用于在線沖擊測量的大變形織物基應變傳感技術(shù)

陶肖明，朱 波，李 喬，王俊璞

(香港理工大學 紡織及制衣學系，香港 999077)

碰撞保護和防沖擊領(lǐng)域需要大變形傳感測量技術(shù)。目前，傳統(tǒng)傳感設備，如光學纖維傳感器［1-2］、PVDF傳感、以及其他壓電材料［3-4］，因質(zhì)地堅硬，易脆，只能用于有限變形的準靜態(tài)或低速動態(tài)測量［5］?；谝延醒芯考稗D(zhuǎn)化成果 SoftceptorTM技術(shù)［6-8］，本文研制了一種新的柔性紡織基應變傳感技術(shù)。該技術(shù)具備機械柔韌性和電力學可靠性，其測量系統(tǒng)能夠滿足高速沖擊和碰撞領(lǐng)域?qū)υ诰€大變形測量的要求。

1 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)由4部分組成，包括織物應變傳感單元、織物傳感陣列、織物連接電路和高速數(shù)據(jù)采集設備。超彈針織連接電路為基體，將織物應變傳感單元分布在彈性基體的不同位置，制備柔性可拉伸的大變形紡織基傳感陣列。具體制作步驟(見圖1)為：1)將SoftceptorTM織物應變傳感器單元排列成傳感矩陣;2)采用絕緣金屬絲(直徑為20～50 μm)，配合紡織紗線，將其集合到針織結(jié)構(gòu)中，制備柔性可拉伸針織連接電路;3)將多個應變傳感單元分布到針織電路基體的不同位置，制備含有多個應變傳感單元的大變形傳感陣列。

2 性能與應用

2.1 應變傳感單元

SoftceptorTM織物應變傳感器是已產(chǎn)業(yè)化的系列智能紡織技術(shù)之一。用導電復合材料涂層在超彈針織布表面制成的織物應變傳感單元，具備機械柔韌性的同時(其厚度約為0.4 mm，彈性模量為0.8～1.0 MPa)，能夠測量多次(10萬次以上)大應變(60%)或外力。表1列出在低速率下應變傳感單元的主要電力學性能。

表1 SoftceptorTM織物應變傳感單元的性能與規(guī)格Tab.1 Specifications of SoftceptorTMstrain sensors

防沖擊和碰撞保護領(lǐng)域?qū)儌鞲袉卧膭討B(tài)響應要求在毫秒數(shù)量級。圖2中SoftceptorTM傳感器的電阻抗譜顯示其在1 kHz以下呈純電阻效應，具備動態(tài)沖擊測量的可行性。

圖1 大變形紡織基應變傳感陣列的組成Fig.1 Largely deformable fabric sensor matrix.

本文研究了在不同應變率下，應變傳感單元的電力學特性。首先，利用 MTS材料試驗機，施加不同加載速率(0.5、5、50 mm/s);為進一步提高加載速率，換用萬能材料試驗機，加載速率為200 mm/s、1 m/s和10 m/s，同時用高速攝像儀捕捉傳感單元的變形。圖3顯示了在不同加載速率下應變傳感單元的電阻變化與應變的關(guān)系。為推斷不同速率下應變傳感單元的電力學性能，模擬力學領(lǐng)域的黏彈性理論［9-11］，建立了表征應變傳感單元的電力學模型。借助現(xiàn)象論，將傳感單元的電阻變化率與黏彈性理論中的應力等價，得到式(1)。

圖2 SoftceptorTM傳感器的電阻抗譜Fig.2 Impedance spectra of SoftceptorTMsensors.(a)Impedance;(b)Phase angle

式中：R、R0分別為電阻和初始電阻;λ、˙ε分別為伸長率和平均應變率;t為時間;A1，A2，A3，a和θ為待定常數(shù)。與試驗結(jié)果擬合后，利用此方程，可推斷不同速率下的電阻變化率。如圖3所示，模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合。

2.2 可拉伸針織連接電路

大變形測量要求至少多個應變傳感單元組成的陣列，因此，除應變傳感單元外，連接電路也需承受機械大變形的拉伸或沖擊。模擬針織線圈的彎曲和相互串套特性，將絕緣金屬絲集成到針織結(jié)構(gòu)中，制備柔性可拉伸連接電路［12］。

圖3 應變率對傳感器電阻的影響Fig.3 Influence of strain rate on resistance of sensor

根據(jù)Leaf的針織幾何模型，圖4示出絕緣金屬絲在針織結(jié)構(gòu)中的三維彎曲形狀，金屬絲同時受到彎曲和扭轉(zhuǎn)引起的彎矩、扭矩，以及來自相鄰線圈的相互作用與摩擦力。圖5進一步展示了以線圈形狀存在的金屬絲的曲率和撓率。

圖4 基于Leaf的導線絲線圈幾何模型Fig.4 Loop configuration of conducting fibers based on Leaf's model

圖5 導電絲線圈的曲率和撓率Fig.5 Curvature and torsion of metal wires in loop configuration

基于此幾何模型，以銅線和滌綸長絲針織連接電路為例，在未考慮彈性紗的前提下，進行了初步的數(shù)值模擬，得出銅線在織物沿緯向拉伸時產(chǎn)生的最大局部應變。由于銅線的彈性模量遠遠大于滌綸的彈性模量，在拉伸過程中，局部應變主要集中在滌綸紗線上，從而降低了在拉伸過程中銅線可能產(chǎn)生的應變。如圖6所示，當織物沿橫向被拉伸到20%時，滌綸的應變已達到1%，而直徑為0.05 mm的銅線受到的最大應變只為0.2%。

