宏彎光纖應(yīng)變傳感經(jīng)編織物的設(shè)計(jì)

楊 昆， 王飛翔， 張 誠(chéng)

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 天津 300387)

宏彎光纖應(yīng)變傳感經(jīng)編織物的設(shè)計(jì)

楊 昆1， 王飛翔1， 張 誠(chéng)2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 天津 300387)

為開發(fā)一種利用宏彎原理測(cè)量人體呼吸和心跳的光纖傳感織物，設(shè)計(jì)了以棉紗編織的經(jīng)絨斜為地組織，以直徑為1 000 μm的聚合物光纖為襯緯紗的經(jīng)編襯緯復(fù)合織物。通過(guò)光纖彎曲實(shí)驗(yàn)研究了光纖彎曲曲率半徑與光信號(hào)衰減之間的關(guān)系，確定了襯緯光纖的初始彎曲曲率半徑為10 mm，選擇傳感循環(huán)單元數(shù)為2；通過(guò)比較分析雙梳經(jīng)編織物組織的特點(diǎn)，確定了傳感織物的地組織。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了織物墊紗運(yùn)動(dòng)圖和線圈密度，并在手動(dòng)經(jīng)編小樣織機(jī)上編織出傳感織物；最后對(duì)這些織物進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，傳感織物可通過(guò)電壓值變化的形式反映出拉伸過(guò)程中光信號(hào)相對(duì)于織物形狀的變化。

宏彎原理； 光纖； 經(jīng)編； 襯緯紗； 傳感織物

隨著社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展，紡織品除了御寒、保暖和美觀的作用，其功能性和智能性得到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注[1]。智能紡織品指基于紡織基礎(chǔ)，結(jié)合電子、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、物理、化學(xué)等多學(xué)科綜合開發(fā)的紡織品，具有感知環(huán)境變化的功能性[2-4]。在過(guò)去的幾十年中，智能紡織品被廣泛應(yīng)用在土木工程[5]、交通運(yùn)輸[6]等工業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)在也越來(lái)越多地被應(yīng)用到醫(yī)用領(lǐng)域[7]。目前，許多國(guó)家的研究人員都開展了關(guān)于可持續(xù)監(jiān)測(cè)人體生理參數(shù)產(chǎn)品的研究，相繼開發(fā)出可通過(guò)1個(gè)或多個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)呼吸運(yùn)動(dòng)、心臟活動(dòng)、脈搏血氧飽和度等生理指標(biāo)的可穿戴智能紡織品[8-9]。這些智能紡織品的感應(yīng)元件大都是電子傳感器，在具有輕薄、柔軟，可遠(yuǎn)距離測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)[10]的同時(shí)，也存在著工作中放熱、放電，易產(chǎn)生電磁反應(yīng)等弊端[11]。近些年來(lái)，光纖傳感器因其在使用時(shí)靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大、抗電磁干擾性能突出等優(yōu)點(diǎn)[12]逐漸受到了人們的重視，其與紡織品的結(jié)合已成為研究熱點(diǎn)。

光纖智能紡織品將光纖傳感器與紡織品有機(jī)結(jié)合。光纖傳感器按照光波在光纖中被調(diào)制的原理可分為強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)和波長(zhǎng)調(diào)制型等形式[13]?；诤陱澰淼墓饫w應(yīng)變傳感器屬于強(qiáng)度調(diào)制型傳感器，其主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，嵌入方式簡(jiǎn)單，可連續(xù)監(jiān)測(cè)[14]等。目前大多數(shù)宏彎傳感器采用縫紉、黏貼的方式將光纖嵌入到彈性基底織物上，光纖與織物沒有構(gòu)成相對(duì)統(tǒng)一的整體，是2個(gè)分別獨(dú)立的部分，其制作工藝復(fù)雜，耗時(shí)大，并且穿著時(shí)舒適性較差。本文研究經(jīng)編光纖宏彎應(yīng)變傳感器的編織與測(cè)試，將光纖作為編織組分織入織物中，使之與織物形成一體，織物不僅起到了原有基底可拉伸的作用，還起到了固定光纖的限位作用。這種方法既可一步制成傳感織物，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還可提高穿著舒適性，滿足智能服裝對(duì)穿著的基本要求，適應(yīng)其在醫(yī)用監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。

