圓柱形光纖光柵溫度傳感器植入織物的研究

在健康監(jiān)測方面，人們希望在穿著服裝時，可隨時監(jiān)測到溫度等重要生理指標，并將這些指標報告給親屬或醫(yī)生，以便進行實時監(jiān)測和治療等。將小型硬質(zhì)溫度傳感器植入服裝，可以有多種方法，如針織、機織、刺繡、縫紉等。

在健康監(jiān)測方面，人們希望在穿著服裝時，可隨時監(jiān)測到溫度等重要生理指標，并將這些指標報告給親屬或醫(yī)生，以便進行實時監(jiān)測和治療等[1-4]。將小型硬質(zhì)溫度傳感器植入服裝，可以有多種方法，如針織、機織、刺繡、縫紉等[5-8]。E.R. Post等[9]首先在溫度集成電路上涂覆一層絕緣層，再利用縫紉線將溫度集成電路縫合在織物的襯底處，該溫度集成電路容易隨人體運動而滑移，同時也存在溫度集成電路與皮膚之間的距離較大的問題，這將對溫度的精確測量產(chǎn)生影響。S·亞雅拉曼等[10]介紹了一種監(jiān)測人體生命信息智能織物的方法，利用針織技術(shù)將光纖織入到織物中，織物可通過縫合、粘結(jié)等方式與衣物結(jié)合。目前的方法主要解決的是將傳感器與服裝結(jié)合，但既保證織物的舒適性，又要緊密包覆傳感器，提高測量精度，研究還有待提高。

本文首先利用正交試驗優(yōu)選出織物舒適性的最佳織造參數(shù)，依據(jù)此參數(shù)采用雙層中空的組織植入圓柱形光纖光柵溫度傳感器。在植入傳感器的位置，引入1:0、1:1、1:2、1:3的超收縮滌綸。熱處理織造后的織物，使得光纖光柵傳感器被緊密包裹，測試溫度信號。

1 織物舒適性的研究

植入光纖光柵傳感器的織物將被剪裁成貼身服裝，隨時監(jiān)測人體體溫，因此保證舒適性是非常重要的工作。主要通過透氣、透濕和彈性回復(fù)性來研究織物舒適性。透氣性是指材料透過空氣的性能。材料的透氣性好，人體的熱量容易傳遞到空氣中，實現(xiàn)熱量的傳遞[11]；透濕性對人體散熱發(fā)汗時維持人體的熱平衡起到重要的作用[12-13]。彈性好的服裝可以減輕對人體產(chǎn)生束縛和壓迫感[14-15]。

1.1 織物舒適性的正交試驗設(shè)計

為找到織物舒適性的最佳參數(shù)，設(shè)計了緯紗原料、織物組織和織物經(jīng)密3種結(jié)構(gòu)參數(shù)，來探討影響織物透氣性、透濕性和彈性回復(fù)性的因素。試驗因素與水平見表1。

表1 試驗因素與水平

采用3因素3水平的正交表 L9（33）進行方案設(shè)計，正交設(shè)計表如表2所示。

表2 試樣正交設(shè)計表

1.2 材料與儀器

材料：40166棉氨綸包覆絲，濰坊冠杰紡織有限公司；40150滌氨綸包覆絲，40140錦氨綸包覆絲，淄博泰林紡織有限公司；150D超收縮滌綸紗線，海寧市穩(wěn)得福合成纖維廠；粘膠/錦綸（30S/2，粘膠80%，錦綸20%），東莞市正宇紡織品有限公司。

儀器：半自動小樣織機；YG（B）461D-Ⅱ型織物透氣性測試儀；YG（B）216-Ⅱ型織物透濕量儀；YG065C型織物萬能強力試驗儀。

利用半自動小樣織機織造9塊試樣，每塊試樣的上機參數(shù)，如表3所示。

表3 試樣上機參數(shù)

1.3 織物舒適性的測試

透氣性測試：依據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，使用YG（B）461D-Ⅱ型織物透氣性測試儀。測試面積為20cm2，壓降為100Pa，每塊試樣測試10次，取平均值。

透濕性測試：依據(jù)GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法第2部分：蒸發(fā)法》，使用YG（B）216-Ⅱ型織物透濕量儀。直徑為70mm的圓形試樣3塊，取平均值。溫度（38±2）℃，相對濕度（50±2）%。

彈性回復(fù)性測試：依據(jù)FZ/T 01034—2008《紡織品 機織物拉伸彈性試驗方法》，使用YG065C型織物萬能強力試驗儀。采用定伸長試驗方法，速度為100mm/min，隔距為20mm。拉伸5次，預(yù)張力為1N。每種試樣測試3塊，取平均值。

