基于信息纖維的柔性傳感器理論與應(yīng)用研究

馬明毅

摘要 本文主要分析研究基于信息纖維的柔性傳感器理論及應(yīng)用，通過對信息纖維和柔性傳感器進行簡要概述作為根本出發(fā)點，分別從材料形變電阻效應(yīng)、材料形變電容效應(yīng)、織物線圈互感效應(yīng)等方面論述基于信息纖維的柔性傳感器理論，之后嘗試以智能服裝系統(tǒng)為例，簡單探究基于信息纖維的柔性傳感器應(yīng)用，以便能夠有效幫助人們加深對柔性傳感器的理解與認知。

關(guān)鍵詞 信息纖維；柔性傳感器理論；應(yīng)用

中圖分類號 TP2 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2016）14-0055-02

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展水平不斷提高，科學(xué)技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，我國也迎來智能化、現(xiàn)代化、信息化時代，在此背景之下，各行各業(yè)均朝著智能化、現(xiàn)代信息化的方向發(fā)展，服裝領(lǐng)域也不例外。為了能夠有效增強服裝的智能性，更好地滿足人們對于服裝的智能需求，科研人員加大了相關(guān)方面的研究力度，通過結(jié)合基于信息纖維的柔性傳感器理論并將其運用在服裝當(dāng)中，為我國服裝行業(yè)的發(fā)展進步增添了濃墨重彩的一筆。

1信息纖維與柔性傳感器的簡要概述

1.1信息纖維

信息纖維是一種重要的信息功能材料，而所謂的信息功能材料指的就是能夠為獲取、傳輸、顯示和處理材料提供必要服務(wù)的相關(guān)材料，譬如說各種半導(dǎo)體材料、光電子材料、傳感器材料等等，而在信息功能材料當(dāng)中其外觀呈現(xiàn)出細長纖維狀的材料也就是信息纖維。而在現(xiàn)階段的傳遞媒介當(dāng)中以光、電為主，因此運用在傳感器當(dāng)中的信息纖維也主要以光導(dǎo)纖維、導(dǎo)電纖維、磁性纖維為主。

1.2柔性傳感器

柔性傳感器與普通傳感器最大的區(qū)別體現(xiàn)在“柔性”二字上，即柔性傳感器具備材料柔軟容易變形，模量比較低等特性。根據(jù)不同的用途，柔性傳感器也有著多種多樣的類型和種類，比如說用于調(diào)節(jié)溫度的柔性溫度傳感器、能夠產(chǎn)生壓力的柔性壓力傳感器，材料易發(fā)生形變的柔性形變傳感器等等。從感知機理的角度出發(fā)，柔性傳感器也可分成電阻式、電容式、電感式等多種模式；而從外觀的角度出發(fā)，柔性傳感器又可以被細分為現(xiàn)狀外觀、面狀外觀、立體狀外觀等各種形態(tài)和類型的柔性傳感器。

2基于信息纖維的柔性傳感器理論

2.1材料形變電阻效應(yīng)

現(xiàn)階段，在基于信息纖維的柔性傳感器理論當(dāng)中材料形變電阻效應(yīng)是其中一項重要的理論，具體來說指的就是吸附在基體材料當(dāng)中的金屬電阻應(yīng)變片，跟隨著不斷產(chǎn)生形變的機械而改變相應(yīng)電阻值的現(xiàn)象，通常人們也將其稱之為電阻應(yīng)變效應(yīng)。在材料形變電阻效應(yīng)的理論支持下，各國設(shè)計師利用信息纖維中的導(dǎo)電纖維相繼設(shè)計出了電阻式柔性傳感器、針織應(yīng)變傳感器等。

2.2材料形變電容效應(yīng)

材料的形變電容效應(yīng)也是基于信息纖維的柔性傳感器常用的一種重要理論。在材料形變電容效應(yīng)的理論支持下，設(shè)計師嘗試使用導(dǎo)電纖維設(shè)計出了電容式柔性壓力傳感器并建立了與之相對應(yīng)的電容網(wǎng)絡(luò)模型。在該柔性傳感器當(dāng)中，兩根纖維相互交錯此時電容將不斷變大；還有設(shè)計師嘗試使用彈性中空纖維設(shè)計出柔性電容性觸覺傳感器，利用兩根相互交叉的纖維會產(chǎn)生電容變化為基礎(chǔ)，通過測量電容的變化用于檢驗纖維之間接觸壓力的大小。

2.3織物線圈互感效應(yīng)

除了材料形變電阻效應(yīng)與材料形變電容效應(yīng)之外，織物線圈的互感效應(yīng)也是基于信息纖維的柔性傳感器經(jīng)常需要運用的一項理論。而支撐互感效應(yīng)的基本原理正是磁的耦合；通常意義下，只要同時有2個電流回路存在就會產(chǎn)生互感效應(yīng)，其中1個電流回路會產(chǎn)生1個磁場并對第2個電流回路產(chǎn)生一定的影響，最后兩個電流回路相互影響。在織物線圈互感效應(yīng)的理論下，檢驗容積變化變得更加容易。以織物線圈互感效應(yīng)為設(shè)計理論，設(shè)計師設(shè)計了一款電感式應(yīng)變?nèi)嵝詡鞲衅?，同時建立了與之相對應(yīng)的電感計算模型。

