基于改性钕铁硼磁体的无源呼吸气流传感器.pdf

生 物 医 学 工 程 研 究 ，（）：国家自然科学基金资助项目（，）；湖南省高新技术产业科技创新引领计划项目（）；常州市科技支撑计划项目（）。通信作者 ：；基于改性钕铁硼磁体的无源呼吸气流传感器潘洁，邓林红，刘磊（常州大学 材料科学与工程学院，常州 ；常州大学 生物医学工程与健康科学研究院，常州 ）摘要：为解决现有基于电磁感应的无源气流传感器因磁性薄膜磁性低而导致测量信号微弱、不易被采集的问题，本研究通过钛酸酯 硬脂酸复合偶联剂对钕铁硼磁粉进行表面改性，将磁粉改性为疏水性，减少磁粉在薄膜中的团聚现象，进而增大磁性薄膜的磁性及线圈切割磁感线的感应电动势强度，最终提升传感器的信号检测性能。实验结果显示，本研究制备的传感器在气流速度为 时能产生 的感应电动势，较其他方法提高了两个数量级以上。该传感器不仅能有效减少在呼吸信号采集和传输过程中的信号失真，且可以稳定、准确地实时监测人体呼吸流量和频率，可为进一步开发高效灵敏和便携节能的呼吸气流检测系统提供研究基础，具有良好的应用前景。关键词：电磁感应；呼吸流量；偶联剂；无源传感器；钕铁硼磁粉；表面改性中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；引言根据世界卫生组织的报告，呼吸系统疾病在过去几年已成为全球致死率第三的疾病 。因此，实时监测呼吸气流 以直观地了解人体呼吸状况对预防呼吸系统疾病有重要意义 。呼吸气流检测生物医学工程研究第 卷系统中最重要的组成部件是呼吸气流传感器。该传感器为呼吸监测实时化、智能化提供数据支持。目前，气体流量传感器几乎都需要电池等外接电源提供能量，不仅极大限制了呼吸气流检测系统的应用场景，还会造成废旧电池的污染问题 。为解决上述问题，开发可自主产电的无源 呼吸气流传感器成为研究的热点。目前，常见的无源方式包括压电发电 、摩擦发电 、热电发电 和磁生电 等，其中，磁生电结构简单、成本低、质量轻，适用于构建无源气体流量传感器。磁生电基于法拉第电磁感应原理 ，利用闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动使电路的磁通量发生变化，产生电流，从而将机械能转化为电能。等 使用柔性钕铁硼薄膜、液态金属设计出一款基于电磁感应的气流流量传感器，并验证了该传感器可在无外部电源的情况下，实时监测人体的呼吸状况。但该呼吸气流传感器测出的电动势只能达到几十微伏，易被采集电路中的噪声信号淹没，为后续精准采集、传输及分析呼吸气流数据增加了难度。本研究采用钛酸酯 硬脂酸复合偶联剂改性的钕铁硼磁性薄膜与多匝线圈，设计了一种基于电磁感应的无源呼吸气流传感器。通过对比分析，该传感器相比于文献报道的传感器具有更优的传感性能 ，且具有良好的稳定性和准确性，可用于实时监测人体呼吸状况。无源呼吸气流传感器设计 呼吸气流传感器结构本研究制作的气流传感器结构见图 ，包括线圈、空心圆管、柔性钕铁硼磁性薄膜三部分。将低弹性模量、高延伸率的双组分室温硫化硅橡胶材料（）作为载体，在其表面粘附钕铁硼橡胶薄膜，并将其封装到布满线圈的空心柱上，制成无源呼吸气流传感器。图 无源呼吸气流传感器示意图 呼吸气流测量原理根据法拉第电磁感应原理可知，图 中气流传感器产生的电动势的大小与穿过线圈电路的磁通量变化率和闭合线圈匝数的乘积成正比；当有呼吸气流通过空心圆管时，气流推动薄膜运动，使穿过闭合线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电动势。柔性钕铁硼薄膜制备经研究表明，钕铁硼磁粉 是亲水的极性物质，而聚二甲基硅氧烷（，）是疏水的非极性物质，二者之间亲和性较差，导致磁粉在 中出现严重的团聚现象，限制了磁性薄膜的磁性。为提高钕铁硼薄膜的磁性，本研究使用偶联剂处理磁粉表面，将其改性成疏水性材料，提高磁粉与 之间的亲和性，减少团聚现象，增加磁粉的填充量，从而增强磁性薄膜的磁性 。材料与仪器钕铁硼磁粉（，目，广州新诺德传动部件有限公司），聚二甲基硅氧烷（，美国陶氏化 学 公 司），双 组 分 室 温 硫 化 硅 橡 胶 材 料（，北京天童华艺景观科技有限公司），钛酸酯偶联剂（，南京和润偶联剂有限公司），硬脂酸偶联剂（，阿拉丁），无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司）。