适用于离子电子聚合物传感器的高灵敏线性电路及设计方法技术

一种适用于离子电子聚合物传感器的高灵敏线性电路及设计方法，该电路包括交流电源、电感、离子电子聚合物传感器、参考交流电和锁相放大模块；本发明专利技术还公开了该电路的设计方法，通过电路方程结合线性优化，针对不同载荷

【技术实现步骤摘要】
适用于离子电子聚合物传感器的高灵敏线性电路及设计方法


[0001]本专利技术涉及离子电子聚合物传感器
，具体涉及一种适用于离子电子聚合物传感器的高灵敏线性电路及设计方法。

技术介绍

[0002]离子电子聚合物传感因其具有极高的灵敏度、抗干扰性、低检测噪声和动/静态力响应等主要优点，在环境相互作用、健康监测和运动识别领域有着独特的应用。目前，以可穿戴、可植入或可消化的形式，离子电子聚合物传感器正在向医疗和保健方向发展。此外由于大多数聚合物具有光学透明的特性，因此离子电子聚合物传感器还有望用于透明交互式体验产品中，如内窥镜等。在传感的过程中，传感器将外界载荷转化为离子电子聚合物的变形或金属与聚合物界面变化从而引起其电学量的变化进行传感。在实际应用中，载荷引起其电学量的变化还必须要通过专用的数据采集和信号处理电路以得到能够直接使用的电压信号。在上述的低功耗电子产品中利用特殊的采集电路实现离子电子聚合物传感器的高性能工作，对于新兴的可穿戴监测和一次性应用等来说是及其重要的。线性度和灵敏度是衡量一个传感器信号采集电路性能的重要指标，其受多方面因素的影响，如传感器的力电特性、电路的类型、电路元件值的大小等。线性度是指实际的输入/输出特性曲线与理想输入/输出特性曲线(称拟合直线)的接近与偏离程度(线性度又称为“非线性误差”)。该值越小说明线性特性越好，也大大减轻了在实际的数据处理中的困难；灵敏度是指采集电路的输出信号与传感器外加载荷的比值大小。在相同的噪声水平下，该值越大则传感器的信噪比越高。
[0003]离子电子聚合物传感器至今仅发展了10余年，因为其高灵敏度和高信噪比而被科研人员广泛关注。其能在微小载荷下产生巨大的电学量变化。但由于其变化是极度非线性的，利用其采集的数据在实际使用中受到了极大的限制。在现有的传感器采集电路技术中，多使用串联电阻分压、高灵敏电阻桥等，如电容/压阻式麦克风、电阻应变片等。由于传统的传感器单位载荷下其电学量变化不大，因此现有的传感器采集电路技术完全能够满足其需求。但对于离子电子聚合物传感器而言，目前尚无适用的低功耗、高灵敏线性电压采集电路，这对于新兴的传感技术能够用于实际当中十分不利。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种适用于离子电子聚合物传感器的高灵敏线性电路及其设计方法，以解决现有的离子电子聚合物传感器电压采集电路非线性或不适用的问题，推进离子电子聚合物传感器从实验室走向人们的实际生活。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种适用于离子电子聚合物传感器的高灵敏线性电路，所述的高灵敏线性电路包括交流电源、电感和离子电子聚合物传感器，以及参考交流电源和锁相放大模块；所述交流电源、电感、离子电子聚合物传感器串联形成的LCR共振电路中电感两端的交流分压通过信
号通道连接在锁相放大模块上；同时，同频率同相位的参考交流电通过参考通道也连接在锁相放大模块上，锁相放大模块通过两路交流信号的运算放大，输出最终的直流电压信号；其中，交流电源、离子聚合物传感器和电感组成核心电路。
[0007]所述交流电源的幅值不能超过对应离子电子聚合物传感器的电化学窗口以避免电化学反应导致传感器失效(通常小于1Vpp)；所述交流电源的频率的选择应尽量使得离子电子聚合物传感器处于容性或容性为主阻性为辅的频率区间；
[0008]所述离子电子聚合物传感器是指金属与离子型聚合物相互接触所构成的传感器，例如典型的上层为金属中层为离子聚合物下层为金属的三明治压缩传感结构。在交流电下金属和离子型聚合物接触的部分会形成双电层电容，离子型聚合物内部等效为体电阻；
[0009]所述的参考交流电源幅值大于锁相放大模块的参考通道要求电压的最低值，频率和相位与核心电路中的交流电源保持一致；
[0010]所述的锁相放大模块的功能用途有两个，一是滤波：根据正弦函数的正交性原理通过运算仅输出核心电路中与交流电源频率一致的分压信号变化，将交流分压输出转化为幅值的直流分压输出，从而提高电感和离子电子聚合物传感器的抗干扰能力；二是放大：在环境噪声一定的前提下，通过内置的运放对直流分压输出进行放大处理，以提高离子电子聚合物传感器的信噪比。
[0011]所述金属与离子型聚合物相互接触所构成的传感器为上层为金属、中层为离子聚合物、下层为金属的三明治压缩传感结构。
[0012]所述使得离子电子聚合物传感器处于容性或容性为主阻性为辅的频率区间为10kHz～200kHz。