1.4 結(jié)果與討論

1.4.1 正交試驗極差分析

對9塊試樣的試驗數(shù)據(jù)進行極差分析，結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4，根據(jù)R值由大到小，透氣性的影響程度依次為織物經(jīng)密（C）→織物組織（B）→緯紗原料（A）；透濕性影響程度依次為織物組織（B）→緯紗原料（A）→織物經(jīng)密（C）；彈性回復(fù)率的影響程度依次為織物經(jīng)密（C）→緯紗原料（A）→織物組織（B）。綜上，3個因素對織物透氣性、透濕性和彈性回復(fù)率的影響程度依次為織物經(jīng)密（C）→緯紗原料（A）→織物組織（B）。

表4 正交試驗極差分析

1.4.2 正交試驗方差分析

為研究各因素影響的顯著程度，對試驗結(jié)果進行方差分析。

（1）織物透氣性

假設(shè)顯著水平α=0.05，9塊試樣的透氣率方差分析，如表5所示。

表5 透氣率方差分析

從表5中可以看出，織物經(jīng)密（C）對織物透氣性能影響較顯著，因為密度越大，織物越緊密，對織物的透氣性影響越大；織物組織（B）對織物透氣性有影響，因為織物的組織結(jié)構(gòu)會影響織物的透氣性能?？椢锉砻娴目p隙孔洞越大，透氣性越好；緯紗原料（A）對織物透氣性影響不大。因此，影響因素的主次順序為織物經(jīng)密（C）→織物組織（B）→緯紗原料（A）（根據(jù)F值由大到小來判斷）。

（2）織物透濕性

9塊試樣的透濕率方差分析，如表6所示。

表6 透濕率方差分析

影響因素的主次順序為織物組織（B）→緯紗原料（A）→織物經(jīng)密（C）。從表6可以看出，織物組織（B）對織物的透濕性影響顯著。因為織物的組織結(jié)構(gòu)對織物的透氣性能影響較大，織物表面的孔洞結(jié)構(gòu)使水蒸氣沿著纖維表面?zhèn)鬟f，所以透氣性好的組織結(jié)構(gòu)有利于水汽的通過，透濕性較好；緯紗原料（A）和織物經(jīng)密（C）對織物的透濕性能都有影響。因為密度大，織物就顯得緊密、厚實。密度小則織物稀薄、松軟、通透性好。緯紗原料對織物的透濕性有影響，可能與纖維的吸濕量有關(guān)。

（3）織物彈性回復(fù)性

9塊試樣的彈性回復(fù)率方差分析，如表7所示。

影響因素的主次順序為織物經(jīng)密（C）→緯紗原料（A）→織物組織（B）。根據(jù)表7，織物經(jīng)密（C）對織物的彈性回復(fù)率影響較顯著，因為織物越緊密，紗線之間的拉伸力就越大；緯紗原料（A）對織物的彈性回復(fù)率影響較顯著，因為不同種類的緯紗彈性回復(fù)性能不同；織物組織（B）對織物的彈性回復(fù)性能有影響，因為組織浮長線越短，織物越緊密，織物的彈性回復(fù)性越差。反之，組織浮長線越長，織物越松散，織物的彈性回復(fù)性越好。

綜合方差分析，影響因素主次順序為織物經(jīng)密（C）→緯紗原料（A）→織物組織（B），與極差分析的結(jié)果一致。

根據(jù)FZ/T 73022—2019中內(nèi)衣的透氣率大于等于180mm/s；GB/T 29869—2013中運動服的透濕率大于等于146g/m2·h，彈性回復(fù)率大于等于100%，都為望大指標。由表4可知，透氣率的最優(yōu)水平為A3B3C1，透濕率的最優(yōu)水平為A3B3C3，以及彈性回復(fù)率的最優(yōu)水平A1B1C2。綜上得出，最優(yōu)織造方案為A3B3C1，即緯紗原料為錦氨綸包覆絲，織物組織為3/1斜紋，經(jīng)密為200根/10cm。

2 圓柱形傳感器的植入及包覆率的研究

2.1 圓柱形傳感器植入織物的總體結(jié)構(gòu)

傳感器植入的織物共分三部分，如圖1所示。第一部分為單層織物，第二和第三部分的中間為圓柱形傳感器，第三部分的兩邊為連接圓柱形傳感器的光纖。為了保護圓柱形傳感器和光纖，采用了雙層中空組織，將傳感器直接放入，不經(jīng)受織造的打擊作用。

圖1 織物結(jié)構(gòu)

為了使傳感器被緊密包裹，在織造第二部分和第三部分時，部分緯紗采用超收縮滌綸。錦氨綸包覆絲與超收縮滌綸的比例分別為1:0、1:1、1:2、1:3，第一部分采用1.4中所得織物舒適性的最佳織造參數(shù)。