3基于信息纖維的柔性傳感器應(yīng)用

3.1健康監(jiān)護服裝

健康監(jiān)護服裝主要是用于監(jiān)測人體以呼吸、脈搏、體溫、心跳等為代表的生命特恒和生理信息，以便隨時隨地了解人的身體和生理健康。健康監(jiān)護服裝主要由兩大部分組成，其一為緊身背心作為基體；另一部分則是在基體之上具有可拆卸性質(zhì)的生理信息檢測系統(tǒng)。其中生理信息檢測系統(tǒng)又被細分為3個部分，分別用于完成信息輸入、信息處理以及信息輸出。在信息輸入部分當(dāng)中主要由兩個設(shè)置在基體內(nèi)側(cè)，與人體左胸和右胸相對應(yīng)的柔性機織電極和同樣設(shè)置與基體內(nèi)側(cè)與人體胸部和腹部位置相對應(yīng)的電阻式柔性應(yīng)變傳感器以及一個位于基體腹部為止電阻式柔性溫度傳感器組成；而輸出和處理信息則交由一個能夠集獲取、轉(zhuǎn)換、發(fā)射傳感器信號等功能于一身的電路完成。

3.2電熱服裝

電熱服裝主要用于為服裝提供加熱和保溫功能，其主要設(shè)置包括一個馬甲基體以及一個可以對溫度進行有效控制的系統(tǒng)。其中溫度控制系統(tǒng)主要有由基體之上與人體左右前胸及后背位置相對應(yīng)的3個電阻式柔性溫度傳感器和面狀電熱元件、一個與人體左前腹位置相對應(yīng)的微控制器、以及一個電源構(gòu)成。為考慮人體的舒適程度和穿戴方便性，微控制器需要盡量控制其體積以及耗能情況，而在面狀電熱元件當(dāng)中通?？梢詫㈦姛岵甲鳛樵?/p>

3.3睡姿監(jiān)護服裝

睡姿監(jiān)護服裝顧名思義主要是用于監(jiān)測人體的睡姿情況并及時將其反饋給使用者。在睡姿監(jiān)護服裝當(dāng)中主要由一個衣物基體和位于基體之上分別于人體前、后、左、右4個位置相對的電阻式柔性壓力傳感器組合而成。導(dǎo)電經(jīng)緯線相互交錯，同時緯線和經(jīng)線之間均使用并聯(lián)的連接方式，導(dǎo)電經(jīng)緯線之間的總體電阻也會隨著電阻式柔性壓力傳感器產(chǎn)生的壓力變化而變化。當(dāng)人體穿著睡姿監(jiān)護服裝入睡并出現(xiàn)俯臥、側(cè)臥等睡眠姿勢時，對應(yīng)部位的電阻式柔性壓力傳感器將會受到一定的壓力作用進而發(fā)生電阻變化，此時產(chǎn)生的電阻信號將通過信號轉(zhuǎn)換電路變?yōu)殡妷盒盘?，而電壓信號再?jīng)由微控制器該轉(zhuǎn)換為睡姿信息，最后人體將由用于報警的電路、天線等獲知自身的睡姿信息。

3.4監(jiān)護軍服

監(jiān)護軍服主要用于軍事作戰(zhàn)當(dāng)中，其主要由一個背心基體和位于基體之上具有可拆卸性質(zhì)的能夠用于檢測穿透信息的系統(tǒng)這兩大部分組成。其中可用于檢測穿透信息的系統(tǒng)主要是由位于基體之上且分別與人體的前、后兩大部位相對應(yīng)的柔性穿透傳感器以及分別用于處理和輸出信息的部分組成。其中輸出和處理信息則交由一個能夠集獲取、轉(zhuǎn)換、發(fā)射傳感器信號等功能于一身的電路完成。當(dāng)柔性穿透傳感器感受到子彈、刀片外力作用并被穿透時，與之相對應(yīng)的導(dǎo)電經(jīng)緯線將直接變?yōu)閿嗦窢顟B(tài)；此時由信號轉(zhuǎn)換電路負責(zé)對全部導(dǎo)電經(jīng)緯線的狀態(tài)進行檢測，以便能夠準(zhǔn)確得知處于通路狀態(tài)下的導(dǎo)電經(jīng)緯線對應(yīng)區(qū)域是否全部為非穿透區(qū)域，處于斷路狀態(tài)下的導(dǎo)電經(jīng)緯線對應(yīng)區(qū)域是否全部為穿透區(qū)域；最后能夠依據(jù)穿透區(qū)域的具體情況，對因外力作用產(chǎn)生的穿透區(qū)域的具體對應(yīng)位置、面積大小等進行詳細確定。

4結(jié)論

總而言之，目前基于信息纖維的柔性傳感器在我國剛剛起步發(fā)展，還缺乏大量的知識理論作為重要的基礎(chǔ)保障，本文只挑選其中比較重要的3種理論進行簡單介紹。同時結(jié)合智能服裝系統(tǒng)，分別從健康監(jiān)護服裝、電熱訴狀、睡姿監(jiān)護服裝以及監(jiān)護軍服等方面對基于信息纖維的柔性傳感器的應(yīng)用進行簡要分析。相信在不久的將來，柔性傳感器還將得到進一步的發(fā)展，屆時基于信息纖維的柔性傳感器也將得到更加深入廣泛的應(yīng)用。endprint