基于經(jīng)編間隔織物的壓力電容傳感器特性

孫 婉，繆旭紅，王曉雷，蔣高明

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

壓力電容傳感器，是利用電容器受力時極板間距、極板面積或中間介質(zhì)的改變而引起電容值變化的原理[1]，將被測壓力轉(zhuǎn)化為與之有一定關(guān)系的電信號輸出的傳感器。傳統(tǒng)的壓力傳感器元器件笨重突兀，不能隨織物一起發(fā)生形變，且人體舒適感低，不能滿足智能紡織品發(fā)展的需求，因此促進(jìn)了柔性傳感器的發(fā)展。目前，國內(nèi)對柔性壓力電容傳感器的研究較少，傳感器的結(jié)構(gòu)也較為單一，主要為薄膜結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于觸覺感應(yīng)領(lǐng)域[2-3]，主要研究影響傳感器靜態(tài)特性的因素。國外對柔性壓力電容傳感器的研究起步較早，傳感器結(jié)構(gòu)豐富，不僅有織物結(jié)構(gòu)，還有紗線結(jié)構(gòu),并且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可應(yīng)用于醫(yī)療健康、運動監(jiān)測、安全防護(hù)和觸覺感應(yīng)：Meyer、Holleczek等[4-5]設(shè)計了基于間隔織物結(jié)構(gòu)的壓力電容傳感器，實現(xiàn)了姿態(tài)監(jiān)測；文獻(xiàn)[6-7]設(shè)計了基于機織物結(jié)構(gòu)的壓力電容傳感器陣列，實現(xiàn)了壓力分布的監(jiān)測；文獻(xiàn)[8-10]設(shè)計了基于紗線結(jié)構(gòu)的壓力電容傳感器，這種結(jié)構(gòu)的傳感器體積較小，主要用于觸覺感應(yīng)。國外對柔性壓力電容傳感器的研究更成熟，多為采用陣列形式，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測壓力分布情況，但是國外對壓力電容傳感器的基本特性研究較少。而國內(nèi)對織物結(jié)構(gòu)的壓力電容傳感器幾乎沒有。經(jīng)編間隔織物是三維立體結(jié)構(gòu)，能承受較大的壓力，而且經(jīng)編間隔織物多用于坐墊和床墊[11-12]，因此本文采用經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)的壓力電容傳感器，用于人體坐姿監(jiān)測。本文在經(jīng)編間隔織物上下表面貼覆導(dǎo)電布，制成單個壓力電容傳感器，并研究其傳感特性，為設(shè)計壓力電容傳感器陣列，實現(xiàn)人體坐姿監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 間隔織物壓力電容傳感器的制備

本文中的壓力電容傳感器，是以經(jīng)編間隔織物為介質(zhì)，用導(dǎo)電布做柔性電極，貼覆在經(jīng)編間隔織物的上表面和下表面，制成具有一定厚度的間隔織物電容器，尺寸規(guī)格為10 cm×10 cm。用絕緣膠布將導(dǎo)線固定在導(dǎo)電布上，作為測量電容時夾具夾持點，如圖1所示。當(dāng)間隔織物受到壓力的作用，間隔絲彎曲，上下電極間距縮小，從而引起電容值的變化，這就是間隔織物壓力電容傳感器的工作原理。

圖1 經(jīng)編間隔織物壓力電容傳感器Fig.1 Pressure capacitive sensor based on warp-knitted spacer fabric

傳感器介質(zhì)規(guī)格：傳感器以經(jīng)編間隔織物為介質(zhì)，本文所用的經(jīng)編間隔織物是在RDN6機器上織造的，樣布由常熟源碩織造公司提供，其詳細(xì)規(guī)格如表1所示，上下組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用這6種規(guī)格樣布，主要研究間隔絲粗細(xì)、間隔絲密度和間隔絲長度對傳感器特性的影響。由經(jīng)編間隔織物的壓縮可知，表面結(jié)構(gòu)對其壓縮性能影響不大，因此本文不研究表面結(jié)構(gòu)對間隔織物壓力電容傳感器性能的影響。

