针织间隔导电织物的压力电阻传感性能

来源:用户上传      作者:王晓雷 缪旭红 孙婉

　　摘要： 为了研究针织间隔导电织物的压阻传感性能，将镀银锦纶与锦纶/氨纶包覆纱在无缝成型内衣机上进行编织，制备了3种纬编导电织物，将其与经编间隔织物结合，测试并得到了电阻随应变的变化规律，分析了导电区域面积及压缩方式对电阻-应变传感性能的影响。结果显示：压缩面呈平面时，压缩过程分为电阻随应变的增加先缓慢减小、再急速下降两个阶段;曲面压缩时，压缩过程分为电阻微弱减小、缓慢上升、急剧下降三个阶段，其中曲面压缩阶段Ⅲ和平面压缩阶段Ⅱ均具有较好的线性度和灵敏度，且前者灵敏度优于后者;当传感面积为35 mm×35 mm，且从织物横列方向进行曲面压缩电阻的测量时，传感器的综合传感性能最佳。
　　关键词： 间隔导电织物;针织;电阻传感;压缩;线性度;灵敏度
　　中图分类号： TS181.9
　　文献标志码： A
　　文章编号： 10017003（2020）04001705
　　引用页码： 041104
　　DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.04.004（篇序）
　　Pressure resistance sensing properties of knitted spacer conductive fabrics
　　WANG Xiaolei， MIAO Xuhong， SUN Wan
　　（Engineering Research Center for Knitting Technology， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）
　　Abstract：
　　In order to study the pressure resistance sensing properties of knitted spacer conductive fabrics， silver plating nylon and nylon/spandex covered yarns are knitted with seamless shaped underwear machine to make three types of weft knitted conductive fabrics， the weft knitted conductive fabrics are combined with warp knitted spacer fabrics for testing and figuring out the change rule of resistance with strain， and the effect of the conductive areas and compression modes on the resistance-strain sensing properties is analyzed. The results show that in the case of flat compression surface， the compression process is divided into two stages： the resistance decreases slowly with the increase of strain， and then decreases rapidly; in the case of curved compression surface， the compression process is divided into three stages： the resistance is reduced slightly， rises slowly， and falls sharply. Good linearity and sensitivity are achieved at stage Ⅲ of curved surface