2.2 圓柱形傳感器植入織物的方法

采用半自動小樣織機進行織造。第一部分為單層織物，其組織為3/1斜紋組織。第二部分和第三部分為傳感器位置，采用雙層平紋織物。經(jīng)紗采用粘膠/錦綸混紡紗，經(jīng)緯密均為200根/10cm，筘號為100，順穿?？椢锷蠙C圖如圖2所示。第三部分織造完后，將圓柱形光纖光柵溫度傳感器放入到織物中，隨后繼續(xù)織造第二和第一部分。植入傳感器的織物如圖3所示。

圖2 織物上機圖

圖3 植入傳感器的織物

2.3 包覆率的計算和測試

織造完成后，對配置比例為1:0、1:1、1:2、1:3的錦氨綸包覆絲與超收縮滌綸織物進行熱處理，并計算包覆率。超收縮滌綸的熱收縮溫度為80℃，因此熱處理的溫度控制在80℃，加熱10分鐘。包覆率按公式（1）計算。

式中，C為傳感器的包覆率，%；W1為傳感器的寬度，mm；W2為包覆傳感器的織物寬度，mm。如圖4所示。

圖4 包覆率計算的示意圖

經(jīng)測試計算，包覆率如圖5所示。

圖5 熱處理后的包覆率

從圖5中可以看出，未加入超收縮滌綸時包覆率為81.2%，加入超收縮滌綸后包覆率提高，并且隨著錦氨綸包覆絲與超收縮滌綸比例的增加，包覆率逐漸升高。當錦氨綸包覆絲與超收縮滌綸的比例為1:1時，傳感器的包覆率為83.7%；當錦氨綸包覆絲與超收縮滌綸的比例為1:3時，傳感器的包覆率最大為97.8%。

2.4 圓柱形光纖光柵傳感器溫度的測試

該傳感器采用丙烯腈、丁二烯和苯乙烯3種單體三元共聚成化合物，3D打印出25mm×4mm×1mm的長方體薄片，對裸光纖光柵進行溫度增敏封裝。光纖光柵傳感器是將光纖光柵粘貼在敏感元件結(jié)構(gòu)表面。由于光纖光柵的中心波長與介質(zhì)折射率有關(guān)，當敏感元件因溫度發(fā)生變形時，光纖光柵的中心波長會發(fā)生漂移。通過監(jiān)測中心波長，測試溫度[16-17]。與人體體溫的波動范圍一致，測試的溫度范圍為35℃～42℃。

使用SM130儀器檢測傳感器的溫度特性，如沒有植入織物的裸傳感器，植入織物但緯紗中沒有加入超收縮滌綸的傳感器（1:0）、植入織物，緯紗采用不同比例的錦氨綸包覆絲和超收縮滌綸紗線（1:1、1:2、1:3）。經(jīng)熱處理，測試溫度與中心波長的關(guān)系如圖6所示。

圖6 傳感器溫度特性曲線

從圖6中可以看出，隨著傳感器植入織物，溫度靈敏度系數(shù)有所下降，原因在于織物對溫度傳感器有一定包裹作用。不僅影響導(dǎo)熱，更影響聚合物的形變，而溫度傳感器的主要形變源于聚合物的形變。因此，光纖光柵溫度傳感器植入前后，傳感器的溫度特性有所變化。加入超收縮滌綸后，與沒有加入超收縮滌綸的信號相比，3種比例的織物測得的信號更接近裸傳感器測得的溫度信號。當錦氨綸包覆絲與超收縮滌綸的配比為1:2，即包覆率為94.1%時，測得的傳感器信號最接近裸傳感器測得的溫度信號。說明不是包覆率越大，測得的信號越準確。當錦氨綸包覆絲與超收縮滌綸的配比為1:3，即包覆率為97.8%時，包覆率最大。這可能使得傳感器包裹得過于緊密，感應(yīng)溫度信號時不夠靈敏。

3 結(jié)論

（1）通過正交試驗獲得織物舒適性的最佳織造參數(shù)：織物組織為3/1斜紋組織，緯紗原料為錦氨綸包覆絲，經(jīng)密為240根/10cm。

（2）采用雙層中空織物的方式將圓柱形光纖光柵傳感器植入到織物。在傳感器位置的緯紗中，引入1:0、1:1、1:2、1:3的超收縮滌綸紗線。對織物進行熱處理，隨著超收縮滌綸比例的增加，織物的包覆率從81.2%提高到98.7%。

（3）與裸傳感器相比，傳感器被包覆后測得的溫度信號靈敏度有所下降。對于緯紗包覆比例為1:0、1:1、1:2、1:3的傳感器，熱處理后，測試了溫度信號，結(jié)果表明，當包覆率為94.1%，即錦氨綸包覆絲與超收縮滌綸紗線比例為1:2時，測得的溫度信號更接近裸傳感器測得的溫度信號。