表1 經(jīng)編間隔織物規(guī)格Tab.1 Warp-knitted spacer fabric specification parameters

圖2 經(jīng)編間隔織物表面結(jié)構(gòu)Fig.2 Surface structure of warp-knitted spacer fabric.(a) Structure 1; (b) Structure 2; (c) Structure 3; (d) Structure 4; (e) Structure 5; (f) Structure 6

傳感器電極：電極采用一種單面膠導(dǎo)電布，這種單面膠導(dǎo)電布由深圳市永譽膠黏制品有限公司提供，是在高強度的聚脂纖維布上鍍以高導(dǎo)電的銅與鎳混合金屬，再涂布以高導(dǎo)電性的亞克力自黏膠而成。其厚度為0.1 mm，寬度為10 cm，長度可根據(jù)使用情況自行剪裁，本文使用長度為10 cm，電阻為105Ω/cm2，具有一定的柔韌性、導(dǎo)電性，耐磨及抗高溫性，另具較為優(yōu)良的服貼性。

1.2 實驗儀器與實驗條件

本文主要研究間隔織物壓力電容傳感器的電力學(xué)性能，即力與電容的關(guān)系，采用YF-900壓縮儀器為TH2830型電容測量儀器。實驗溫度為16 ℃，濕度為64%。

為減少寄生電容對實驗的影響，以及防止電容與壓縮儀器產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，在壓縮儀器的上下鐵盤上用強力膠黏貼木塊，木塊與間隔織物壓力電容傳感器直接接觸，根據(jù)作用力與反作用力原理，木塊的添加并不會改變力值大小。電容測量儀器的測試速度設(shè)定為慢速，測試頻率采用100 kHZ。根據(jù) FZ/T 01051.2—1998《紡織材料和紡織制品壓縮性能 第2 部分 連續(xù)壓縮特性的測定》進(jìn)行壓縮實驗，壓縮速度為10 mm/min，樣品規(guī)格為10 cm×10 cm。實驗方式如圖3所示，每壓縮10%的應(yīng)變，記錄此時的力與電容值。每種規(guī)格樣品，取5次實驗中結(jié)果的平均值作為最后實驗結(jié)果。由于間隔織物具有一定的厚度，不能進(jìn)行100%的壓縮，而且隨著壓縮距離的減少，應(yīng)力越來越大，為保證實驗的精確性，當(dāng)應(yīng)變超過60%時，以實際的壓縮距離作為應(yīng)變。

圖4 傳感器的應(yīng)力與電容以及電容變化率曲線Fig.4 Sensor characteristic curve of stress-capacitamce (a) and stress-relative capacitance(b)

圖3 實驗過程示意圖Fig.3 Experimental process

2 結(jié)果與分析

將實驗數(shù)據(jù)在Origin中作圖，得到應(yīng)力-電容曲線圖、應(yīng)力-電容變化率曲線，結(jié)果(見圖4)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖(見圖5)。分別研究這6種間隔織物壓力電容傳感器的線性度和靈敏度。

圖5 傳感器的應(yīng)力與應(yīng)變曲線Fig.5 Sensor characteristic curve of stress-strain

2.1 間隔織物壓力電容傳感器曲線特征

由間隔織物壓力電容傳感器的應(yīng)力-電容曲線(見圖4(a))可知，這6種傳感器應(yīng)力-電容曲線都呈現(xiàn)出以下規(guī)律：隨著應(yīng)力的增大，電容逐漸增大。當(dāng)應(yīng)力小于50 kPa時，電容的增大趨勢較為急劇；當(dāng)應(yīng)力大于50 kPa時，電容的增大趨勢逐漸變緩。結(jié)合間隔織物壓力電容傳感器的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及對傳感器的輸出特性進(jìn)行線性化處理的原則，將應(yīng)力-電容曲線劃分為3個階段[13]，且這3個階段對應(yīng)傳感器壓縮的彈性區(qū)、平臺區(qū)和壓潰區(qū)[14]。第1階段為0～30%應(yīng)變區(qū)域，該區(qū)域為壓縮的彈性區(qū)，電容隨應(yīng)力的增大呈現(xiàn)出近似線性的增大趨勢；第2階段為30%～60%應(yīng)變區(qū)，該區(qū)域為壓縮的平臺區(qū)，電容隨著應(yīng)力的增大而急劇增大；第3 階段為60%～85%應(yīng)變區(qū)，該區(qū)域為壓縮的壓潰區(qū)，電容隨應(yīng)力的增大而呈現(xiàn)出緩慢增大的趨勢。