compression and stage Ⅱ of flat surface compression， and the sensitivity of the former is better than that of the latter. When the sensing area is 35 mm×35 mmand the compression resistance of curved surface is measured from the horizontal direction， the sensor achieves the best comprehensive sensing properties.
　　Key words：
　　spacer conductive fabrics; knit; resistance sensing; compression; linearity; sensitivity
　　收稿日期： 20190813;
　　修回日期： 20200323
　　基金項目： 湖北省纺织新材料及其应用国家重点实验室资助项目（FZXCL2017013）
　　作者简介： 王晓雷（1994—），男，硕士研究生，研究方向为针织智能纺织品的研究。通信作者：缪旭红，教授，miaoxuhong@163.com。
　　近年来，国内外越来越多的学者开始研究智能纺织品，赋予纺织品诸多的新功能已成为一个较为热门的课题，其中很重要的一种实现方式是将传感器与纺织品进行柔性结合[1-2]。在压力电阻柔性传感器的相关研究范围内，基本是通过机织物来实现，机织物柔性传感器是由多层机织物和结构较为稳定的导电化学物质层复合而成的，工序繁琐，其整体框架结构的组成不但比针织间隔织物复杂，而且所含化学物质较多，因此环保性也差。3D针织间隔织物具有优良的弹性、抗冲击性，三明治的空间结构赋予其良好的透气、透湿性，含有极少对环境有害的化学物质。虽然相比机织物，针织物具有诸多优势，然而近年来的研究重点却并不聚焦在针织柔性压阻传感器上[2-3]。究其原因，一是因为将传感部位与间隔织物结合的组织设计方案具体实施起来较为复杂;二是因为针织物特殊的线圈结构，使得针织物组织的等效电阻模型的建立更为困难[4]。本文选择针织间隔织物的另外一个重要原因是笔者后续的研究是以实现对人体坐姿、睡姿、走路状态的监测作为最终目的，而3D针织间隔织物作为坐垫、衬垫类产品已经具有广泛的应用市场，这对该压阻传感器以后的实际生产与应用有很大帮助。因此，本文希望通过参考相对成熟的机织物压阻传感器，来寻找针织间隔织物和压阻传感器结合的可行性。 　　通过总结前人的相关研究工作，发现柔性压力电阻传感器主要是以较小传感单元组成的传感器矩阵阵列的电阻变化为基础，来反应生理活动的相关信息，因此需要设计不同的传感单元的面积[5]，以确定合理有效的传感尺寸。大部分学者在进行柔性传感器的压力电阻测试实验时，采用了平板压头，但实际上球形压头才能更好地模拟人体部位与织物发生弧面接触的日常情况。有学者将单根的导电纱线编结在经编间隔织物的表面，利用导电纱线自身的电阻-应变关系来反应经编间隔织物的表面形变程度，但是没有将导电纱线编织成织物，并非直接利用织物结构组织的变化来测试织物的压力电阻[6-7]。此外，针织物线圈横列与纵行呈现出不同的电阻串、并联的关系，因此有必要考虑横列、纵行两个不同的方向对传感性能产生的影响。
　　基于以上的综合考虑，本文选取了导电性能较好的镀银锦纶与锦包氨纶纱在单面无缝成型内衣机上进行编织[8-9]，并将其与经编间隔织物进行结合，制得具有不同导电区域面积的针织间隔织物。采用横列、纵行两种电阻测量方向和平面、球形曲面的压缩形式，对织物在压缩过程中的电阻进行测量，从柔性压阻传感器的灵敏度和线性度[10-11]来探究针织柔性导电织物的压阻传感特性，希望为针织间隔导电织物柔性应变传感器的研发与应用提供参考。
　　1 实 验
　　1.1 材料与仪器
