壓力分布監(jiān)測(cè)襪的制備及其傳感性能

李思明， 吳官正， 胡雨潔， 方鎂淇， 賀錄祥， 賀 燕， 肖學(xué)良

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122)

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、紡織技術(shù)和生命健康檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展與日益交融，智能紡織品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)前高端紡織技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一[1]。智能紡織品不僅具有對(duì)外界環(huán)境變化感知及對(duì)變化迅速響應(yīng)的功能，還能保持紡織品原有柔軟、易變性、舒適等特性[2]，因而其應(yīng)用給消費(fèi)者帶來(lái)全新的功能享受和穿著體驗(yàn)。

目前，用于人體健康監(jiān)測(cè)的智能紡織品成功地將電子、光學(xué)器件和傳感器微型化并嵌于織物或服裝中[3-4]。此類紡織品可直接接觸身體，增強(qiáng)佩戴者的舒適性和移動(dòng)的便利性，減少傳感器電子電路和能源之間的松散連接線。集成傳感器的紡織品可以監(jiān)測(cè)到多種變量，如心率、心電圖、出汗率等[5]或生物醫(yī)學(xué)方面的物理指標(biāo)，如應(yīng)力與應(yīng)變等[6]。這些傳感器大多數(shù)為織物結(jié)構(gòu)中的集成微電子器件和導(dǎo)電聚合物或者是導(dǎo)電纖維紗線。與傳統(tǒng)采用剛性材料制成的傳感器不同，這種織物類傳感器由于采用柔性纖維材料制成，具有柔韌性好，可自由彎曲甚至折疊的特性，具有更廣泛的應(yīng)用前景[7]。

對(duì)于足底壓力檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外已取得一定研究成果。金曼等[8]研制了基于聚偏氟乙烯壓力薄膜的智能壓力檢測(cè)鞋墊，可揭示不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下足底壓力的分布情況。Takahiro等[9]運(yùn)用壓力地毯對(duì)人行走時(shí)足底壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將足底的后跟、足弓區(qū)、腳掌區(qū)和腳趾區(qū)分為8個(gè)區(qū)域進(jìn)行特征提取。但是，國(guó)內(nèi)常規(guī)的紡織檢測(cè)方法還無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)柔性成形類紡織品的應(yīng)力變化和應(yīng)力分布情況，成為亟待解決的難題。本文根據(jù)FZ/T 73031—2009《壓力襪》要求，設(shè)計(jì)和制備壓力監(jiān)測(cè)襪[10]，將具有導(dǎo)電功能的紗線集成于織物結(jié)構(gòu)中形成壓力傳感模塊，使得襪子具備一定的智能性，同時(shí)也滿足力學(xué)性能的要求；利用自行搭建的壓力測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)的采集；通過(guò)單片機(jī)技術(shù)和圖像處理軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析處理和可視化，直觀地呈現(xiàn)應(yīng)力-電阻的關(guān)系。本文測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，測(cè)試方法簡(jiǎn)單，具有良好的實(shí)用性。

1 織物柔性壓力傳感器制備

基于線圈嵌套結(jié)構(gòu)的針織物具有良好的穿著舒適性及功能附加性，可搭載多種類型的傳感器。本文制備的壓力分布監(jiān)測(cè)襪，其壓力傳感模塊所用的紗線為18 tex導(dǎo)電紗，主要成分是含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的不銹鋼顆粒的粘膠纖維。通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)得到導(dǎo)電纖維的表面形貌照片，如圖1所示。纖維表面光滑呈鋸齒狀，導(dǎo)電成分均勻無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該導(dǎo)電纖維的電阻約為24 Ω/cm。通過(guò)能量色散X射線光譜(EDX)得到導(dǎo)電纖維的主要成分，如圖2所示。導(dǎo)電纖維的表面由C、O、Fe、Cr和Cl等元素組成，相對(duì)應(yīng)的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47%、49.90%、2.41%、0.51%、0.18%，摩爾分?jǐn)?shù)為55.20%、43.99%、0.61%、0.14%、0.07%?？梢?jiàn)，C元素和Fe元素為主要成分。纖維中不銹鋼顆粒與粘膠混合均勻，經(jīng)過(guò)濕法紡絲后凝固的纖維與常規(guī)粘膠纖維的形貌類似。

圖1 導(dǎo)電纖維束及單根纖維截面的SEM照片

Fig.1 SEM images of conductive filaments (a) and cross section of single conductive viscose fiber (b)