1 研究思路和工作原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

圖1 襯緯紗形狀Fig.1 Shape of weft insertion yarns

本文設(shè)計(jì)采用經(jīng)編局部襯緯的方式實(shí)現(xiàn)光纖宏彎傳感織物的制作，以光纖作為襯緯紗，按照半圓接半圓(2個(gè)半圓相切)的圖案設(shè)計(jì)，形狀如圖1所示，將其襯入經(jīng)編地組織中，實(shí)現(xiàn)織物的傳感作用。

1.2 原 理

宏彎指的是光纖彎曲的曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲，其引起的附加損耗為宏彎損耗，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)為纏繞、曲折等宏觀彎曲導(dǎo)致的損耗[15]。宏彎傳感器是利用光纖中傳播模全反射條件因待測(cè)物理量而受到影響，部分能量在彎曲段從側(cè)面逸出，使光纖中的光通量減少。通過(guò)檢查光能量的變化，測(cè)出相應(yīng)的物理量，即環(huán)境影響的調(diào)制可轉(zhuǎn)化為光纖宏彎損耗的形式。如果光纖的彎曲曲率半徑小于臨界值，傳輸信號(hào)的損耗會(huì)急劇增加，這樣就可得到相對(duì)敏感的宏彎光纖傳感器。

當(dāng)光纖在織物中被拉伸時(shí)，發(fā)生如圖2所示的弧a→弧b形變。(O0為弧a圓心，O為弧b圓心)對(duì)于一個(gè)傳感單元來(lái)說(shuō)其在織物中的總長(zhǎng)度不變，即傳感單元的弧長(zhǎng)不變。

圖2 傳感單元形狀變化Fig.2 Change in shape of sensing unit

由此可得到

(1)

式中：R0為初始傳感循環(huán)單元半徑；R為拉伸后傳感循環(huán)單元半徑；β為拉伸后傳感循環(huán)單元的弧對(duì)應(yīng)的圓心角。

在△AOB中，

(2)

式中：△L為拉伸變化量。

由式(1)、(2)聯(lián)立可得

(3)

通過(guò)式(3)可得出拉伸長(zhǎng)度變化量與初始傳感循環(huán)單元半徑和拉伸后傳感循環(huán)單元半徑之間的關(guān)系。

按照D.Marcuse的理論[16]，當(dāng)彎曲半徑為R時(shí)，光纖的彎曲損耗系數(shù)α為

(4)

式中：μ、W分別為徑向歸一化相位常數(shù)和徑向歸一化衰減常數(shù)；λ為軸向傳播常數(shù)；V為歸一化頻率；km為m階修正貝塞爾函數(shù)；a為纖芯半徑；em=2(m=0),em=1(m≠0)。

通過(guò)式(4)可看到，光纖彎曲引起的損耗依賴于彎曲半徑、纖芯半徑和芯層、包層折射率。本文實(shí)驗(yàn)在光纖種類相同的前提下，主要研究彎曲半徑對(duì)彎曲損耗的影響，彎曲半徑隨光纖拉伸長(zhǎng)度發(fā)生變化，測(cè)試電路中彎曲損耗的直觀表現(xiàn)為電壓值的改變，實(shí)驗(yàn)通過(guò)比較一定拉伸長(zhǎng)度下電壓值的變化來(lái)對(duì)光纖損耗做出評(píng)價(jià)。