　　材料：针对柔性导电传感器的基材，实验选取上下面具有网孔结构、16 mm厚的经编间隔织物（常熟源硕织造公司），如图1（a）（b）所示。组织结构为：GB1/GB5：0-0-0-0/2-2-2-2/1-1-1-1/3-3-3-3/1-1-1-1/2-2-2-2∥;GB2：0-1-1-1/1-0-0-0∥;GB3：1-0-1-2/2-3-2-1∥;GB4：0-0-0-1/1-1-1-0∥，其中GB3穿直径为0.12 mm的涤纶单丝，其他梳栉穿165 dtex的涤纶纱，横密5.11 wpc，纵密9.8 cpc，平方米质量690.32 g/m2。针对
　　导电区域的织造，实验选取22.22 dtex/55.55 dtex的锦包氨纶纱，44 dtex/12f的FDY镀银锦纶纱线（北京洁尔爽高科技有限公司）。其中，锦纶基镀银纱线的导电性能良好，且具有一定的强度、延伸性和均匀的细度，以满足针织用纱的织造要求，具体的导电性和力学性能指标，如表1所示。
　　仪器：VICTOR 4105A型低电阻测试仪（深圳市驿生胜利科技有限公司），SM8-TOP2 MP2圣东尼单面无缝成型内衣机（圣东尼（上海）针织机器有限公司），YF-900系列材料试验机（扬州市源峰试验机械厂）。
　　1.2 针织间隔织物压阻传感器的制备
　　基于正方形传感区域单元设计的方便性和面积大小的易控性，实验选择将镀银锦纶与锦包氨纶纱在SM8-TOP2 MP2圣东尼单面无缝成型内衣机上编织全部添纱纬平针组织[6]，共设计了3种不同面积大小传感区域的纬编导电织物，每种试样设计8块，供后续不同实验的测试使用。在试样织造完毕以后，用毫米刻度尺测量实际传感区域面积、横密和纵密，所制备试样的部分相关规格如表2所示。
　　在黏合方式的选择上，有尼龙胶、普通胶带、双面胶等可供选择，尼龙胶固化会使织物变硬且由于表面的网眼组织导致施胶位置不宜控制、普通胶带在压缩时存在黏合不牢的问题，两者均无法较为真实地模拟单面导电间隔织物的压阻传感性能，最终选择在上述制备的导电纬编织物的下表面四周的一圈布置双面胶带和纱线，将其与上述经编间隔织物紧密黏合即可，最终形成了三种不同区域面积大小的针织间隔织物压阻传感器，如图1（c）所示。
　　1.3 针织导电间隔织物的压感性能测试
　　分别沿着织物的线圈的横列和纵行的方向将导线缝制在导电区域，研究横、纵向的测量的方式对压阻传感性能的影响。将织物导电的传感部位放置在YF-900系列材料试验机传感压缩头的正中央位置，最大板间距设置为间隔织物的厚度16 mm。
　　实验步骤如下：
　　1）使用绝缘胶带对压缩仪的金属压板进行绝缘处理，以减小对电阻的干扰。
　　2）分别采用平面的压缩头和球体半径R=10.61 cm的曲面压缩头进行压缩，将导电区域放置在压缩头的正中心的位置，并调整初始压缩距离为织物的厚度16 mm，然后将两端的导线分别加持在VICTOR 4105A型低电阻测试仪的夹头上，如图2所示。
　　3）打开电阻测试仪的开关，结合配套软件：微机控制电子万能试验机测控系统;设置压缩方案：启动压缩仪，使织物的厚度减小，织物压缩2 cm，待电阻稳定时读取此时的电阻值，继续压缩，每次设置压缩厚度为2 mm或1 mm，并分别记录相应的电阻值，直至织物达到极限压缩。
　　4）每种面积的样布有8块，平均分配给4种压缩方案：平面横向、平面纵向、曲面横向、曲面纵向;每种方案可分配2块，为了尽可能地减小实验的误差，每块样布在进行完成第一
　　次的压缩实验完成后，静置72 h，待其恢复为初始状态时，按照上述相同的步骤，再次进行测试。因此可以得到2×2=4个测试结果，并计算标准偏差值和平均值。
　　2 结果与分析
　　2.1 导电织物的应变电阻特性
　　將测得的压缩电阻的平均值和标准偏差值输入软件Origin 9.0，并进行绘图，结果如图3所示。
　　2.1.1 平面压缩特性
　　采用平板压缩时，该柔性传感器的电阻随着压缩高度的应变而变化过程如图3（a）（b）所示，观察可知，无论是从横向还是从纵向来测量，压缩电阻随应变的变化过程大致可分为两个阶段。
