基于針織的肘部彎曲傳感器傳感性能研究

劉嬋嬋　繆旭紅　李煜天

摘要：為了運(yùn)用針織導(dǎo)電織物作為柔性傳感器來測試肘部彎曲度，對不同工藝條件下的導(dǎo)電織物進(jìn)行了傳感性能測試，以期獲得最佳織物工藝.針對不同原料、組織和織物密度設(shè)計了三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，在圓機(jī)上織制了9種規(guī)格的導(dǎo)電織物并制作成袖套，測試了人體實(shí)際穿著時肘部彎曲過程中導(dǎo)電織物電阻的變化，采用多指標(biāo)極差法和SAS方差法綜合分析了9種導(dǎo)電織物的線性度、穩(wěn)定性和靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響傳感性能的因素從大到小順序?yàn)樵稀⒔M織、織物密度，地紗原料的彈性對各傳感性能影響最大，所以可以優(yōu)先選擇改變原料的彈性來調(diào)整傳感器的傳感性能。

關(guān)鍵詞：緯編;柔性傳感器;導(dǎo)電織物;傳感性能;肘部彎曲

中圖分類號：TS184.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-7003（ 2019） 12-0016-06

引用頁碼：121103

隨著智能紡織品的快速發(fā)展，以紡織品為基底的可穿戴傳感器[1-2]的研究受到越來越多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。根據(jù)不同的原理，將傳感器嵌入到服裝的不同部位可以檢測人體不同部位、不同狀態(tài)下的活動參數(shù)[3]，有助于穿著者感受自己活動的節(jié)奏并且找到適合自身的運(yùn)動方式，在活動時肘關(guān)節(jié)是人體彎曲程度最大的關(guān)節(jié)之一[4]，因此肘關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的收集整理對人體運(yùn)動健康領(lǐng)域的研究起著至關(guān)重要的作用。針織柔性應(yīng)變傳感器感應(yīng)的機(jī)理是，在外力的作用下織物變形從而引起其電阻發(fā)生相應(yīng)的改變[5]。國內(nèi)外許多學(xué)者已對電阻式應(yīng)變傳感器的電力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究，但其研究僅限于織物在單軸向力的作用下其電學(xué)性能的變化[6-7]。而要將導(dǎo)電織物嵌入到服裝中，在人體穿著服裝時，服裝所受的力多為平面多向的拉伸力或剪切力及三維方向上的彎曲或拉伸力[8]，因此僅研究導(dǎo)電織物在單向力作用下的電學(xué)性能并不能反映實(shí)際情況。

本文選擇鍍銀錦綸紗編織導(dǎo)電區(qū)域，錦氨包覆紗、錦綸、氨綸裸紗編織非導(dǎo)電區(qū)域，制備了設(shè)有針織柔性傳感器的袖筒。由于鍍銀錦綸紗不僅具有良好的導(dǎo)電性而且織成織物后人體在穿著過程中不會出現(xiàn)像穿著金屬絲編織而成的服裝等不適感，由于錦氨包覆紗和裸氨具有一定的彈性并且導(dǎo)電織物的傳感性能與其基底織物的力學(xué)性能有著密切的關(guān)系，所以選擇具有彈性的紗線來編織導(dǎo)電區(qū)域的底部。通過人體手臂實(shí)際穿著后進(jìn)行肘關(guān)節(jié)彎曲電阻測試，針對導(dǎo)電織物的基底原料、組織結(jié)構(gòu)、織物密度對傳感性能的影響，設(shè)計了3因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)，分別測試了線性度、靈敏度和穩(wěn)定性，最后優(yōu)選出各性能最佳的工藝，從而為關(guān)節(jié)柔性傳感器的設(shè)計與開發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

材料：鍍銀錦綸紗（ 83. 33 dtex/24 f）（蘇州秦克銀纖維有限公司），錦氨包覆紗（77. 78 dtex/24 f）、錦氨包覆紗（ 100. 00 dtex/24 f）、錦綸（100. 00 dtex/24 f）（海安四達(dá)線帶廠），氨綸裸絲（44. 44 dtex）（廈門力隆氨綸有限公司）。

設(shè)備：VICTOR4105A型低電阻測試儀（深圳勝利儀器），電子角度測試儀（盛泰芯電子科技有限公司），軟尺（得力集團(tuán)有限公司），SM8-TOP2MP2無縫針織機(jī)（意大利Santoni公司）。