2 傳感織物的準(zhǔn)備

2.1 紗線準(zhǔn)備

2.1.1 襯緯紗原料

由于聚合物光纖與傳統(tǒng)玻璃光纖相比，具有良好的柔韌性和彎曲性[17-18]，所以選擇聚合物光纖作為襯緯紗線。本文實(shí)驗(yàn)選用江西大圣有限公司生產(chǎn)的D1000、D750、D500 3種型號(hào)光纖，具體參數(shù)如表1所示。

表1 襯緯紗參數(shù)

2.1.2 地組織編織紗線原料

地組織選擇普通棉紗原料，前梳采用白色棉紗，線密度為20.0 tex，針數(shù)為40針；后梳采用粉色棉紗，線密度為25.0 tex，針數(shù)為40針。

2.2 織物準(zhǔn)備

2.2.1 地組織選擇

為編織簡(jiǎn)便，地組織在經(jīng)編常用組織結(jié)構(gòu)中選擇，經(jīng)絨斜組織為雙梳組織，織物較單梳織物厚實(shí)，穩(wěn)定性好[19],前梳進(jìn)行經(jīng)斜墊紗運(yùn)動(dòng)，后梳進(jìn)行經(jīng)絨墊紗運(yùn)動(dòng)，避免了雙經(jīng)平組織脫散的缺陷，且該組織織物比經(jīng)絨平、經(jīng)平斜織物柔軟，具有良好的延伸性，前后梳反向墊紗時(shí)，織物結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，適宜作為襯入光纖的地組織，所以選取經(jīng)絨斜組織為地組織。

2.2.2 編織方案

1)經(jīng)絨斜地組織墊紗數(shù)碼為前梳4-5/1-0//，后梳1-0/2-3//，在經(jīng)編上紗線排列方式見2.1.2小節(jié)。

2)根據(jù)測(cè)試，該傳感單元半徑范圍為10～18 mm，由于織物在測(cè)試過(guò)程中只能被拉伸，不能被壓縮，所以選擇10 mm作為光纖的初始彎曲半徑。

3)將傳感單元量化到織物中，具體的計(jì)算方法為：測(cè)量并計(jì)算織物的橫密為7縱行/cm，縱密為6橫列/cm；按照織物橫密縱密畫出網(wǎng)格，在其中取半徑為10 mm的圓，對(duì)于以曲線襯入織物中的光纖，應(yīng)盡量使每半個(gè)傳感循環(huán)的曲線接近半圓，根據(jù)其所占網(wǎng)格確定光纖的墊紗數(shù)碼為8-8/15-15/16-16/17-17/18-18/19-19/19-19/18-18/17-17/16-16/15-15//。

2.2.3 編織設(shè)備

編織設(shè)備采用實(shí)驗(yàn)室自制的經(jīng)編小樣機(jī)[20]，機(jī)號(hào)E12，手動(dòng)操作。

2.3 測(cè) 試

2.3.1 襯緯紗測(cè)試

2.3.1.1 單圈彎曲測(cè)試 首先對(duì)3種光纖分別作單圈彎曲測(cè)試。由于1個(gè)傳感單元為2個(gè)半圓弧，在實(shí)驗(yàn)具體操作過(guò)程中，用一個(gè)圓弧即光纖彎曲1圈來(lái)表示1個(gè)傳感單元。在光纖未彎曲之前，利用數(shù) 字萬(wàn)用表測(cè)試了初始輸出電壓作為參考電壓，然后每次將光纖以不同的半徑彎曲成圓圈狀并固定在亞克力測(cè)試平臺(tái)上，使用IF E91D為光纖提供光源，利用如圖3 所示的實(shí)驗(yàn)裝置，再次測(cè)量輸出電壓，每種光纖做3次實(shí)驗(yàn)，取平均值作圖，通過(guò)對(duì)比結(jié)果，找到最適合做襯緯紗的光纖。