　　1）阶段Ⅰ：当压缩厚度的应变ε<60%时，电阻减小的速率平缓，说明此时该柔性传感器的灵敏度较差。因为在此阶段，织物才刚刚开始受力，较小的力值使得织物表面组织的上 　　下层纱线间的接触面积有微弱增加，而纱线的自身线电阻和线圈形成的列与列、行与行的同层接触电阻几乎没有发生变化。
　　2）阶段Ⅱ：当压缩厚度的应变ε≥60%时，电阻的降低速率较大，电阻变化明显，说明该柔性传感器的灵敏度要高于阶段Ⅰ。因为织物的导电区域不仅受到压板向下的压力，而且还受织物间隔丝向上的支持力，两者对传感器产生相互剧烈挤压，这使得织物表面组织的上下层纱线间的接触面积快速增大。
　　2.1.2 曲面压缩特性
　　采用曲面压缩时，该柔性传感器的电阻随应变而变化过程如图3（c）（d）所示，观察可知，该变化的过程与平面压缩实验有所不同，无论是从横向还是从纵向来测量，压缩电阻随应变的变化过程大致可分为三个阶段。
　　1）阶段Ⅰ：当压缩厚度的应变ε<28%时，电阻微弱减小，因为此过程中，传感区域的上下纱线的层间接触电阻的减小量略大于同层的接触电阻的增加量，使得总电阻有较为不明显的减小。
　　2）阶段Ⅱ：当压缩厚度的应变28%≤ε<64%时，电阻缓
　　慢增加并逐渐趋于稳定，因为在此过程中，织物在球形曲面的压力作用下，传感区域的相邻线圈列与列、行与行大部分进行分离，使得同层之间的接触电阻增大较多，且起到了主要的作用，当分离完成后，整体电阻便趋于稳定。
　　3）阶段Ⅲ：当压缩厚度的应变ε≥64%时，电阻减小的速率较大。发生此变化的原因为：线圈的行与行、列与列的同层之间接触电阻已经全部进行分离，几乎不再进行变化，而织物导电层受到曲面压板的压力和间隔丝向上的支撑力的相互剧烈挤压，线圈结构上下层间的接触电阻急剧减小，由于球形曲面压缩头曲率的存在，织物的形变程度更大，因此在该阶段传感器的灵敏度也较高。
　　2.2 柔性传感器的传感性能
　　从线性度和灵敏度进行思考，通过观察图3可以发现，平面压缩时的阶段Ⅱ和球形曲面压缩时的阶段Ⅲ的电阻变化具有较强的线性变化规律。重点研究这两个阶段，将这两个阶段在软件Origin 9.0中进行线性拟合，采用拟合直线的斜率k表征该柔性压阻传感器的灵敏度，拟合的决定系数R2表征该柔性压阻传感器的线性度，结果如表3所示。
　　2.2.1 压缩形式的确定
　　由表3可知，所有拟合方程的决定系数R2均趋向于1，拟合优度高，表明该传感器的线性度较好。通过观察表3可以发现，无论是沿着横列还是纵行的方向进行电阻测量，采用球形曲面压缩头的传感器灵敏度都要明显高于相应的平面压缩的灵敏度，故选择灵敏度较高的曲面压缩形式。
　　2.2.2 测试方向和传感面积的确定
　　在上述已经选择曲面压缩头的基础上，只需观察曲面压缩阶段Ⅲ的拟合斜率，在测试方向和传感面积的综合影响作用下，可以发现试样3在横向测量时的电阻-应变的灵敏度最高。因此，选择横列的测量方向和试样3的传感区域面积，即35 mm×35 mm作为最终的最小传感矩阵单元面积。
　　3 结 论
　　1）采取两种不同的压缩形式时，导电织物呈现出不同的电阻-应变特性。压缩面呈平面时，应变电阻特性分为两个阶段：电阻随应变的增加先缓慢减小，再急速下降;压缩面呈球形曲面时，应变电阻特性可分为三个阶段：电阻呈现出先略微减小，然后缓慢上升，最终急剧下降的趋势。
　　2）处于平面压缩过程的阶段Ⅱ和曲面压缩过程的阶段Ⅲ时，该针织间隔柔性压阻传感器能够具有较好的线性度，球形曲面压缩时的传感器灵敏度要明显高于相应的平面压缩时的灵敏度，传感性能良好。
　　3）实验证明利用针织间隔织物压阻传感器来反应人体活动信息的思路是完全可行的：采取曲面的压缩形式，一是因为曲面压缩可以更好地模拟在实际生活中人体部位对于坐垫的弧形接触情况，二是采用球形曲面压缩头时，传感器的灵敏度更高;通过比较曲面压缩形式下的灵敏度，可确定横列的测量方向和35 mm×35 mm传感面积。
　　后续研究中，将集中于传感器的进一步改进，使传感单元形成矩阵及相关电路平台的搭建，且以走向市场为目的，达到真正的实用性。
　　参考文献：
　　[1]杨玲玲， 张西正， 胡家庆， 等. 柔性可穿戴生理监测设备的研究与应用现状[J]. 医疗卫生装备， 2017（5）： 118-121.