1.2樣品制備

實(shí)驗(yàn)樣品選擇在E28筒徑15 inch（ 38.1 cm）的SM8-TOP2MP2無縫針織機(jī)上進(jìn)行制作，而TOP2在生產(chǎn)織物時地紗和面紗可以同時參與編織，為避免人體穿著導(dǎo)電織物時與身體直接接觸所以選擇非導(dǎo)電紗線作為地紗，TOP2無縫內(nèi)衣機(jī)分為8路，每一路分別穿有鍍銀錦綸、錦氨包覆紗和錦綸，其中僅2、6路穿有裸氨。為了探究不同原料的地紗、不同組織結(jié)構(gòu)、不同織物密度的導(dǎo)電織物作為傳感器的傳感性能，設(shè)計了以地紗原料、組織結(jié)構(gòu)、織物密度作為3個因素，各因素有3個水平安排3因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)（表1）。對不同組織結(jié)構(gòu)的織物進(jìn)行線圈模擬，如圖1所示。其中：紅色代表導(dǎo)電紗線，白色代表非導(dǎo)電紗線。

1.3傳感性能的測試與表征

1.3.1測試方法

針織柔性傳感器傳感性能的好壞評價標(biāo)準(zhǔn)主要取決于靈敏度、線性度、穩(wěn)定性[9]等。為了優(yōu)選出傳感性能較好的針織柔性傳感器，本實(shí)驗(yàn)采用人體穿著導(dǎo)電織物進(jìn)行測試不同的工藝參數(shù)編織正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計的9種不同的針織柔性傳感器，然后選擇靈敏度、線性度和穩(wěn)定性綜合評價其傳感性能，最后選擇最合適的工藝搭配來制備可以檢測肘關(guān)節(jié)運(yùn)動的針織柔性傳感器（圖2）。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）由于針織柔性傳感器較為靈敏，為盡可能保證實(shí)驗(yàn)的精確性，選擇溫度（23±2）℃、相對濕度（65%±3%）、風(fēng)速小于1m/s的安靜室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2）以女性為研究對象，選擇身高162～167 cm、體重50—58 kg、年齡22～ 27歲的30位女性為被測試者。被測者穿著設(shè)有導(dǎo)電區(qū)域的無縫袖筒在室內(nèi)休息10 min以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3）被測者直立坐在凳子上，實(shí)際測試如圖2所示，手臂完全伸直，用VICTOR4105A型低電阻測試儀和軟尺分別測試此角度下的電阻值和導(dǎo)電織物尺寸。為保證測試的準(zhǔn)確性，軟尺在人體表面進(jìn)行測試松緊度適量并盡量保持一致，讀數(shù)時視線應(yīng)垂直刻度線，不可斜視，每個人每個角度下數(shù)據(jù)測試3次，取平均值。

4）用電子角度測試儀測試手臂能彎曲的最大角度為140°。

5）隨著手臂外側(cè)從完全伸直完全彎曲，以20°為增量測試每一對應(yīng)角度下導(dǎo)電區(qū)域的電阻值和尺寸變化。

6）測試手臂完全伸直一完全彎曲1次電阻差值與第100次完全伸直完全彎曲電阻差值。

1.3.2線性度表征

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，做出手臂從0°彎曲到140°的角度 電阻之間的關(guān)系，然后對函數(shù)進(jìn)行線性擬合，得出相應(yīng)的線性度R2，其數(shù)值越大說明擬合的函數(shù)線性度越好。

1.3.3穩(wěn)定性表征

測試手臂完全伸直一完全彎曲1次電阻差值與第n次完全伸直完全彎曲電阻之間的關(guān)系來表示導(dǎo)電織物的穩(wěn)定性。本文測試手臂穿著針織柔性傳感器彎曲100次電阻差值與第1次彎曲電阻差值之間的關(guān)系用δ表示穩(wěn)定性，δ越小說明傳感器的穩(wěn)定性越好。式中：ARn為第100次完全彎曲與完全伸直電阻差值，AR為第1次完全彎曲與完全伸直電阻差值。

1.3.4靈敏度表征

從各種實(shí)際應(yīng)用的角度來看，靈敏度是傳感器的一個重要問題，為了全方位地檢測人體運(yùn)動，傳感器應(yīng)該足夠敏感，以檢測微小的應(yīng)變。測試了導(dǎo)電織物拉伸到50%時，電阻的變化情況。GF通常是定量評價傳感器的拉伸敏感度[10]，其定義是電阻的變化與長度的變化率之比，即式中：ε為應(yīng)變：R為拉伸狀態(tài)下電阻;Ro為自由狀態(tài)下電阻。

