基于针织的肘部弯曲传感器传感性能研究

来源:用户上传      作者:刘婵婵　缪旭红　李煜天

　　摘要：为了运用针织导电织物作为柔性传感器来测试肘部弯曲度，对不同工艺条件下的导电织物进行了传感性能测试，以期获得最佳织物工艺.针对不同原料、组织和织物密度设计了三因素三水平正交实验，在圆机上织制了9种规格的导电织物并制作成袖套，测试了人体实际穿着时肘部弯曲过程中导电织物电阻的变化，采用多指标极差法和SAS方差法综合分析了9种导电织物的线性度、稳定性和灵敏度。实验结果表明，影响传感性能的因素从大到小顺序为原料、组织、织物密度，地纱原料的弹性对各传感性能影响最大，所以可以优先选择改变原料的弹性来调整传感器的传感性能。
　　关键词：纬编;柔性传感器;导电织物;传感性能;肘部弯曲
　　中图分类号：TS184.4
　　文献标志码：A
　　文章编号：1001-7003（ 2019） 12-0016-06
　　引用页码：121103
　　随着智能纺织品的快速发展，以纺织品为基底的可穿戴传感器[1-2]的研究受到越来越多国内外学者的关注。根据不同的原理，将传感器嵌入到服装的不同部位可以检测人体不同部位、不同状态下的活动参数[3]，有助于穿着者感受自己活动的节奏并且找到适合自身的运动方式，在活动时肘关节是人体弯曲程度最大的关节之一[4]，因此肘关节运动信息的收集整理对人体运动健康领域的研究起着至关重要的作用。针织柔性应变传感器感应的机理是，在外力的作用下织物变形从而引起其电阻发生相应的改变[5]。国内外许多学者已对电阻式应变传感器的电力学性能进行了大量的研究，但其研究仅限于织物在单轴向力的作用下其电学性能的变化[6-7]。而要将导电织物嵌入到服装中，在人体穿着服装时，服装所受的力多为平面多向的拉伸力或剪切力及三维方向上的弯曲或拉伸力[8]，因此仅研究导电织物在单向力作用下的电学性能并不能反映实际情况。
　　本文选择镀银锦纶纱编织导电区域，锦氨包覆纱、锦纶、氨纶裸纱编织非导电区域，制备了设有针织柔性传感器的袖筒。由于镀银锦纶纱不仅具有良好的导电性而且织成织物后人体在穿着过程中不会出现像穿着金属丝编织而成的服装等不适感，由于锦氨包覆纱和裸氨具有一定的弹性并且导电织物的传感性能与其基底织物的力学性能有着密切的关系，所以选择具有弹性的纱线来编织导电区域的底部。通过人体手臂实际穿着后进行肘关节弯曲电阻测试，针对导电织物的基底原料、组织结构、织物密度对传感性能的影响，设计了3因素3水平的正交实验，分别测试了线性度、灵敏度和稳定性，最后优选出各性能最佳的工艺，从而为关节柔性传感器的设计与开发提供参考。
　　1 实验
　　1.1 材料与设备
　　材料：镀银锦纶纱（ 83. 33 dtex/24 f）（苏州秦克银纤维有限公司），锦氨包覆纱（77. 78 dtex/24 f）、锦氨包覆纱（ 100. 00 dtex/24 f）、锦纶（100. 00 dtex/24 f）（海安四达线带厂），氨纶裸丝（44. 44 dtex）（厦门力隆氨纶有限公司）。
　　设备：VICTOR4105A型低电阻测试仪（深圳胜利仪器），电子角度测试仪（盛泰芯电子科技有限公司），软尺（得力集团有限公司），SM8-TOP2MP2无缝针织机（意大利Santoni公司）。
　　1.2样品制备
　　实验样品选择在E28筒径15 inch（ 38.1 cm）的SM8-TOP2MP2无缝针织机上进行制作，而TOP2在生产织物时地纱和面纱可以同时参与编织，为避免人体穿着导电织物时与身体直接接触所以选择非导电纱线作为地纱，TOP2无缝内衣机分为8路，每一路分别穿有镀银锦纶、锦氨包覆纱和锦纶，其中仅2、6路穿有裸氨。为了探究不同原料的地纱、不同组织结构、不同织物密度的导电织物作为传感器的传感性能，设计了以地纱原料、组织结构、织物密度作为3个因素，各因素有3个水平安排3因素3水平的正交实验（表1）。对不同组织结构的织物进行线圈模拟，如图1所示。其中：红色代表导电纱线，白色代表非导电纱线。
　　1.3传感性能的测试与表征
　　1.3.1测试方法
　　针织柔性传感器传感性能的好坏评价标准主要取决于灵敏度、线性度、稳定性[9]等。为了优选出传感性能较好的针织柔性传感器，本实验采用人体穿着导电织物进行测试不同的工艺参数编织正交实验设计的9种不同的针织柔性传感器，然后选择灵敏度、线性度和稳定性综合评价其传感性能，最后选择最合适的工艺搭配来制备可以检测肘关节运动的针织柔性传感器（图2）。