　　YANG Lingling， ZHANG Xizheng， HU Jiaqing， et al. Research progress and application of wearable health monitoring items based on soft sensor technology[J]. Chinese Medical Equipment Journal， 2017（5）： 118-121.
　　[2]刘萧. 间隔织物的压缩性能研究[D]. 上海： 东华大学， 2013： 50-53.
　　LIU Xiao. Study on the Compression Property of Spacer Fabric[D]. Shanghai： Donghua University， 2013： 50-53.
　　[3]蔡倩文， 王金凤， 陈慰来. 纬编针织柔性传感器结构及其导电性能[J]. 紡织学报， 2016， 37（6）： 48-52.
　　CAI Qianwen， WANG Jinfeng， CHEN Weilai. Structures and electrical properties of weft-knitted flexible sensors[J]. Journal of Textile Research， 2016， 37（6）： 48-52.
　　[4]王金凤. 导电针织柔性传感器的电-力学性能及内衣压力测试研究[D]. 上海： 东华大学， 2013： 13-15. 　　WANG Jinfeng. Research on Electro-Mechanical Properties of Conductive Knitted Flexible Sensors and Measurement of Underwear Pressure[D]. Shanghai： Donghua University， 2013： 13-15.
　　[5]谢勇， 杜磊， 张嘉楠， 等. 影响镀银纤维长丝导电性能的因素分析[J]. 丝绸， 2013， 50（11）： 36-40.
　　XIE Yong， DU Lei， ZHANG Jia’nan， et al. Analysis the factors affectingthe conductibility of silver-plated filament[J]. Jounal of Silk， 2013， 50（11）： 36-40.
　　[6]陈莉， 刘皓， 周丽. 镀银长丝针织物的结构及其导电发热性能[J]. 紡织学报， 2013， 34（10）： 52-56.
　　CHEN Li， LIU Hao， ZHOU Li. Structure and electric conductive heating performance of silver-plated filament knitted fabrics[J]. Journal of Textile Research， 2013， 34（10）： 52-56.
　　[7]韩潇， 龙海如. 针织物柔性传感器的传感性能探讨[J]. 纺织科技进展， 2014（6）： 12-14.
　　HAN Xiao， LONG Hairu. Investigation on the sensing properties of knitted flexible sensor[J]. Progress in Textile Science and Technology， 2014（6）： 12-14.
　　[8]张舒， 缪旭红， RAJI Rafiu King， 等. 经编导电针织物的应变电阻传感性能[J]. 纺织学报， 2018， 39（2）： 73-77.
　　ZHANG Shu， MIAO Xuhong， RAJI Rafiu King， et al. Strain-resistancesensing property of warp knitted conductive farics[J]. Journal of Textile Research， 2018， 39（2）： 73-77.
　　[9]肖红， 施楣梧. 电磁纺织品研究进展[J]. 纺织学报， 2014， 35（1）： 151-153.
　　XIAO Hong， SHI Meiwu. Research progress on electromagnetic textiles[J]. Journal of Textile Research， 2014， 35（1）： 151-153.
　　[10]王金凤， 龙海如. 基于导电纤维针织物的柔性传感器研究[J]. 纺织导报， 2011（5）： 76-79.
　　WANG Jinfeng， LONG Hairu. Research on flexible sensors based on knitted fabric with conductive fiber[J]. China Textile Leader， 2011（5）： 76-79.
　　[11]刘鹏飞. 变结构参数下的间隔织物压缩性能表征与建模研究[D]. 上海： 东华大学， 2015： 31-33.
　　LIU Pengfei. Simulation and Characterization of Compression Performance of Spacer Fabric with Variable Structural Parameters[D]. Shanghai： Donghua University， 2015： 31-33.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15182518.htm