馬艷麗， 劉 茜， 劉 瑋

(上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院，上海 201620)

綜述與評論

用于智能紡織品的柔性傳感器研究進(jìn)展*

馬艷麗， 劉 茜， 劉 瑋

(上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院，上海 201620)

傳感器是智能紡織品實現(xiàn)智能化的核心部分，其中柔性傳感器發(fā)揮著極為重要的作用。以傳感器的工作原理為分類依據(jù)，分別從測量原理、制作材料及結(jié)構(gòu)、傳感器與紡織材料的結(jié)合方式、應(yīng)用現(xiàn)狀各方面介紹了五類常用于智能紡織品的柔性傳感器，并分析了各自存在的缺點，對未來柔性傳感器的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

智能紡織品； 紡織材料； 傳感器； 柔性

0 引 言

隨著電子科技、生物技術(shù)以及紡織材料的不斷進(jìn)步與發(fā)展，智能紡織品受到人們的青睞，它將電子、計算機(jī)、生物、材料等高新技術(shù)融入紡織服裝中，使紡織服裝除了滿足穿著、保暖等基本要求外，還具備感知功能、反饋功能、響應(yīng)功能以及自診斷、自修復(fù)功能等，其中具有感知功能的紡織品通常是通過傳感器實現(xiàn)的，而相當(dāng)一部分傳感器需要與紡織材料相結(jié)合，用于監(jiān)測應(yīng)變、壓力、位移、溫度、濕度、酸堿度等信號的變化，把感知的生理與環(huán)境等信號轉(zhuǎn)換為電信號，及時做出所期望的反應(yīng)，常用在醫(yī)療健康監(jiān)測、運動、通信、航空航天、消防等領(lǐng)域。智能紡織品在實現(xiàn)智能的同時，應(yīng)保持原有柔軟、易變形、舒適等特性，因此，柔性傳感器是目前研究開發(fā)的重要工作之一。

傳感器根據(jù)感知方式與工作原理的不同，主要包括電容式傳感器、光纖式傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器以及電感式傳感器。

1 電容式傳感器

電容式傳感器是根據(jù)電容器的原理制成，由兩個平行極板中間夾一層電介質(zhì)構(gòu)成。外力引起極板間距離、極板面積或電介質(zhì)的改變，都會引起傳感器電容變化，傳感器將這些變化量感知并傳遞給用戶[1]。柔性電容傳感器一般以柔性材料為電容器極板，如導(dǎo)電薄膜、纖維、紗線、織物等，以泡沫、間隔織物、橡膠等彈性材料為間隔層，這種柔性電容傳感器與紡織品結(jié)合后制成電智能紡織品，能夠感知外界環(huán)境的變化，其結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、空間分辨率高，且基本保留了紡織品原有的柔軟、易變形、舒適等特性。

Sergio M等學(xué)者[2]設(shè)計了一種電容式織物壓力傳感器，此傳感器由16根經(jīng)向?qū)щ娂喓?6根緯向?qū)щ娂喸趶椥耘菽瓋蓚?cè)垂直交叉排列，交叉點所組成的16×16列陣即為電容器陣列。當(dāng)對傳感器施加壓力時，中間的彈性泡沫被壓縮，分布在泡沫兩側(cè)的導(dǎo)電紗之間的距離縮小而引起傳感器電容改變，電容的變化信號可以被掃描并繪制成圖形。此電容式織物傳感器能夠感知織物表面壓力的分布，但由于彈性泡沫的使用，使傳感器的敏感度降低，并且這種漢堡式的夾層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致織物傳感器不夠柔軟，降低了其穿著舒適性。這種傳感器已用于醫(yī)用襪、輪椅墊、床墊以及內(nèi)衣中壓力場的監(jiān)測。

Meyer J等人[3]在Sergio M的基礎(chǔ)上將模型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的模型在0～10 N/cm2壓力范圍內(nèi)，電容平均誤差小于4 %，可以裝配8，16，30或更多感應(yīng)單元制備壓力傳感陣列，如圖1所示。當(dāng)介質(zhì)層為6 mm厚的間隔織物時，在加壓前后其電容分別為3.5 pF(無載荷)和5.8 pF(壓力5 N/cm2)。此傳感器用于監(jiān)測肌肉活動，可以監(jiān)測由肌肉彎曲引起的前臂0～135°偏轉(zhuǎn)。但傳感器的感知帶與人體皮膚之間有摩擦，所測的由肌肉彎曲帶給前臂的壓力分布并不均勻。

圖1 壓力傳感器及其陣列

Donselar R等人[4]也研制了一種智能壓力墊，它是由64只壓力傳感器和測試軟件組成，其上下兩層為導(dǎo)電織物，中間層為絕緣泡沫，構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)，用來感知保溫箱中早產(chǎn)嬰兒周圍環(huán)境的壓力分布，以評估嬰兒在保溫箱中的舒適狀況。