2.2 間隔織物壓力電容傳感器線性度特征

線性度是描述傳感器靜態(tài)特性的幾個性能之一。所謂傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱為非線性誤差[13]，可用下式表示：

式中：ΔImax為輸出量和輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差；YFS為輸出滿量程值。

由傳感器的應(yīng)力-電容曲線圖可知，間隔織物壓力電容傳感器是非線性的，絕大多數(shù)傳感器都不具備y=bx這種理想線性特性。在使用非線性傳感器時，為直觀顯示，便于使用，必須對傳感器的輸出特性進(jìn)行線性化處理[15]。擬合直線的方法很多，同一種傳感器，采用不同的擬合方法，其線性度是不同的，因此擬合的原則是通過簡便的計算獲得盡可能小的非線性誤差，常用的方式有端點直線法、端點平移直線法、最小二乘法。端點直線法，計算簡便，但是擬合精度低，非線性誤差大，只能粗略估計，只適用于靜態(tài)特性曲線非線性較小的傳感器；端點平移直線法，其非線性誤差比端點直線法降低一半，提高了擬合精度；最小二乘法擬合精度很高，但是計算繁瑣，不過現(xiàn)在利用擬合軟件可以較為方便地擬合[15]。本文采用最小二乘法利用Origin軟件對間隔織物壓力電容傳感器的3個階段進(jìn)行y=a+bx線性擬合，計算每個階段的線性度，分別用E1、E2和E3表示，線性度計算結(jié)果如表2所示。

表2 傳感器3個階段的線性度及應(yīng)變范圍Tab.2 Linearity and strain range of sensor in three stages

線性度越小，其非線性誤差越小，則傳感器線性越好。由線性度計算結(jié)果可知，這6種傳感器都在第1階段呈現(xiàn)出較好的線性，這一階段處于壓縮的彈性階段，應(yīng)變隨應(yīng)力呈現(xiàn)出近似線性的變化，而在小應(yīng)變階段，電容隨應(yīng)變的變化也可以看成近似線性的變化，因此第1階段線性度最好。而隨著壓縮的進(jìn)行，應(yīng)變與應(yīng)力的線性度越來越差，電容與應(yīng)變的線性度也越來越差，因此傳感器在第2階段和第3 階段的線性度逐漸變差。

2.3 間隔織物壓力電容傳感器靈敏度性能

傳感器的靈敏度S是其在穩(wěn)態(tài)下輸出的增量Δy與輸入增量Δx的比值，表示傳感器對輸入變化的反應(yīng)能力[15]。在國際傳感器領(lǐng)域，尤其是電容傳感器領(lǐng)域，研究學(xué)者們大都以單位壓力ΔF下電容變化的百分比ΔC/C0表示傳感器的靈敏度[16-18]，計算公式為：

間隔織物壓力電容傳感器是非線性傳感器，其應(yīng)力-電容變化率曲線上的Δy/Δx只能表示在某一工作點的靈敏度。本文上述部分進(jìn)行了間隔織物壓力電容傳感器線性度研究，將應(yīng)力-電容曲線分階段進(jìn)行線性處理。仍采用相應(yīng)的分段方式，分別對應(yīng)力-電容變化率曲線3段進(jìn)行擬合，用該階段的斜率表示這個階段的靈敏度。間隔織物壓力電容傳感器3個階段的靈敏度分別用S1、S2和S3,結(jié)果如表3所示，并記錄相應(yīng)的應(yīng)力范圍。

表3 傳感器3個階段的靈敏度及應(yīng)力范圍Tab.3 Sensitivity and stress ranges for three stages of sensor