為驗證數(shù)值模擬的精度，圖7對比了在沿織物橫向拉伸下，試驗結(jié)果和數(shù)值模擬的針織線圈幾何形狀。雖然初步的數(shù)值模擬未考慮彈性紗的影響，為提高拉伸性能，引入彈性紗的針織電路，可承受超過平均160%的拉伸應變，而保持其電學的穩(wěn)定性(見圖8)。另外，當采用不銹鋼球多次循環(huán)往復地以500 m/min的速度三維沖擊針織電路時，在160%的應變下，該針織電路可承受至少1 250次的循環(huán)沖擊［8］。

圖6 模擬針織連接電路拉伸時的導電絲最大應變Fig.6 Induced local strain with fabric elongation of knitted interconnects

圖7 模擬線圈形狀與實驗結(jié)果對比Fig.7 Simulated loop configurations and experimental results

圖8 針織連接電路的電力學特性Fig.8 Electro-mechanical performance of knitted interconnects

2.3 封裝

將多個應變傳感單元分布在針織連接電路基體的不同部位，通過縫紉技術(shù)，將其固定，通過銀涂層的錦綸紗線，與針織電路實現(xiàn)電學的導通，形成應變傳感陣列。為確保針織連接電路基體，不影響應變傳感單元的電力學特性，將縫紉固定后的應變傳感單元與固定前對比，如圖9所示，其電力學特性基本吻合。這是因為針織連接電路基體的彈性模量約為35 kPa，比傳感單元(～0.8 MPa)更柔韌，因此，當傳感單元集成到針織連接基體上時，可忽略基體對傳感單元的影響。

防沖擊與碰撞保護領(lǐng)域要求應變傳感陣列具有大變形的特性，因此，除了傳感單元、柔性連接電路外，傳感單元與連接電路的電學導通部位，也需承受機械大變形。首先，將傳感單元的兩端引線纏繞在針織連接電路的導線上;同時，用導電銀膠進一步保證導線間的充分接觸;然后，利用硅膠封裝技術(shù)，制成彈簧狀連接。圖10示出傳感單元的引線與連接電路的導線所形成的彈簧狀連接結(jié)構(gòu)。利用不銹鋼小球?qū)ζ溥M行三維沖擊測試，其結(jié)果顯示在圖11中?？梢?，傳感單元的引線與連接電路之間的連接，在150%的應變內(nèi)，可保持穩(wěn)定的電學性能。

圖9 固定前后傳感單元的電力學特性Fig.9 Electro-mechanical performance of sensor unit before and after fixation on knitted substrate

圖10 彈簧狀連接結(jié)構(gòu)Fig.10 Spring-like pattern for electrical connection

圖11 連接部分的三維沖擊測試結(jié)果Fig.11 Electro-mechanical performance in three-dimensional impact test

2.4 高速沖擊測量試驗

將應變傳感陣列應用于子彈沖擊的在線測試中，對應變傳感單元以及封裝技術(shù)的可靠性進行評估。

首先，設計并制備了1個簡單的傳感陣列(含4個傳感單元)。然后，將每個傳感單元的兩端黏合到防彈材料(Kevlar 129 Dupont?)上。如圖12(a)所示，黑色方框代表了4個傳感單元的位置，其中單元1和4測量沿水平方向的應變;單元2和3測量沿垂直方向的應變。將集成了傳感陣列的防彈置于40層防彈布之間，其前面有36層，后面有4層。將樣品捆綁到黏土基體上后，用64號/7.62 mm的普通手槍專用子彈，以295～305 m/s的速度發(fā)射子彈。同時，采用高速數(shù)據(jù)采集設備，以100 kHz的速率記錄應變傳感單元電阻的變化。

圖12 試驗測試與結(jié)果Fig.12 Experimental setup and result.(a)Positions for sensing element;(b)Indentation cave on clay

圖12 (b)示出子彈沖擊后在黏土基體上產(chǎn)生的凹坑。圖13是各個傳感單元的信號輸出，單元4的電阻變化率最大，其次是單元3，而單元1和2的輸出變化率很小，這與沖擊點和傳感單元的相對位置吻合。另外，由于應力波從沖擊點向周圍傳播時，能量擴散，接近沖擊區(qū)域的傳感單元的電學響應也提前于其他單元，如圖14所示。同時，圖示信息也反映了電阻上升區(qū)域的時間是0.4 ms，代表子彈對防彈材料的沖擊持續(xù)時間。

3 結(jié)論

圖13 應變傳感單元的信號輸出Fig.13 Resistance change ratio of sensor units

圖14 應變傳感單元的實際電阻輸出Fig.14 Resistance output of sensor units

大變形和高速動態(tài)響應是防沖擊與碰撞領(lǐng)域?qū)Σ牧虾脱b置測量的基本要求。本文研制了能夠大變形和高速響應的紡織基應變傳感技術(shù)。首先，基于前期工作，改進應變傳感單元，其測量范圍可達60%，且滿足不同應變率的要求。借助現(xiàn)象論，建立了傳感單元在不同速率下的電力學模型。其次，為形成具有多個單元的大變形應變傳感陣列，利用針織的線圈結(jié)構(gòu)，制備了柔性可拉伸的連接電路。該柔性電路能夠承受160%的拉伸，而保持穩(wěn)定的電學性能。同時，為保證各個傳感單元與電路的可靠連接，提出了一種類似彈簧狀的連接結(jié)構(gòu)。與柔性電路類似，該結(jié)構(gòu)可承受150%的拉伸。

織物應變傳感陣列用于材料防子彈沖擊的在線測試中，顯示了其大變形和高速響應能力。傳感模型提供了明顯及合理的輸出信號，證明了測量陣列的有效性。該研究正在進一步深化。此類測量陣列質(zhì)量輕，質(zhì)地柔軟，制備成本低，可望廣泛應用在多種高速沖擊的在線測試中。

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