包覆结构对纱线应变传感器传感性能的影响

摘要

纺织品独特的机械物理性能，已成为可穿戴传感器的最佳平台之一。纱线式传感器具有可嵌入性好，产品设计灵活的特点，既可单独作为传感器应用到人体生理活动状态监测，也可织成织物作为传感器件，受到广泛关注。其中，弹性包覆纱结构是解决纱线传感器的可拉伸性、可逆性和多维应力敏感的优选方案之一。目前大多数研究验证了包覆纱线传感器的传感性能和应用可行性，并没有针对纱线的基本成型结构参数与传感器性能之间的关系做系统研究。包覆纱的结构参数影响着纱线应变传感器的性能，这有益于针对传感性能需要选择相应的纱线成型工艺技术。因此，研究包覆纱线结构参数与传感性能之间的关系，是推进包覆纱线应变传感器的生产及应用的关键。 针对包覆纱应变传感器的结构和纱线成型工艺，本课题筛选了满足这种应变传感器的纱线成型方法，并针对主要纱线成型结构参数—包覆度和包覆层数对纱线应变传感器的传感性能的影响，展开传感器成型及性能评价研究。主要研究内容如下： （1）分析包覆纱线应变传感器的结构及成型要求，改造纺纱设备，并确定包覆纱线的成型工艺。 针对包覆纱应变传感器的结构要求，研究包覆纱线应变传感器的结构原理，设计包覆纱线结构。本课题改造和搭建弹性包覆纱纺纱设备，芯纱采用积极送纱的方式，调节芯纱喂入速度和成纱卷绕速度控制芯纱张力。外包纱采用径向退绕的方式，增加外包纱包覆的张力，使包覆纱包覆紧密。调节卷绕速度和包缠速度的比值，控制纱线的包覆度。成功纺制包覆均匀紧密的纱线，并通过对纺制试样形貌观察，确定纱线最大包覆度为 40 捻/c m。根据设备参数计算，确定了包覆度从10～40捻/c m的包覆纱线的纺纱工艺参数。 （2）针对单层包覆纱线应变传感器，研究纱线包覆度对其传感性能的影响。 以氨纶纤维做芯纱，锦纶复丝为外包纱，制作包覆度为 10～40捻/cm的单层包覆纱。采用原位聚合法对包覆纱进行导电处理，制备包覆纱线应变传感器。采用纱线反复拉伸平台和安捷伦 39470 型数据采集卡，同步采集拉伸过程中的纱线电阻，以及在光学电子显微镜下观察纱线的表面形态。 针对传感器传感敏感度，测试导电纱线单程拉伸应变至 10 0%时的电阻变化，依据灵敏度公式计算其灵敏度。测试时纱线被以2mm/s的速度匀速拉伸，电阻采集频率为 250ms/次。结果表明，单层包覆纱线应变传感器的灵敏度随包覆度的增加而增加，在小应变下，随着纱线拉伸灵敏度变大，达到某一应变时，纱线拉伸，灵敏度开始减小并逐渐稳定为一固定值。 针对传感器的响应重复性，测试在最大拉伸应变为 20%、循环拉伸 10 0 次时导电纱线的电阻变化。结果表明，随着包覆度的增加，单层包覆纱线应变传感器的重复性变差。 针对传感器的敏感阈值，采用应变逐步减小的方法，依次采集单层包覆纱线应变传感器在拉伸速度为 0.5mm/s 和拉伸应变分别在5%、2%、1%和 0. 5%时的电阻值。结果表明，单层包覆纱线传感器在应变为0. 5%时呈现电阻随应变的明显变化。 （3）针对双层包覆纱线应变传感器，研究不同包覆度对其传感性能的影响，并对比分析单层和双层包覆应变传感器传感性能之间的差异，并初步验证传感器的在体检测能力。 以单层包覆纱线做芯纱，锦纶复丝做外包纱，反向包缠，制作包覆度为 20～40捻/cm的双层包覆纱。采用与单层包覆纱线同样的导电处理方式和测试方法。 针对传感灵敏度，双层包覆纱线应变传感器的灵敏度先增加后减小，并逐渐趋于一固定值，且灵敏度随着包覆度的增加而增大，这与单层包覆纱线传感器的规律一致。但是在同一包覆度下，单层包覆纱线应变传感器比双层的灵敏度高。 针对传感器的重复性，随着包覆度的增加，双层包覆纱线传感器的重复性越好，这与单层包覆纱线传感器的变化规律相反。这主要是由于双层包覆纱线被拉伸至同一应变时，就包覆度大的纱线传感器而言，其外层纱线与内层纱线及芯纱的接触紧密，抱合力大，则纱线的拉伸回复性能差。 针对传感器的敏感阈值，当应变为 0. 5%时，双层包覆纱线传感器则产生均匀规律的响应，这与单层包覆纱线传感器一致。因此，包覆度为 40捻/cm的双层包覆式传感器的传感性能最优，其灵敏度可达到 6. 5 ，具有较好的重复性，能测量最小应变为 0. 5%的电阻变化。 为了进一步验证传感器的在体检测能力，优选传感性能最佳的包覆纱线应变传感器，展开人体肢体运动行为检测实验，检测手指在慢速、中速和快速三个速度及全弯曲和半弯曲两种运动状态下传感器的响应。结果表明，传感器响应速度随运动频率增加而加快，响应强度随弯曲程度增加而增大。说明包覆纱线传感器应用于人肢体监测时，能够对不同频率和幅度的肢体运动做出相应的响应，具有较好的实用性和可靠性。 通过研究纱线包覆度和包覆层数与应变传感器传感性能的关系，发现包覆度和包覆层数主要影响应变传感器的响应灵敏度和重复性，对其敏感阈值影响不大。并且通过在体检测，验证了其实用性。但是，本课题只是针对包覆纱线应变传感器的在体检测展开了验证性试验，没有对肢体运动检测方面做深入研究，在后期的研究中还需要对其灵敏度与肢体运动建立精确的对应关系。

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