圖2 導(dǎo)電纖維元素分析的EDX圖

Fig.2 EDX image of elemental analysis of conductive fibers

利用上述摻雜不銹鋼顆粒的導(dǎo)電粘膠紗與不導(dǎo)電的錦綸紗(18 tex)，通過(guò)YB2-3030S型電腦橫機(jī)(上海廣立電器機(jī)械有限公司)一體成型(壓力傳感模塊和導(dǎo)線均織入襪體面料內(nèi)部，并與襪體不導(dǎo)電區(qū)域同時(shí)成型)制備壓力分布監(jiān)測(cè)襪，其中襪的主體和傳感模塊都采用相同的緯平針組織[11]，密度為5～8線圈/cm。襪子的襪口區(qū)域采用1隔1羅紋組織結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)襪子穿著的彈性，襪跟區(qū)域則采用雙羅紋結(jié)構(gòu)制備，以提高其耐磨性。根據(jù)腳底壓力分布的特性，壓力傳感模塊分為3個(gè)部分，如圖3所示。壓力襪的正反面中，白色區(qū)域是由導(dǎo)電粘膠紗線織成的一體成型的壓力傳感模塊，其他區(qū)域?yàn)閴毫σm的主體。壓力傳感模塊的組織結(jié)構(gòu)如圖4所示，正反面為緯平針組織。

圖3 基于緯平針工藝一體成型的壓力分布監(jiān)測(cè)襪

Fig.3 One-piece pressure distribution monitoring socks based on weft stitch technology. (a) Obverse side; (b) Reverse side

圖4 針織柔性壓力傳感織物的組織結(jié)構(gòu)

Fig.4 Weave structure of knitted flexible pressure sensing fabric. (a) Obverse side of knitted structure; (b) Reverse side of knitted structure

如圖3(b)所示，由于要進(jìn)行導(dǎo)電紗線線圈區(qū)域的電阻測(cè)量，所以將織物反面的粘膠導(dǎo)電紗的線頭清理，以防止線頭零亂導(dǎo)致短路，測(cè)試時(shí)夾持柔性傳感器兩端，用方阻儀測(cè)得其初始的面電阻，電阻值如表1中數(shù)據(jù)所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，3個(gè)區(qū)域的面電阻不同，部位 2處的面電阻較小，說(shuō)明此處的交織結(jié)構(gòu)緊密，線圈密度較大。

表1 壓力襪不同傳感部位的初始面電阻

Tab.1 Initial surface resistance of differentpositions of pressure socks

測(cè)量部位面電阻/(MΩ·m-2)部位110.8部位22.5部位310.2

一般而言，壓阻式傳感器的電阻變化主要由以下幾個(gè)因素引起：1)敏感元件幾何結(jié)構(gòu)的變化；2)半導(dǎo)體能帶隙的變化；3)2種材料間接觸電阻的變化；4)復(fù)合材料中粒子間距的變化。對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的柔性壓力傳感器而言，其壓阻變化主要源于“壓”(增加的接觸點(diǎn))和“放”(降低的接觸點(diǎn))過(guò)程中不銹鋼顆粒間接觸點(diǎn)的變化以及導(dǎo)電紗線間接觸面積的變化，如圖5所示。因此，研究交織結(jié)構(gòu)的壓阻機(jī)制對(duì)于更好地應(yīng)用該類交織結(jié)構(gòu)壓阻模型有重要的指導(dǎo)意義。

圖5 交織結(jié)構(gòu)壓力傳感器壓力下電阻變化的機(jī)制

Fig.5 Mechanism of pressure change of intertexture pressure sensor under pressure

2 織物壓力傳感器的性能測(cè)試

傳感器的特征參數(shù)眾多，且不同類型的傳感器，其特征參數(shù)的定義和要求各有差異。傳感器的基本特征是指?jìng)鞲衅鬏斎胼敵鲫P(guān)系的特性，對(duì)應(yīng)本文中應(yīng)力與電阻的變化特性，主要指標(biāo)有靈敏度、遲滯性、穩(wěn)定性及重復(fù)性等。

2.1 靈敏度測(cè)試

靈敏度是傳感器重要的特性參數(shù)之一[12]，是指溫態(tài)時(shí)傳感器的輸出量y與輸入量x之比，在此壓阻性傳感器中，定義靈敏度為S=△R·△P/R0。其中：△R表示隨著壓力△P的變化產(chǎn)生的電阻變化量，Ω；R0為初始電阻，Ω；靈敏度S即為曲線的斜率,kPa-1。

