柔性传感器基于导电纤维针织物的柔性传感器研究

柔性传感器基于导电纤维针织物的柔性传感器研究

本文以 4 种镀银纱纬编针织物为试样，测试了其单向拉伸时的导电性能，考察了拉伸性能对其电阻的影响。研究结果表明，在小应变的情况下，电阻与其应变成线性关系；竖条纹双罗纹针织物的灵敏度最大，横条纹双罗纹针织物的次之，镀银纱纬平针织物的最小；纱线间接触电阻的变化是引起纬平针织物电阻变化的最关键因素；将双罗纹织物重复拉伸来模拟心跳信号，结果显示电阻能基本稳定在一个值上，可以满足传感器稳定性的要求。

Four kinds of weft knitted fabrics made of silver-plating yarn were taken as samples and their conductivities were tested under weft tensile to investigate the relationships between tensile property and resistance. The results are the following: the resistance of fabric has a linear relationship with strain within a definite range; as for strain sensitivity, vertical stripe interlock with silver-plating and wool yarn, horizontal stripe interlock fabric with silver-plating and wool yarn fabric is the most remarkable one, plain fabrics with silver-plating and spandex es second, and plain fabric with silver-plating yarn is the least; the change of contact resistance among yarns during stretching caused different fabric sensitive to strain; when the interlock fabrics were

stretched repeatedly to simulate the heartbeat signals, their resistances remained stable at a value, so they can satisfy the stability requirement.

目前，对于人类身体状况的监测已不再局限于体力活动水平，而是扩展到各个方面和多种数据，如监测心率及呼吸周期可以反映人体的心肺功能是否正常。穿戴式的主动感应器正在向多功能集成化方向发展，从而形成一种家庭智能健康监测系统。通过互联网可以将多个移动设备连接到一起，并连接到一个特定的监控中心。生命衫就是采用了这种方式向病人提供服务的。

在过去，被监控者佩戴的专用监控器不仅累赘、影响正常生活，而且无法长时间的佩戴。随着感应器的小型化、计算机技术以及各种相关技术的发展，旧式监控器逐渐被抛弃，出现了新式的可穿戴智能监控器，导电纤维在其中扮演了重要的角色。现在存在多种导电纤维制造技术，如可以在尼龙线上金属镀层，或者将银丝、铜丝等混纺到天然或人造纤维织物中。并且，由此得到的导电纤维可以使用标准设备进行纺织、刺绣、编织等多种加工。

本文旨在研发一种可穿戴柔性传感器，实现对人体的心肺功能进行舒适和不分昼夜的监测。针织内衣具有穿着舒适、可灵活衬入传感器等多项优点，因此适宜作为传感器的载体。鉴于人体呼吸、心跳时，皮肤扩张最大能达 30%，所以本文主要考察导电纤维针织物在 1% ～ 30% 应变下的电阻变化情况以及影响因素。

1实验

1.1试样制备

本文采用电导率为 516 Ω/m、细度为 110 dtex的镀银导电纤维制备纬平针和双罗纹针织物，确定织物拉伸与电阻的关系。其中，纬平针织物用袜机编织，双罗纹针织物用电脑横机编织，编织过程非常顺利。下机后的织物如图 1 和图 2 所示，其中A为镀银纱纬平针织物，B为镀银纱与氨纶双纱交织纬平针织物；C为镀银纱与羊毛纱横条纹双罗纹针织物（双罗纹出针，第 1 路和第 2 路编织羊毛纱，第 3 路和第4 路编织镀银纱），D为镀银纱与羊毛纱竖条纹双罗纹

针织物（双罗纹出针，第1路和第3路编织羊毛纱，第 2 路和第 4 路编织镀银纱）。织物的结构参数如表 1 所示。

1.2实验内容及结果

对于 4 种织物，均沿纬向拉伸，使用VC9805A＋数字万用表测量其电阻，确定其电阻与应变之间的关系，求传感器的灵敏度，探讨是否满足传感器灵敏性需求。传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度K。传感器的灵敏度越高，传感器性能越好。

静态灵敏度的计算方法为：，ΔR为电阻变化量，ΔL为织物拉伸长度变化量。

心脏接收和泵出血液时，由心脏产生电脉冲，从而使心跳发生。心率（HR）是单位时间（通常是 1 min）心跳的次数。由于脉搏是心跳的结果，所以心率可以通过穿戴于脉搏的织物柔性传感器来监测，但是要确保传感器的稳定性。因此本研究对织物试样进行了反复拉伸，测量其电阻值是否变化，以确定是否满足传感器稳定性要求。

1.2.1纬平针织物

图 3 显示长度均为 10 cm、宽度分别为 4、4.5 和 6.4 cm的镀银纱纬平针织物电阻与应变的关系。从这 3 块针织物电阻与应变的关系图可以看出，针织物电阻随着织物宽度的增加而减小；在应变比较小的情况下，电阻与应变成线性关系；在应变比较大的情况下，电阻变化并不明显。

根据测量有：，即对于不同宽度的织物的K值均是 10 Ω/m，可以认为针织物传感器的灵敏度与织物宽度没有关系，只与织物的材料、组织结构有关。由R4＞R4.5＞R6.4可知，宽度越小的针织物，其电阻越大，有利于人体小部位信号采集。因此，在选择织物尺寸时，只需考虑其满足人体所测部位的大小即可。

图 4 为镀银纱与氨纶交织的纬平针织物，织物均选择 3 cm宽度，方点线为单层针织物选取长度为 10 cm的电阻与应变关系，圆点线为双层针织物选取长度为 8 cm的电阻与应变关系。从这两种针织物来看，电阻与针织物伸长基本成线性关系；与镀银纱纬平针织物不同的是，当镀银纱与氨纶交织时，线圈的排列更加紧密，线圈针编弧、沉降弧均小于纬平针织物，圈柱大于纬平针织物，纱线间接触电阻增加，使得织物等效电路与镀银纱纬平针织物等效电路不同，当织物拉伸时，织物电阻随着织物长度的增加而增加。

根据测量有：