2.3.1間隔織物壓力電容傳感器靈敏度特征

由表3可知，這6種規(guī)格的傳感器，其靈敏度在整個壓縮過程中呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，其中第2階段的靈敏度最高，第3階段的靈敏度最低。由于經(jīng)編間隔織物的規(guī)格不同，其壓縮性能不同，每個階段內(nèi)的應(yīng)力范圍也不同。由上述結(jié)果可看出：第2階段應(yīng)力范圍最小，在2.281～14.844 kPa；第3階段應(yīng)力范圍最大，在172.210～368.065 kPa。這主要是因為第2階段是壓縮的平臺區(qū)，此階段的應(yīng)力的增幅很小，在幾千帕至十幾千帕之間(見圖5)，而應(yīng)變很大可達(dá)30%，電容變化率在120%左右(見圖4(b))，其靈敏度高。而第3階段是壓潰區(qū)，應(yīng)力增幅很大，應(yīng)變較小，在10%～25%之間，雖然這個階段電容變化也很大，可達(dá)188.393%～716.201%，但是應(yīng)力的增幅更大，所以這個階段的靈敏度最低。

2.3.2間隔織物壓力電容傳感器靈敏度影響因素

結(jié)合間隔織物的規(guī)格(見表1)可知，在傳感器的第1階段和第2階段中，靈敏度受間隔絲粗細(xì)的影響較大，呈現(xiàn)出間隔絲越細(xì)，靈敏度越大的趨勢。而在第3階段，靈敏度的高低與間隔絲粗細(xì)之間的關(guān)系不明顯，但是與間隔絲的密度呈現(xiàn)一定規(guī)律：在傳感器的第3階段，靈敏度主要受到間隔絲密度的影響，間隔織物間隔絲的密度越大，靈敏度越低。2#的靈敏度最大，其間隔絲密度最小為63；3#的靈敏度最小，其間隔絲密度最大。

當(dāng)間隔絲粗細(xì)相同時，壓力電容傳感器的電容變化率受間隔絲長度和間隔絲密度影響。當(dāng)間隔絲的長度相差不大時，靈敏度主要由間隔絲密度決定，間隔絲密度小時，電容變化率大，如1#和2#；當(dāng)間隔絲長度相差較大時，在壓力電容傳感器的第1階段和第2階段，其靈敏度主要受間隔絲長度的影響，間隔絲密度對靈敏度的影響較小，間隔絲越長，靈敏度越大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是間隔絲的抗彎剛度與間隔絲長度的平方成反比[19]，相同應(yīng)力下，間隔絲越長，形變越大，電容變化率越大，從而靈敏度越高。但隨著壓力電容傳感器極板間距離的減小，進(jìn)入傳感器的第3階段，間隔絲密度對其靈敏度的影響越來越大，這時候間隔絲密度越小，靈敏度越大。如3#和4#、5#和6#，在第1、第2階段，間隔絲較長的3#和5#，其靈敏度大，在第3階段，間隔絲密度較小4#和6#，其靈敏度較大。

另外，間隔織物壓力電容傳感器靈的重復(fù)性與間隔織物的抗壓回彈性和抗壓縮疲勞性有密切關(guān)系。隨著壓縮次數(shù)的增加，間隔織物的初始厚度降低，造成初始電容值變大，而應(yīng)力逐漸減小，從而產(chǎn)生重復(fù)性誤差。

3 結(jié) 論

以6種規(guī)格的間隔織物為介質(zhì)，對間隔織物壓力電容傳感器的輸出曲線進(jìn)行線性處理，將傳感器的輸出曲線即應(yīng)力-電容曲線分為3個階段，研究了間隔織物壓力電容傳感器的靜態(tài)特性中的線性度、靈敏度，得到主要結(jié)論如下。

1)間隔織物壓力電容傳感器的應(yīng)力-電容曲線，在小應(yīng)力下，電容呈現(xiàn)出較為急劇的增大趨勢，在大應(yīng)力下，呈現(xiàn)緩慢增大趨勢的特征。傳感器第1階段的線性度最好，而后隨著壓縮的進(jìn)行，線性度越來越差。

2)間隔織物壓力電容傳感器第2階段的靈敏度最高，第3階段的靈敏度最低。間隔絲的粗細(xì)對第1第2階段的靈敏度影響較大，間隔絲越細(xì)，其第1第2階段的靈敏度越高。第3階段的靈敏度主要受到間隔絲密度的影響，間隔絲密度小的傳感器，其靈敏度高。

3)在設(shè)計間隔織物壓力電容傳感器時，綜合線性度、靈敏度和重復(fù)性能等，選擇合適規(guī)格的間隔織物作為壓力電容傳感器的介質(zhì)。

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