Kang T等人[5]設(shè)計了一種用于健康監(jiān)測的電容傳感器，此電容器使用有銀涂層的由彈織物作為一個電極板，無彈的銀涂層織物作為另一電極板。通過有彈電極板在外力作用下反復(fù)增大和收縮，導(dǎo)致平行電極板面積不同，引起傳感器電容改變，以達(dá)到對呼吸監(jiān)測的目的。

2 光纖傳感器

光纖傳感器是利用光導(dǎo)纖維的傳光特性，把被測量轉(zhuǎn)換為光特性(強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長)改變的傳感器[6]。國內(nèi)外許多學(xué)者將光纖織入紡織品中構(gòu)成光纖傳感器，能夠感知壓力、加速度、溫度、電場等信號，且不影響紡織品本身輕質(zhì)、柔軟的特性。光纖傳感器具有重量輕、體積小、靈敏度高、傳輸性穩(wěn)定、耐高溫、耐沖擊等優(yōu)點，常用于航空航天、醫(yī)療、軍事、通信等領(lǐng)域。

Rothmaier M等人[7]將光纖織入由彈性紗線織制的針織物中，開發(fā)出光纖壓力傳感器，如圖2所示。當(dāng)壓力施加在有光纖的區(qū)域時，彈性紗線交叉點的位置發(fā)生變化，導(dǎo)致透射光強(qiáng)度改變，從而檢測所施壓力的變化。

圖2 織物光纖傳感器

De Jonckheere J等人[8]把光纖通過鉤針縫入彈性織物中，制成光纖傳感器，并將其應(yīng)用在醫(yī)學(xué)的核磁共振成像中，以監(jiān)測病人的呼吸狀況。用光纖傳感器代替核磁共振成像中的金屬材料，可以減少核磁共振成像中金屬材料對檢測信號的影響。呼吸引起的腹部和胸部運動導(dǎo)致織物的伸展，從而引起光纖位置的變化。

3 壓電傳感器

壓電傳感器是利用壓電材料受力后產(chǎn)生壓電效應(yīng)制成的傳感器[9]。常用的壓電材料有陶瓷纖維、偏聚氟乙烯(PVDF)薄膜、以及填充了導(dǎo)電顆粒的復(fù)合導(dǎo)電薄膜等，這些材料制成的壓電傳感器可用于測量壓力、加速度等，它具有靈敏度高、頻帶寬、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定以及良好的動態(tài)特性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。

Edmission J等人[10]設(shè)計了一種可作為鍵盤的電子手套，手套采用壓電薄膜制成，用以感知手的彎曲和輕敲動作，并對手指的一些標(biāo)準(zhǔn)打字運動進(jìn)行了測定。傳感器連至A/D轉(zhuǎn)換器上，產(chǎn)生的彎曲和敲打信號由軟件采集與處理。

Drean E等人[11]設(shè)計了一種用于汽車行業(yè)的壓電傳感器，該壓電傳感器使用PVDF導(dǎo)電材料制成，放置在外層面料和里層泡沫之間，然后連接至放大器和阻抗相位分析儀上，用于檢測施加在汽車座椅上的壓力。

步態(tài)穩(wěn)定性是障礙人士運動的最重要問題之一，Liu J等人[12]開發(fā)了基于紡織材料的監(jiān)控系統(tǒng)，它能夠存儲角速度、垂直加速度和壓電數(shù)據(jù)，以監(jiān)測和評估障礙者運動的步態(tài)穩(wěn)定性，以防止其跌倒。該監(jiān)控系統(tǒng)將多種電子元件植入紡織服裝內(nèi)，包括壓電傳感器、印刷電路板、微控制器等，收集的壓電數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳送至處理器。

沙永忠等人[13]用PVDF薄膜設(shè)計了一種柔性壓電傳感器，它共由7層薄膜組成，最中間一層為PVDF敏感層，中間的兩邊為正負(fù)電極層，用于收集 PVDF 產(chǎn)生的電荷，外層為保護(hù)層。此傳感器將應(yīng)用于飛機(jī)管路系統(tǒng)的振動測試中。

4 壓阻傳感器

壓阻式傳感器是根據(jù)材料的壓阻效應(yīng)和集成電路制成的傳感器。壓阻傳感器常用的材料為半導(dǎo)體硅和鍺，但隨著研究的深入，越來越多的復(fù)合壓阻材料被研制出來，如炭黑填充高聚物復(fù)合導(dǎo)電纖維、石墨烯填充復(fù)合導(dǎo)電纖維。由復(fù)合材料制成的壓阻傳感器柔軟、輕質(zhì)、靈敏系數(shù)大、分辨率高、體積小，容易與織物相結(jié)合，測量作用在織物上的壓力、拉力、加速度和載荷等參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象測量等各個領(lǐng)域。