　　实验步骤如下：
　　1）由于针织柔性传感器较为灵敏，为尽可能保证实验的精确性，选择温度（23±2）℃、相对湿度（65%±3%）、风速小于1m/s的安静室内进行实验。
　　2）以女性为研究对象，选择身高162～167 cm、体重50—58 kg、年龄22～ 27岁的30位女性为被测试者。被测者穿着设有导电区域的无缝袖筒在室内休息10 min以适应实验环境。
　　3）被測者直立坐在凳子上，实际测试如图2所示，手臂完全伸直，用VICTOR4105A型低电阻测试仪和软尺分别测试此角度下的电阻值和导电织物尺寸。为保证测试的准确性，软尺在人体表面进行测试松紧度适量并尽量保持一致，读数时视线应垂直刻度线，不可斜视，每个人每个角度下数据测试3次，取平均值。
　　4）用电子角度测试仪测试手臂能弯曲的最大角度为140°。
　　5）随着手臂外侧从完全伸直完全弯曲，以20°为增量测试每一对应角度下导电区域的电阻值和尺寸变化。
　　6）测试手臂完全伸直一完全弯曲1次电阻差值与第100次完全伸直完全弯曲电阻差值。
　　1.3.2线性度表征
　　根据以上实验测试结果，做出手臂从0°弯曲到140°的角度 电阻之间的关系，然后对函数进行线性拟合，得出相应的线性度R2，其数值越大说明拟合的函数线性度越好。 　　1.3.3稳定性表征
　　测试手臂完全伸直一完全弯曲1次电阻差值与第n次完全伸直完全弯曲电阻之间的关系来表示导电织物的稳定性。本文测试手臂穿着针织柔性传感器弯曲100次电阻差值与第1次弯曲电阻差值之间的关系用δ表示稳定性，δ越小说明传感器的稳定性越好。式中：ARn为第100次完全弯曲与完全伸直电阻差值，AR为第1次完全弯曲与完全伸直电阻差值。
　　1.3.4灵敏度表征
　　从各种实际应用的角度来看，灵敏度是传感器的一个重要问题，为了全方位地检测人体运动，传感器应该足够敏感，以检测微小的应变。测试了导电织物拉伸到50%时，电阻的变化情况。GF通常是定量评价传感器的拉伸敏感度[10]，其定义是电阻的变化与长度的变化率之比，即式中：ε为应变：R为拉伸状态下电阻;Ro为自由状态下电阻。
　　GF值越大说明织物的灵敏度越好，反之GF越小织物的灵敏度越差。
　　2结果与分析
　　2.1 正交实验直观结果分析
　　采用实验方案制作的样衣进行实验，测试结果和多指标正交实验极差法分析见表2。
　　通过以上9组实验直观结果可知，不同水平不同因素的工藝编织而成的导电织物其线性度、稳定性和灵敏度之间存在较大的差异。实验1和2线性拟合度较差，实验1、2、7稳定性较差，实验1的灵敏度与其他8组试验差距较大。表2体现了正交实验极差分析结果，其中R代表线性度、稳定性、灵敏度的极差值。通过极差分析得到不同因素水平对不同结果的影响趋势，做出了线性度，稳定性和灵敏度的效果图如2.2中的图3、图4、图5所示。正交实验的效果图均以A、B、C三个因素作为横坐标，A1、A2、A3;B1、B2、B3;C1、C2、C3分别代表表l中不同因素下的水平。
　　2.2传感性能分析
　　2.2.1线性度分析
　　根据表2正交实验直观结果，做出正交实验各指标在不同因素条件下的线性度效果图，如图3所示。
　　由图3可以看出，在给定的参数范围内，随着导电织物地纱原料弹性的增加导电织物的线性度也随之增大，这是由于纱线弹性的增大使得线圈之间的串套更紧密，赋予了线圈接触点处更大的摩擦力，在弹性范围内导电织物拉伸变形中电阻的变化量较均匀，从而呈现出较好的线性度：对于组织结构而言，随着线圈之间的覆盖越来越紧密其线性度越好，并且平针添纱结构与假罗纹结构的线性度差异较大，电阻的变化引起了线性度的变化。导电针织物在拉伸过程中引起电阻变化主要包括2部分：首先是弯曲部分纱线被拉伸成直线导致电阻的变化，接下来直线部分开始伸长引起的电阻变化。而假罗纹组织存在线圈的覆盖，受到外力时首先是隐藏的线圈被露出然后是串套的线圈圈柱、圈弧、沉降弧之间的相互转移，最后才由纱线本身来承担外力的作用。因此对于假罗纹结构而言，引起电阻变化主要发生在弯曲线圈被拉伸成直线部分不会引起其电阻的突变，假罗纹结构的导电织物其线性度相对较好。随着织物纵横密的增加，线性度呈现先增大然后下降的趋势。从图3还可以看出，不同因素对线性度影响的主次顺序为：B>C>A，当采用A2B3C2工艺时传感器的线性拟合度最好。