2.3.1.2 襯緯紗彎曲半徑確定 針對(duì)實(shí)驗(yàn)所用光纖，測(cè)試其在拉伸應(yīng)變時(shí)反應(yīng)最敏感的半徑范圍。由以上實(shí)驗(yàn)確定其初始曲率半徑值，選擇的步長(zhǎng)值小于之前實(shí)驗(yàn)的步長(zhǎng)值(步長(zhǎng)為1 mm)，測(cè)量其在不同曲率半徑下的電壓損耗，以確定最敏感半徑范圍。

2.3.1.3 傳感單元個(gè)數(shù)的確定 以1個(gè)光纖彎曲圓圈作為一個(gè)傳感單元，利用如圖4所示的測(cè)試裝置，增加傳感單元個(gè)數(shù)，分別重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)3次，取平均值，得到傳感單元個(gè)數(shù)與傳感器靈敏度之間的關(guān)系，確定傳感單元個(gè)數(shù)。

圖4 確定傳感單元循環(huán)數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Test equipment for determining number of sensing unit

2.3.2 織物拉伸測(cè)試

光纖宏彎傳感織物編織完成后，對(duì)其進(jìn)行拉伸，測(cè)試傳感信號(hào)的變化，檢測(cè)光纖作為襯緯紗織入織物后的傳感特性。在圖3所示的測(cè)試裝置的基礎(chǔ)上，將2個(gè)方形亞克力測(cè)試平臺(tái)換成平移臺(tái)，將織物兩端分別夾持在固定平移臺(tái)和電動(dòng)平移臺(tái)的的兩側(cè)，對(duì)織物進(jìn)行拉伸測(cè)試(如圖5所示)，用Lab View數(shù)據(jù)卡收集拉伸過(guò)程中的動(dòng)態(tài)電壓。

圖5 動(dòng)態(tài)電壓測(cè)試裝置Fig.5 Test equipment for dynamic voltage

3 結(jié)果及分析

3.1 光纖襯緯紗測(cè)試結(jié)果

圖6示出單圈光纖在不同彎曲曲率半徑的電壓值，圖7示出由彎曲引起的損耗隨不同曲率半徑的變化關(guān)系。由于D1000光纖較粗，抗彎剛度大，當(dāng)半徑為2.5 mm時(shí)，會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)性的破壞，因此圖6中D1000的起點(diǎn)為5 mm。從圖6、7可知，在相同彎曲曲率半徑變化范圍內(nèi)，D1000所測(cè)電壓的絕對(duì)數(shù)值和電壓損耗值較D750和D500更明顯，所以本研究選擇D1000作為襯緯紗原料。

圖6 單圈光纖在不同彎曲半徑下電壓Fig.6 Output voltages at different curvature radius of single sensing unit

圖7 單圈光纖隨曲率半徑變化引起的電壓損耗Fig.7 Voltage loss resulting from change of curvature radius of single sensing unit

由圖7可知，D1000彎曲曲率半徑在5～20 mm之間引起的電壓損耗明顯，實(shí)驗(yàn)選擇對(duì)拉伸應(yīng)變反應(yīng)最敏感的半徑范圍，所以初始半徑從20 mm開始逐漸減小，步長(zhǎng)為2 mm，測(cè)量其在不同曲率半徑下的電壓損耗，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。由此可知傳感單元曲率半徑在10～18 mm時(shí)，電壓變化最明顯，因此實(shí)驗(yàn)選擇的傳感單元半徑為10～18 mm。

圖8 光纖傳感單元半徑與傳感電壓的關(guān)系Fig.8 Relationship between curvature radius of sensing unit and output voltage of optical fiber

在確定傳感單元個(gè)數(shù)實(shí)驗(yàn)中，得到圖9所示結(jié)果，由此可知隨著傳感單元個(gè)數(shù)的增加，電壓變化也隨之變大，增加傳感單元個(gè)數(shù)，可增加光纖宏彎傳感器靈敏度。

圖9 不同傳感循環(huán)數(shù)與傳感電壓的關(guān)系Fig.9 Relationship between number of sensing unit and output voltage of optical fiber