正如大多數(shù)已報(bào)道的柔性傳感器[13-14]，本文實(shí)驗(yàn)中，傳感器的靈敏度在不同應(yīng)力區(qū)域范圍內(nèi)大小不同。通過(guò)對(duì)壓力襪3個(gè)傳感部分測(cè)得的應(yīng)力與電阻關(guān)系的數(shù)據(jù)可知：施加的應(yīng)力不到10 kPa時(shí)，其靈敏度快速下降；應(yīng)力在10～40 kPa時(shí)，靈敏度變化平緩；而當(dāng)應(yīng)力大于40 kPa時(shí)，靈敏度幾乎不會(huì)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)中用到的儀器為 ALJ-50HB型手動(dòng)大行程拉力測(cè)試儀和VC890C+型勝利數(shù)字萬(wàn)能表。對(duì)于這3個(gè)部分，均在厚度方向上壓縮，與此同時(shí)，萬(wàn)用表的測(cè)試筆與傳感器兩端連接，同步記錄傳感器的電阻值變化。

2.2 遲滯性測(cè)試

遲滯性是指在相同的條件下，傳感器的正行程特征性與反行程特征性的不一致程度。傳感器在動(dòng)態(tài)負(fù)荷下其遲滯性是非常重要的，較大的遲滯性會(huì)導(dǎo)致傳感器在動(dòng)態(tài)負(fù)荷下產(chǎn)生不可逆的回復(fù)。通過(guò)文獻(xiàn)可知，剛性納米材料和高聚物之間界面黏附力相對(duì)較弱，在應(yīng)變釋放的過(guò)程中其納米材料可以完全回復(fù)到初始位置[15]，但對(duì)于柔性傳感器，其正行程與反行程不一致程度明顯增加。本文實(shí)驗(yàn)通過(guò)3次壓縮-釋放，分別研究3個(gè)傳感部位的遲滯性。

2.3 穩(wěn)定性與重復(fù)性測(cè)試

穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力；重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谕还ぷ鳁l件下，輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特性曲線的不一致性[16]。本文測(cè)試選取位于部位2處的傳感器。穩(wěn)定性和重復(fù)性測(cè)試中，在厚度方向上施加不同的應(yīng)力，同時(shí)使用測(cè)試軟件記錄電阻變化；在施加35 kPa應(yīng)力下，重復(fù)200次對(duì)穩(wěn)定性和重復(fù)性進(jìn)行研究。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 靈敏度分析

圖6分別示出位于部位1、部位 2和部位3處壓力傳感器的電阻值隨著應(yīng)力變化的關(guān)系曲線。其中：R0表示初始電阻；R表示不同應(yīng)力下的傳感部位電阻值，且隨著應(yīng)力的增加而減??；R/R0表示不同應(yīng)力下電阻相對(duì)初始電阻的電阻比。圖中的點(diǎn)代表實(shí)測(cè)電阻比值，實(shí)線為Origin擬合結(jié)果。在Origin擬合過(guò)程，使用Analysis中的Differentiate對(duì)所擬合的曲線上的點(diǎn)求斜率，即為該點(diǎn)的靈敏度。3個(gè)不同部位傳感器在不同應(yīng)力下的靈敏度如表2所示。

從圖6可直觀地看到，3個(gè)不同部位的柔性壓力傳感器的電阻值均隨著應(yīng)力的增加而減小，且減小的趨勢(shì)相同，先快速下降后緩慢降低直到應(yīng)力達(dá)40 kPa左右后減小到0。從表2也可看出：3個(gè)部位的柔性傳感器的靈敏度隨著應(yīng)力的增加而減小，減小趨勢(shì)如電阻與應(yīng)力的關(guān)系趨勢(shì)；且易得出，在相同的應(yīng)力下，各個(gè)部位的靈敏度幾乎相同。在傳感器的選擇上，應(yīng)考慮2個(gè)方面，即靈敏度和實(shí)際需求。從數(shù)據(jù)結(jié)果可得出，在應(yīng)力較小的情況下，傳感器的靈敏度較好，但是靈敏度越高，越易受到外界的干擾，需要結(jié)合腳底所測(cè)部位的應(yīng)力，選擇合理的導(dǎo)電紗線與傳感模塊尺寸。

3.2 遲滯性分析

遲滯性是指在相同的條件下，傳感器的正行程特征性與反行程特征性的不一致程度。圖7分別示出壓力襪中部位1、部位2和部位3處傳感器的遲滯性曲線測(cè)試結(jié)果，折線越集中表示遲滯性越小。結(jié)合傳感器電阻與應(yīng)力關(guān)系可知，在應(yīng)力大于40 kPa時(shí)，傳感器的電阻幾乎不會(huì)發(fā)生變化，所以遲滯性表現(xiàn)在應(yīng)力為0～40 kPa之間。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，部位1處傳感器部位的壓縮與釋放間電阻變化率在0%～18%之間，部位2的在0%～14%之間，部位3的在0%～12%之間。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的柔性傳感器而言，本文實(shí)驗(yàn)中傳感器的遲滯性需要進(jìn)一步控制。

