基于导电纤维针织物的柔性传感器呼吸监测研究

摘要

近年来移动互联网的快速发展，使得可穿戴设备炙手可热。业界支持者表明这是一场必将到来的革命，它将遍布人们的工作、生活、健身和医疗等各个领域。智能纺织品作为可穿戴设备的一种还是一个非常新兴的领域，几乎所有的研究与开发都还处于一个初步的“探索”阶段。无论是在软件还是硬件方面，智能纺织品都还存在很大的提升空间。随着生活水平的不断提高，便携式呼吸监护设备成为预防、临床和治疗相关疾病的首选。智能纺织品中的一类代表——导电针织物柔性传感器受到广泛关注，一些研发机构在服装中衬入导电纤维制作针织柔性传感器，利用传感器压阻变化反应呼吸情况，达到呼吸监护。但还基本处于实验探索阶段，针织柔性传感器的可靠性、稳定性、耐久性等还未达到商业使用标准；且对于影响针织物柔性传感器使用的各种内因和外因并未做详细的理论研究。
　　本课题从导电纤维微观结构及导电性能研究入手，探究基于导电纤维针织物的可编织性及导电性能等。研究了所制作的针织柔性传感器的洗涤性能、热定型条件等，并利用其进行呼吸监测，具体研究内容如下：
　　1、通过SEM、EDS等分析几种导电纤维的微观结构，测试导电纤维的几项基本性能并重点分析导电性能。
　　2、将选择的导电纤维在电脑横机上试织纬平针、满针罗纹共10种柔性传感器试样。探讨编织工艺及可编织性，为后续研究做基础准备。
　　3、除对织物试样进行基本性能测试外，着重研究其导电性能；分析不同试样、不同组织的等效电阻变化规律以及相同纵行不同横列数的等效电阻的变化规律。
　　4、探究针织柔性传感器等效电阻的两个外部影响因子：洗涤次数及热定型工艺。观察洗涤5-30次后织物尺寸及等效电阻的变化；观察热烘40~140℃，各试样的变化规律得出结论。
　　5、选择志愿者利用针织柔性传感器试样进行呼吸测试。平静站立呼吸5分钟、慢跑5分钟后测其1分钟呼吸频率。通过比较分析DM3068捕捉到的呼吸频率与观察胸廓起伏得到的人为实测呼吸次数，以证实试样的可靠性及稳定性等。
　　通过这一系列的实验、分析与研究得到：镀银纤维为锦纶基上镀银长丝，由24、36根单丝并捻而成；铜纤维由硫化铜微粒子合成物沉积表面，单丝截面为多角异形；不锈钢丝及铜丝皆为高科技拉孔延伸处理得到的单丝；强力由大到小：100D镀银纤维500cN＞铜纤维＞70D镀银纤维＞不锈钢微丝＞铜丝60cN；5种导电纤维均具有较高的线性拟合度，同时电阻率最低能达到1.4954×10-5Ωcm，导电性能良好。在电脑横机上导电纤维与粘胶、弹力锦纶/氨纶包芯纱混织成功，说明导电纤维（金属丝）具有一定的可编织性，纬平针织物正面为导电纤维，反面为粘胶纤维，满针罗纹正反面一致。试样的下机总密度平均约为1350线圈/25c m2；试样的透气性平均约为700 L/m2·s，尽管嵌织导电纤维，但对透气性的影响极小。基于导电纬平针织物六角模型，得到40横列×40纵行线圈等效电路图中共含有3160个电流回路；同时利用基尔霍夫电压定律和回路电流法计算得到电路方程组，并通过Matlab计算得到40横列×40纵行的等效电阻；后期织物等效电阻实测数据与模型建立的较为吻合。随着洗涤次数的增加，各试样等效电阻随洗涤次数的变化幅度极小，可见所织柔性传感器较耐洗涤；选择镀银纤维作为柔性传感器的后整理工艺中，可以采用100℃或120℃的定型温度以期达到较合理稳定的电阻值；随着温度的升高，各试样等效电阻的变化率都较小，热稳定性较好。经过DM3068捕捉到的呼吸频率测试与观察胸廓起伏得到的人为实测呼吸次数的对比试验，有效地证实了基于导电纤维针织物的柔性传感器呼吸监测的可靠性及稳定性。
　　本课题所做的实验分析研究能为后续研究开发提供一定的理论参考依据，对基于导电纤维针织物一类的智能纺织品的开发具有重要的现实意义。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 导电纤维及其现状

1.3 针织柔性传感器的国内外研究

1.4 人体呼吸监测的研发进展

1.5 可穿戴智能服装的市场前景

1.6 本课题的研究意义和主要内容

第二章 针织柔性传感器的选择与制备

2.1 原料选择

2.2 原料的基本性能测试

2.3 纬编柔性传感器的编织工艺

2.4 本章小结

第三章 柔性传感器的基本性能及导电性能测试及分析

3.1 柔性传感器主要参数

3.2 热湿舒适性能测试与分析

3.3 柔性传感器导电性能测试与分析

3.4 本章小结

第四章 洗涤、热定型等对柔性传感器导电性能的影响分析

4.1 影响因素的表征

4.2 洗涤条件对柔性传感器导电性能的影响分析

4.3 热定型对柔性传感器导电性能的影响分析

4.4 本章小结

第五章 针织柔性传感器的呼吸性能测试

5.1 测试原理及测试仪器

5.2 平静时针织柔性传感器的呼吸性能测试

5.3 运动后针织柔性传感器的呼吸性能测试

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 课题展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢

附录