寻优的SVM算法对脉

搏波信号进行情绪分类识别。本文使用的脉搏波数据集包括公开脉搏情绪研究数据库中300

例关于平静、高兴以及悲伤情绪状态下的脉搏波信号各100例，本文研制的P(VDF-TRFE)/GR

柔性压电脉搏传感器采集的75例关于平静、高兴以及悲伤情绪状态下的脉搏波信号各25例。

利用GSA-SVM算法分别构建了具备分类平静与高兴、平静与悲伤以及高兴与悲伤三个基于

脉搏信号的二分类情绪识别模型。研究结果表明：经训练的情绪识别模型对平静与高兴状态

下的情绪识别率达到84.02%，对平静与悲伤状态下的情绪识别率达到80%，对高兴与悲伤状

态下的情绪识别率达到88%。

研究结果表明，本文提出的基于P(VDF-TRFE)/GR复合薄膜的柔性纳米压电传感器的脉

搏检测分析方法具有一定的可行性和先进性，在脉搏信号检测和情绪分析等领域有一定的应

用前景。

关键词：静电纺丝、P(VDF-TRFE)压电薄膜、脉搏传感器、情绪识别

ABSTRACT

Pulsesignalcontainsabundantphysiologicalandpathologicalinformationofhumanbody,

whichhasbeenappliedinmanyfields,suchasemotionrecognitionandanalysisbasedonpu