[0013]所述的适用于离子电子聚合物传感器的高灵敏线性电路的设计方法，所述高灵敏线性电路是通过电路方程结合线性优化的设计方法进行设计的，具体为：首先，将离子电子聚合物传感器在交流电下的等效电路元件确定(绝大多数情况为电容串联电阻的情况)，将等效电路元件与电感串联形成LCR电路，随后将参考交流电接入锁相放大模块的参考通道，将LCR电路中电感两端的交流分压接入锁相放大模块的信号通道；其次，利用电路方程计算出最终锁相放大模块的直流电压输出；最后，定义一种差值函数，其为不同载荷下离子电子聚合物传感器的电压输出和载荷比值之间的差值；通过优化交流电源频率、电感的大小使得差值函数最小化，得以使高灵敏线性电路的输出线性化。
[0014]所述的设计方法，交流电源为U(f)＝U0sin(2πft)，其中U0为交流电源的电压幅值，定值电感为L，离子电子聚合物传感器在交流电路中等效为双电层电容C
g
串联体电阻R
g
；则电感两端的交流分压为电感两端的交流分压为其中N(t)为高频噪声，U
L
为电感两端的交流分压幅值，为感两端的相位差；当参考交流电为时，其中U
ref
为参考交流电的电压幅值，为参考交流电压的相位差，电感两端分压经过锁相放大模块后，输出电压V
out
通过以下电路方程计算；
[0015][0016]当参考交流电压的相位差与电感两端的相位差相同时，传感器电压输出则
为：
[0017][0018]上式中的双电层电容和串联体电阻均为交流电源频率f和载荷P的函数，即C
g
(f,P)，R
g
(f,P)；通过实验获得离子电子聚合物传感器的基本力电性能C
g
(f,P)和R
g
(f,P)后，优化交流电频率f和定值电感L的大小能够使得载荷P和输出电压V
out
线性化，其电路的灵敏度即单位载荷下的输出电压大小能够通过调整离子电子聚合物传感器力电性能以及该电路的放大倍率实现。
[0019]所述离子电子聚合物传感器的基本力电性能电容C
g
(f,P)和电阻R
g
(f,P)数据是通过控制变量的实验测得的，其实验流程为：首先，将离子电子聚合物传感器连接交流阻抗分析仪，以获得在预设交流电频率下的电容和电阻；其次，在固定交流电频率f1下，对离子电子聚合物传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于离子电子聚合物传感器的高灵敏线性电路，其特征在于：所述的高灵敏线性电路包括交流电源、电感和离子电子聚合物传感器，以及参考交流电源和锁相放大模块；所述交流电源、电感、离子电子聚合物传感器串联形成的LCR共振电路中电感两端的交流分压通过信号通道连接在锁相放大模块上；同时，同频率同相位的参考交流电通过参考通道也连接在锁相放大模块上，锁相放大模块通过两路交流信号的运算放大，输出最终的直流电压信号；其中，交流电源、离子聚合物传感器和电感组成核心电路。2.根据权利要求1所述的一种适用于离子电子聚合物传感器的高灵敏线性电路，其特征在于：所述交流电源的幅值不能超过对应离子电子聚合物传感器的电化学窗口以避免电化学反应导致传感器失效；所述交流电源的频率的选择应尽量使得离子电子聚合物传感器处于容性或容性为主阻性为辅的频率区间；所述离子电子聚合物传感器是指金属与离子型聚合物相互接触所构成的传感器，在交流电下金属和离子型聚合物接触的部分会形成双电层电容，离子型聚合物内部等效为体电阻；所述的参考交流电源幅值大于锁相放大模块的参考通道要求电压的最低值，频率和相位与核心电路中的交流电源保持一致；所述的锁相放大模块的功能用途有两个，一是滤波：根据正弦函数的正交性原理通过运算仅输出核心电路中与交流电源频率一致的分压信号变化，将交流分压输出转化为幅值的直流分压输出，从而提高电感和离子电子聚合物传感器的抗干扰能力；二是放大：在环境噪声一定的前提下，通过内置的运放对直流分压输出进行放大处理，以提高离子电子聚合物传感器的信噪比。3.根据权利要求2所述的一种适用于离子电子聚合物传感器的高灵敏线性电路，其特征在于：所述金属与离子型聚合物相互接触所构成的传感器为上层为金属、中层为离子聚合物、下层为金属的三明治压缩传感结构。4.根据权利要求2所述的一种适用于离子电子聚合物传感器的高灵敏线性电路，其特征在于：所述使得离子电子聚合物传感器处于容性或容性为主阻性为辅的频率区间为10kHz～200kHz。5.权利要求1至4任一项所述的适用于离子电子聚合物传感器的高灵敏线性电路的设计方法，其特征在于：所述高灵敏线性电路是通过电路方程结合线性优化的设计方法进行设计的，具体为：首先，将离子电子聚合物传感器在交流电下的等效电路元件确定，将等效电路元件与电感串联形成LCR电路，随后将参考交流电接入锁相放大模块的参考通道，将LCR电路中电感两端的交流分压接入锁相放大模块的信号通道；其次，利用电路方程计算出最终锁相放大模块的直流电压输出；...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭浩宇，卢同庆，杨孟，刘建星，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：