精密电子天平（德国 ），磁力搅拌器（瑞士 ），电化学工作站（东华分析，），干燥箱（弗尔德（上海）仪器设备有限公司，），接触角测量仪（上海中晨数字技术设备有限公司，）。偶联改性钕铁硼磁粉将一定量的偶联剂溶于 的无水乙醇，然后将 烘干的钕铁硼磁粉多次加入到制备的溶液中，在恒温磁力搅拌器中共混一段时间后抽滤、烘干，得到改性后的磁粉。通过测试偶联剂改性后钕铁硼磁粉的接触角，检测其疏水性能。接触角以去离子水为介质滴在材料表面，水与材料表面的接触角越大，材料的表面疏水性能越好；反之，材料的表面亲水性能越好。活化率指通过偶联剂疏水处理后的粉体比例，活化率越大，材料的疏水性能越好；反之，材料的亲水性能越好。图 为改性前后磁粉的接触角照片。图 （）为未改性的磁粉，接触角为 ，表示磁粉本身为亲水性；图（）（）分别为硬脂酸、钛酸酯、钛酸酯 硬脂第 期潘洁，等：基于改性钕铁硼磁体的无源呼吸气流传感器酸改性的磁粉，接触角分别为 、。可见钛酸酯 硬脂酸复合偶联剂对磁粉的改性效果优于钛酸酯和硬脂酸。图 为不同反应条件下偶联剂改性磁粉后的接触角与活化率。综合接触角与活化率的测试结果，得出磁粉的最佳改性偶联剂为钛酸酯 硬脂酸，最佳改性条件为 、，改性后磁粉的接触角、活化率分别为 、，均优于其它两种偶联剂改性的磁粉。因此，本研究以钛酸酯 硬脂酸作为磁粉的改性剂。柔性钕铁硼磁性薄膜的制作首先，使用直接包覆法将改性后的钕铁硼磁粉与 以 的重量比混合，得到均匀的黑色混合物；然后将黑色混合物倒入 打印模具中，在常温下固化得到磁性薄膜；最后将磁性薄膜放入充磁机中充磁，得到具有均匀磁性的钕铁硼磁性薄膜。图 接触角照片 图 接触角与活化率 实验结果与分析本研究制备的基于电磁感应的呼吸气流传感器实物图，见图 。呼吸气流传感器感应电动势测试图 为传感器感应电动势测试方案与检测信号结果。实验将双水平正压通气治疗机（，苏州鱼跃医疗科技有限公司）作为固定风源，连接到传感器上，向传感器输出固定流速的空气气流。图（）中，当空气流速为 时，传感器产生的电动势幅值达到 ，相对于同类传感器在 风速下产生?电动势幅值高出两个数量级，且根据法拉第电磁感应定律，电动势的大小与穿过电路的磁通量变化率成正比。因此，本研究制备的传感器在测量气流信号方面具有显著优势。生物医学工程研究第 卷注：多匝漆包铜线；钕铁硼磁性薄膜；打印的空心圆柱。图 呼吸气流传感器实物图 图 传感器的感应电动势 第 期潘洁，等：基于改性钕铁硼磁体的无源呼吸气流传感器 气流传感器实测人体呼吸试验为测试所制备的呼吸气流传感器的稳定性和准确性，本研究对 位健康志愿者进行了呼吸气流实测。图 为传感器的稳定性测试，其中图 （）为实测人体呼吸信号的示意图，志愿者口含传感器腔体，通过口腔进行呼吸，然后使用电化学工作站测量呼吸信号并传递至上位机。通过对传感器在第 天、第 天和第 天的长时间正常呼吸测试，结果见图（），图 （）（）为图 （）的放大图。由图 可知，实测人体呼吸信号的响应曲线较为一致，表明本研究制备的呼吸气流传感器具有较好的稳定性。表 为呼吸气流传感器的通用性测试结果。由 位受试者的测试数据可知，在快速、慢速和正常呼吸下，传感器测试呼吸率与受试者实际呼吸率一致。结果表明，本研究制作的呼吸气流传感器可灵敏、准确地实时监测人体的呼吸状况。图 人体呼吸信号采集分析 表 传感器采集呼吸频率测试 编号呼吸率（次 分钟）慢速实际测试正常实际测试快速实际测试受试者 受试者 受试者 受试者 受试者 结论本研究针对基于电磁感应的无源气流传感器测得信号微弱、不易被采集的问题，通过钛酸酯 硬脂酸复合偶联剂将钕铁硼磁粉改性为疏水性材料，提高其在 中的分散性与填充量，以增强薄膜磁性，进而提升传感器的信号检测性能。结果显示，本研究制作的呼吸气流传感器能产生高达 的感应电动势，较同类传感器产生的感应电动势提高了两个数量级，具有较好的传感性能，且可稳定、准确地实时监测人体呼吸的流量和频率。此无源气流传感器的改进为进一步开发高效、灵敏、便携、节能的呼吸气流检测系统提供了研究基础，具有良好的应用前景。参考文献 （）：生物医学工程研究第 卷 （），（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，（）：郝冬冬，丁永红，闫秋羽 偶联剂处理滑石粉填充聚乙烯薄膜的研究 包装工程，（）：王晨，李芮地，南婷婷，等 氢氧化镁的铝酸酯偶联剂表面改性 青岛科技大学学报（自然科学版），（）：（收稿日期：）