3.2 傳感織物測(cè)試結(jié)果

在經(jīng)編小樣機(jī)上編織襯緯經(jīng)絨斜織物，得到的編織成品如圖10所示?？椢锢扉L(zhǎng)度與傳感電壓的關(guān)系如圖11所示。

圖10 織物成品Fig.10 Fabric sample. (a) Face side; (b) Reverse side

圖11 拉伸長(zhǎng)度與傳感電壓的關(guān)系Fig.11 Relationship between fabric elongation and output voltage

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可知，在纖芯半徑和芯層、包層折射率固定時(shí)，光纖的彎曲損耗主要與曲率半徑有關(guān)，曲率半徑在一定范圍內(nèi)增加，光纖的彎曲損耗會(huì)減小，曲率半徑在一定范圍內(nèi)減小，光纖的彎曲損耗會(huì)增加。隨著傳感循環(huán)個(gè)數(shù)在一定范圍內(nèi)的增加，光纖的彎曲損耗相應(yīng)增加。

經(jīng)絨斜襯緯宏彎傳感織物中，通過(guò)改變襯緯紗的墊紗數(shù)碼可改變宏彎結(jié)構(gòu)單元的曲率半徑，在拉伸過(guò)程中，隨著拉伸長(zhǎng)度的變化，地組織產(chǎn)生形變，傳感單元的半徑發(fā)生改變，從而導(dǎo)致傳感電壓發(fā)生明顯變化，由此可知經(jīng)編宏彎傳感器所測(cè)電壓值與拉伸長(zhǎng)度正相關(guān)。

4 結(jié) 論

本文研究通過(guò)采用經(jīng)編局部襯緯組織(經(jīng)絨斜作為地組織，光纖作為襯緯紗線)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了宏彎傳感器與織物的一體成型，并通過(guò)了拉伸測(cè)試，證明該傳感器對(duì)拉力敏感。該設(shè)計(jì)不僅兼具光纖的傳感特性和織物的性能特點(diǎn)，而且加工制作工藝簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

經(jīng)編光纖宏彎應(yīng)變傳感織物有利于將光纖集成到服裝中，從而制作成智能服裝，用于人體生理指標(biāo)的檢測(cè)。在此研究的基礎(chǔ)上，還可將人體生理監(jiān)測(cè)進(jìn)一步完善，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸、肘部彎曲、膝部彎曲等生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)，為人體健康監(jiān)測(cè)工作和智能服裝領(lǐng)域提供更多的方法。

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Design of warp knitted strain sensing fabric based on optical macro-bending sensor

YANG Kun1， WANG Feixiang1， ZHANG Cheng2

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China；2.SchoolofElectronicandInformationEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to develop an optical macro-bending sensing fabric to detect respiration and heartbeat of human body, a warp knitted sensing fabric was designed by using a combined structure in which locknit stitches were knitted with cotton yarns and adopted as a ground structure, and optical fiber with a radius of 1 000 μm was used as the inlay yarn. The relationship between the bending curvature radius of the optical fiber and the loss of its optical signal output was investigated by experimental method. 10 mm and 2 cycles were determined as the initial curvature radius of the optical fiber and the number of sensing unit, respectively. Then, the properties of two guide bar warp knitted structures were compared and analyzed, and the modified Sharkskin structure was chosen as the ground structure of sensing fabrics. Based on them, lapping diagram and stitch density were designed, and the sensing fabrics were produced on a hand driven warp-knitting machine. Finally, these fabrics were tested, and the results show that the optical signal changes can effectively reflect the change of the fabric shape by means of voltage changes in the stretching process.

macro-bending sensor; optical fiber; warp knitting; weft insertion; sensing fabric

10.13475/j.fzxb.20160904806

2016-09-20

2017-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(61307094)；天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金項(xiàng)目(20140713)

楊昆(1967—)，男，副教授。主要研究方向?yàn)橹悄芗徔椘?、新型紡紗技術(shù)和針織物。E-mail:tjkyang@126.com。

TS 186.9； TS 106.5

A