De Rossi D等人[14]通過在萊卡面料手套的手指部分沉積聚吡咯層制作了壓阻傳感器，在此傳感器上施加壓力使織物的尺寸發(fā)生改變，增加了總的導(dǎo)電面積，從而降低電阻，且隨著手指的彎曲運動，傳感器電阻進(jìn)一步變化。但隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)聚吡咯涂層傳感器存在設(shè)置高、響應(yīng)時間長、涂層工藝?yán)щy等缺點。

Munro B J等人[15]用聚吡咯涂層尼龍面料開發(fā)了一種可穿戴的膝蓋套筒，用來監(jiān)測膝蓋部位韌帶的運動狀況，該傳感器主要測試膝關(guān)節(jié)屈曲角度，把膝關(guān)節(jié)屈曲變形轉(zhuǎn)化為電阻變化信號，并通過音頻傳出，從而確定正確的目標(biāo)位置，織物上傳感器的初始數(shù)據(jù)呈負(fù)壓阻狀態(tài)。

于濤等人[16]用炭黑/硅橡膠制備了一種柔性壓阻傳感器，其通過機(jī)械混合的方法制作炭黑/硅橡膠試樣，然后搭建測試平臺測量電阻與變形的關(guān)系，并通過改變炭黑的表面特性及其在橡膠基體中的分散狀態(tài)等方法改善其壓阻特性。

5 電感傳感器

電感傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測的物理量，如壓力、位移、流量、振動等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換[17]。電感傳感器的傳感線圈常采用導(dǎo)電纖維、紗線等紡織材料，這種傳感器比普通金屬導(dǎo)線線圈的電感傳感器柔軟，更適合與紡織品結(jié)合，可用于呼吸監(jiān)測和人體動作捕捉等。該傳感器具有可靠度高、壽命長、分辨率高、靈敏度高、線性度好以及測量范圍寬等優(yōu)點。

Wijesiriwardana R等人[18]用彈性萊卡纖維、不導(dǎo)電纖維和導(dǎo)電銅線織成針織物，設(shè)計了一種管狀電感式傳感器。將傳感器穿戴于胸部，可用于呼吸狀況的檢測，呼吸導(dǎo)致胸部產(chǎn)生微小的位移變化，從而導(dǎo)致傳感器電感變化，并記錄和轉(zhuǎn)換成電壓信號。

Kang T H等人[19]在非織造織物上縫合了磁導(dǎo)線制備電感傳感器，此傳感器同樣可以監(jiān)測呼吸信號，因呼吸引起胸部微小振動，引起縫合在織物上的磁導(dǎo)線位置發(fā)生變化，從而導(dǎo)致穿過磁導(dǎo)線的磁通量變化，最終引起電流或電壓改變。

劉官正等人[20]利用“體域網(wǎng)”的穿戴式人體生理參數(shù)動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，將電感傳感器嵌入織物中，設(shè)計了穿戴式電感動態(tài)呼吸監(jiān)測微系統(tǒng)，并對被測試者進(jìn)行不同日?；顒?坐—走—跑—恢復(fù))和連續(xù)6 h的睡眠呼吸監(jiān)測實驗。結(jié)果表明：呼吸率的平均測量精度約為95 %，此傳感器可用于日常生活和睡眠呼吸監(jiān)測。

6 結(jié) 論

綜上所述，各種傳感器與紡織品結(jié)合后應(yīng)用廣泛，它們是智能紡織品中核心的研究問題。而目前國內(nèi)外研制的傳感器主要是在織物中嵌入電子元件或者金屬纖維制成，或者通過具有涂層的間隔織物來實現(xiàn)，這些傳感器存在電子元件不柔軟、金屬厚重感，以及涂層手感差、不能機(jī)洗等缺點，與紡織品結(jié)合后，影響了紡織品原本輕質(zhì)、柔軟、舒適等特性，影響其穿戴舒適性，不能達(dá)到設(shè)計目標(biāo)和使用性能的要求。從材料的角度出發(fā)，使用紡織材料制備的傳感器更容易與紡織服裝融為一體，它能充分發(fā)揮紡織材料的特性，克服傳統(tǒng)傳感器與紡織品結(jié)合后的缺點，是智能紡織品今后的發(fā)展方向。

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Research progress of flexible sensor for smart textiles*

MA Yan-li, LIU Qian, LIU Wei

(College of Fashion,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

Sensors are the core parts of smart textiles,especially for flexible sensors.According to different operating principles,five kinds of flexible sensors applied to smart textiles are presented and measurement principles,materials and structures,combining ways with textile materials and specific application are also discussed respectively.Meanwhile,existing defects of various flexible sensors are analyzed.Finally,developing direction of flexible sensor in the future is prospected.

smart textile; textile material; sensor; flexible

2014—08—22

上海市青年科技英才揚帆計劃資助項目(14YF1409600)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0001—03

TP 212.6

A

1000—9787(2015)04—0001—03

馬艷麗(1989-)，女，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為電智能紡織品。