圖6 壓力襪不同傳感部位的應(yīng)力與電阻關(guān)系

Fig.6 Relationship between stress and resistance of different positions of pressure socks. (a) Part 1; (b) Part 2; (c) Part 3

表2 不同部位傳感器在不同應(yīng)力下的靈敏度Tab.2 Sensitivity of different parts of sensorsunder different stresses

應(yīng)力/kPa靈敏度/kPa-1部位1部位2部位30.00.1920.1980.1773.30.1190.1340.1246.60.0310.0430.0519.90.0190.0110.02113.20.0180.0060.00816.50.0090.0040.00333.00.0010.0010.00149.5000

圖7 壓力襪中壓力傳感模塊的遲滯性曲線

Fig.7 Hysteresis curve of pressure sensor module in pressure socks. (a) Part 1; (b) Part 2; (c) Part 3

3.3 穩(wěn)定性與重復(fù)性分析

結(jié)合柔性傳感器的靈敏度和遲滯性測(cè)得的結(jié)果，選擇部位2處壓力傳感模塊進(jìn)行穩(wěn)定性與重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯涸诓煌膽?yīng)力(5、10、20、40 kPa)下交織結(jié)構(gòu)類型的傳感模塊具有良好的穩(wěn)定性；在應(yīng)力為35 kPa下進(jìn)行200次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，從圖8(b)中壓縮前后曲線變化可知，其電阻值的比值沒(méi)有明顯的波動(dòng)，重復(fù)性較好，可滿足作為壓力傳感器對(duì)穩(wěn)定性和重復(fù)性的要求。

圖8 壓力襪中部位2處傳感部位的性能測(cè)試結(jié)果

Fig.8 Performance test results of part 2 sensing part in pressure socks. (a) Resistance curves under different stresses; (b) Repeatability curve chart

4 腳底壓力分布與試穿效果測(cè)試

本文所制備的壓力襪的3個(gè)部位的傳感器模塊，分別對(duì)應(yīng)于人腳足眼、第1跖骨和第5跖骨的位置。通過(guò)王明鑫等[17]的研究可知，靜態(tài)情況下足底壓力分布具有差異性，如表3數(shù)據(jù)所示。3個(gè)部位靜態(tài)瞬間壓力都在40 kPa以下，符合所制作的柔性傳感器量程，可進(jìn)行足底壓力的常規(guī)測(cè)試和使用。

表3 靜態(tài)足底各部位瞬間壓力

Tab.3 Instantaneous pressure at various partsof static feet

腳底位置壓力/kPa足眼第1跖骨第5跖骨左腳112923右腳153422

為進(jìn)一步研究壓力襪傳感器部位的實(shí)用性，將壓力襪穿在腳上行走，同時(shí)通過(guò)測(cè)試軟件記錄電阻值的變化，結(jié)果如圖9所示。其中：行走頻率為0.5 Hz；ΔR=R0-R；ΔR/R0表示電阻變化比。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)腳接觸地面到遠(yuǎn)離地面的過(guò)程中，3個(gè)傳感器部位電阻發(fā)生明顯的變化，不同部位由于應(yīng)力不同表現(xiàn)的電阻變化比值不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文實(shí)驗(yàn)測(cè)試的壓力襪不同部位傳感器可精確地測(cè)量腳底應(yīng)力的變化，在運(yùn)動(dòng)和醫(yī)療康復(fù)等方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

圖9 壓力分布監(jiān)測(cè)襪中壓力傳感模塊的 行走電阻變化圖

Fig.9 Pressure distribution monitoring change chart of walking resistance of pressure sensor module in socks. (a) Part 1; (b) Part 2; (c) Part 3

5 結(jié) 論

本文將導(dǎo)電紗線集成到織物結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)制備了一體成型壓力分布監(jiān)測(cè)襪，通過(guò)對(duì)不同導(dǎo)電柔性壓力傳感模塊進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，研究其應(yīng)力與電阻的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所織造的壓力襪的應(yīng)力與電阻呈反比例關(guān)系，在其他條件相同時(shí)，傳感器的電阻值和靈敏度隨著壓力的增加而降低直至不變。在應(yīng)力為40 kPa之內(nèi)，各部位的傳感器具有良好的靈敏度。所織造的壓力襪在不同應(yīng)力下均展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與重復(fù)性，滿足了柔性傳感器的要求。腳底壓力分布與試穿效果表明，使用含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的不銹鋼顆粒的粘膠纖維紡成的紗線，織造的針織柔性壓力傳感器在運(yùn)動(dòng)和康復(fù)等方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值。