GF值越大說明織物的靈敏度越好，反之GF越小織物的靈敏度越差。

2結(jié)果與分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)直觀結(jié)果分析

采用實(shí)驗(yàn)方案制作的樣衣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果和多指標(biāo)正交實(shí)驗(yàn)極差法分析見表2。

通過以上9組實(shí)驗(yàn)直觀結(jié)果可知，不同水平不同因素的工藝編織而成的導(dǎo)電織物其線性度、穩(wěn)定性和靈敏度之間存在較大的差異。實(shí)驗(yàn)1和2線性擬合度較差，實(shí)驗(yàn)1、2、7穩(wěn)定性較差，實(shí)驗(yàn)1的靈敏度與其他8組試驗(yàn)差距較大。表2體現(xiàn)了正交實(shí)驗(yàn)極差分析結(jié)果，其中R代表線性度、穩(wěn)定性、靈敏度的極差值。通過極差分析得到不同因素水平對不同結(jié)果的影響趨勢，做出了線性度，穩(wěn)定性和靈敏度的效果圖如2.2中的圖3、圖4、圖5所示。正交實(shí)驗(yàn)的效果圖均以A、B、C三個因素作為橫坐標(biāo)，A1、A2、A3;B1、B2、B3;C1、C2、C3分別代表表l中不同因素下的水平。

2.2傳感性能分析

2.2.1線性度分析

根據(jù)表2正交實(shí)驗(yàn)直觀結(jié)果，做出正交實(shí)驗(yàn)各指標(biāo)在不同因素條件下的線性度效果圖，如圖3所示。

由圖3可以看出，在給定的參數(shù)范圍內(nèi)，隨著導(dǎo)電織物地紗原料彈性的增加導(dǎo)電織物的線性度也隨之增大，這是由于紗線彈性的增大使得線圈之間的串套更緊密，賦予了線圈接觸點(diǎn)處更大的摩擦力，在彈性范圍內(nèi)導(dǎo)電織物拉伸變形中電阻的變化量較均勻，從而呈現(xiàn)出較好的線性度：對于組織結(jié)構(gòu)而言，隨著線圈之間的覆蓋越來越緊密其線性度越好，并且平針添紗結(jié)構(gòu)與假羅紋結(jié)構(gòu)的線性度差異較大，電阻的變化引起了線性度的變化。導(dǎo)電針織物在拉伸過程中引起電阻變化主要包括2部分：首先是彎曲部分紗線被拉伸成直線導(dǎo)致電阻的變化，接下來直線部分開始伸長引起的電阻變化。而假羅紋組織存在線圈的覆蓋，受到外力時首先是隱藏的線圈被露出然后是串套的線圈圈柱、圈弧、沉降弧之間的相互轉(zhuǎn)移，最后才由紗線本身來承擔(dān)外力的作用。因此對于假羅紋結(jié)構(gòu)而言，引起電阻變化主要發(fā)生在彎曲線圈被拉伸成直線部分不會引起其電阻的突變，假羅紋結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電織物其線性度相對較好。隨著織物縱橫密的增加，線性度呈現(xiàn)先增大然后下降的趨勢。從圖3還可以看出，不同因素對線性度影響的主次順序?yàn)椋築>C>A，當(dāng)采用A2B3C2工藝時傳感器的線性擬合度最好。

2.2.2穩(wěn)定性分析

根據(jù)表2正交實(shí)驗(yàn)直觀結(jié)果，做出正交實(shí)驗(yàn)各指標(biāo)在不同因素條件下的穩(wěn)定性效果圖，如圖4所示。

由于穩(wěn)定性的指標(biāo)越小對于傳感器而言其穩(wěn)定性越好，從圖4可以得出，不同因素對穩(wěn)定性影響的主次順序?yàn)椋篈>C>B。隨著導(dǎo)電織物地紗原料彈性的增加導(dǎo)電織物的穩(wěn)定性也越來越好，主要是因?yàn)閺椥暂^大的紗線編織的織物在多次穿著過程中不易變形，相比于彈性較小的紗線而言在變形后能較快地恢復(fù)，所以其電學(xué)性能也較穩(wěn)定。隨著織物密度的增加，穩(wěn)定性先是變好然后變差，說明在一定范圍內(nèi)增大織物的密度可以改善傳感器的穩(wěn)定性。從圖4還可以看出，當(dāng)傳感器采用A2B2C2的工藝來編織傳感器時其穩(wěn)定性最好。