　　2.2.2稳定性分析
　　根据表2正交实验直观结果，做出正交实验各指标在不同因素条件下的稳定性效果图，如图4所示。
　　由于稳定性的指标越小对于传感器而言其稳定性越好，从图4可以得出，不同因素对稳定性影响的主次顺序为：A>C>B。随着导电织物地纱原料弹性的增加导电织物的稳定性也越来越好，主要是因为弹性较大的纱线编织的织物在多次穿着过程中不易变形，相比于弹性较小的纱线而言在变形后能较快地恢复，所以其电学性能也较稳定。随着织物密度的增加，稳定性先是变好然后变差，说明在一定范围内增大织物的密度可以改善传感器的稳定性。从图4还可以看出，当传感器采用A2B2C2的工艺来编织传感器时其稳定性最好。
　　2.2.3灵敏度分析
　　根据表2正交实验直观结果，做出正交实验各指标在不同因素条件下的灵敏度效果图，如图5所示。
　　从图5可以看出，不同因素对灵敏度影响的主次顺序为：B>A>C，因素A和因素B对传感器灵敏度影响较大，织物密度对传感器灵敏度影响较小。并且使用弹性最小的纱线编织而成的密度最小的平针添纱结构的灵敏度最好（A1B1C1），这是因为弹性和密度较小的平针添纱结构在拉伸过程中易变形，由纱线本身变形来承担外力的作用较大从而引起相应的电阻变化也较大，所以传感器表现最灵敏。
　　2.3正交实验综合分析
　　采用极差分析法虽然可以得到每个指标的影响次序，但是无法得到不同因素不同水平对各指标的综合影响，故利用SAS编程对正交实验各因素下各指标进行方差分析结果，如图6所示。
　　从图6结果可以看出，A、B、C各因素对各指标均有影响，影响因素顺序从大到小为原料>组织结构>织物密度，即导电织物地纱原料的选择对针织柔性传感器各传感性能有较大的影响，所以后续编织针织柔性传感器时，导电织物地纱原料的选择尤为重要。从以上对正交实验效果图的分析结果得出，A因素对δ属于主要因素，对R2、GF属于次要因素。考察其对R2、δ、GF指标的影响可知，因素A对R2、δ取第2水平最佳，对GF取第1水平最佳，若因素A取第1水平，R2、δ的数值变化率为530. 26%，若取第2水平GF的数值变化率为42. 40%，所以因素A应该选择第2水平：因素B对R2、GF属于主要因素，对δ属于次要因素，考察其对R2、GF的影响，因素B对R2取第3水平最佳，对GF取第1水平最佳，若因素B取第1水平，R2的数值变化率为41. 78%，若因素B取第3水平，GF的数值变化率为14. 28%，所以因素B应该选择第1水平最佳。因素C对R2、δ、GF属于次要因素，显然其选择第2水平最佳，所以经正交实验计算所得最优的上机工艺参数为：A281 C2。 　　3结论
　　根据不同工艺制备的针织柔性传感器袖筒的测试结果得出，可将导电织物作为柔性传感器来测试肘关节的弯曲状态。通过多因素的正交实验得出，不同工艺参数制作的导电织物其线性度、灵敏度、稳定性存在一定的差异。实验结果表明，针对本实验试样肘关节处的针织柔性传感器地纱原料采用77. 78 dtex/24 f的锦氨包覆纱和44. 44 dtex裸氨组合编织作为导电织物的基底，镀银锦纶纱采用平针添纱组织编织横密85×纵密110的传感织物其线性度、稳定性、灵敏度均较好。且影响各指标的因素从大到小的顺序为原料、组织结构、织物密度。其中地纱原料的弹性对各传感性能影响最大，即改变这个参数对传感器的传感性能将会产生显著的影响，所以在其他条件一定的情况下，可以优先选择改变原料的弹性来调整传感器的传感性能。
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　　收稿日期：2019-03-05;修回日期：2019-11-05
　　基金项目：江南大学白主科研重点项目（ JUSRP51625B）：中央高校基本科研业务费专项资金项目（ JUSRP51727A）
　　作者简介：刘婵婵（ 1993—），女，硕士研究生，研究方向为针织产品设计与开发。
　　通信作者：缪旭红，教授，miaoxuhong@163.com.
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