2.2.3靈敏度分析

根據(jù)表2正交實(shí)驗(yàn)直觀結(jié)果，做出正交實(shí)驗(yàn)各指標(biāo)在不同因素條件下的靈敏度效果圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，不同因素對靈敏度影響的主次順序?yàn)椋築>A>C，因素A和因素B對傳感器靈敏度影響較大，織物密度對傳感器靈敏度影響較小。并且使用彈性最小的紗線編織而成的密度最小的平針添紗結(jié)構(gòu)的靈敏度最好（A1B1C1），這是因?yàn)閺椥院兔芏容^小的平針添紗結(jié)構(gòu)在拉伸過程中易變形，由紗線本身變形來承擔(dān)外力的作用較大從而引起相應(yīng)的電阻變化也較大，所以傳感器表現(xiàn)最靈敏。

2.3正交實(shí)驗(yàn)綜合分析

采用極差分析法雖然可以得到每個指標(biāo)的影響次序，但是無法得到不同因素不同水平對各指標(biāo)的綜合影響，故利用SAS編程對正交實(shí)驗(yàn)各因素下各指標(biāo)進(jìn)行方差分析結(jié)果，如圖6所示。

從圖6結(jié)果可以看出，A、B、C各因素對各指標(biāo)均有影響，影響因素順序從大到小為原料>組織結(jié)構(gòu)>織物密度，即導(dǎo)電織物地紗原料的選擇對針織柔性傳感器各傳感性能有較大的影響，所以后續(xù)編織針織柔性傳感器時，導(dǎo)電織物地紗原料的選擇尤為重要。從以上對正交實(shí)驗(yàn)效果圖的分析結(jié)果得出，A因素對δ屬于主要因素，對R2、GF屬于次要因素。考察其對R2、δ、GF指標(biāo)的影響可知，因素A對R2、δ取第2水平最佳，對GF取第1水平最佳，若因素A取第1水平，R2、δ的數(shù)值變化率為530. 26%，若取第2水平GF的數(shù)值變化率為42. 40%，所以因素A應(yīng)該選擇第2水平：因素B對R2、GF屬于主要因素，對δ屬于次要因素，考察其對R2、GF的影響，因素B對R2取第3水平最佳，對GF取第1水平最佳，若因素B取第1水平，R2的數(shù)值變化率為41. 78%，若因素B取第3水平，GF的數(shù)值變化率為14. 28%，所以因素B應(yīng)該選擇第1水平最佳。因素C對R2、δ、GF屬于次要因素，顯然其選擇第2水平最佳，所以經(jīng)正交實(shí)驗(yàn)計算所得最優(yōu)的上機(jī)工藝參數(shù)為：A281 C2。

3結(jié)論

根據(jù)不同工藝制備的針織柔性傳感器袖筒的測試結(jié)果得出，可將導(dǎo)電織物作為柔性傳感器來測試肘關(guān)節(jié)的彎曲狀態(tài)。通過多因素的正交實(shí)驗(yàn)得出，不同工藝參數(shù)制作的導(dǎo)電織物其線性度、靈敏度、穩(wěn)定性存在一定的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對本實(shí)驗(yàn)試樣肘關(guān)節(jié)處的針織柔性傳感器地紗原料采用77. 78 dtex/24 f的錦氨包覆紗和44. 44 dtex裸氨組合編織作為導(dǎo)電織物的基底，鍍銀錦綸紗采用平針添紗組織編織橫密85×縱密110的傳感織物其線性度、穩(wěn)定性、靈敏度均較好。且影響各指標(biāo)的因素從大到小的順序?yàn)樵?、組織結(jié)構(gòu)、織物密度。其中地紗原料的彈性對各傳感性能影響最大，即改變這個參數(shù)對傳感器的傳感性能將會產(chǎn)生顯著的影響，所以在其他條件一定的情況下，可以優(yōu)先選擇改變原料的彈性來調(diào)整傳感器的傳感性能。

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收稿日期：2019-03-05;修回日期：2019-11-05

基金項(xiàng)目：江南大學(xué)白主科研重點(diǎn)項(xiàng)目（ JUSRP51625B）：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（ JUSRP51727A）

作者簡介：劉嬋嬋（ 1993—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)獒樋棶a(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)。

通信作者：繆旭紅，教授，miaoxuhong@163.com.