徐 帥

鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005

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水滴傳感器織物設(shè)計(jì)與制作*

徐 帥

鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005

設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的水滴傳感器織物，其結(jié)構(gòu)牢固、性能可靠。由于其檢測(cè)面積大且具備柔性，故能用于工業(yè)、醫(yī)療等特殊場(chǎng)合。根據(jù)這種水滴傳感器織物的結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種先添加襯墊紗再進(jìn)行剪紗的加工方法，降低了水滴傳感器織物的制作難度。

水滴傳感器，織物，智能紡織品

顧名思義，水滴傳感器就是指能夠檢測(cè)有無水滴存在的檢測(cè)元件。目前，市場(chǎng)上已有一些商品化水滴傳感器，可應(yīng)用于智能窗簾、汽車雨刷器等民用場(chǎng)合。這類水滴傳感器一般是在一塊微小電路板上鍍兩個(gè)柵狀電極而制成，利用水的導(dǎo)電性進(jìn)行工作，其性能穩(wěn)定，能滿足一般場(chǎng)合的使用要求。但這類水滴傳感器只能進(jìn)行小面積、固定位置的檢測(cè)，不適用于一些重要場(chǎng)合。如現(xiàn)代化的機(jī)房?jī)?nèi)集中裝有眾多服務(wù)器、工作站等重要信息設(shè)備，需要對(duì)溫度和濕度加以嚴(yán)格控制，大多數(shù)機(jī)房還裝有精密空調(diào)系統(tǒng)。此時(shí)，防水對(duì)象是位置不確定的凝結(jié)水，所以必須進(jìn)行大面積檢測(cè)。再如醫(yī)療場(chǎng)所內(nèi)，需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)危重病人的血液外滲或排汗排尿情況，這不但需要可進(jìn)行大面積檢測(cè)的水滴傳感器，還要求其是柔性的。

隨著近年來智能紡織品的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了一些基于紡織品的水滴傳感器。國內(nèi)專利《濕度傳感器及其管理系統(tǒng)》(專利號(hào)為2008800124399)[1]公布了一種濕度傳感器。它包括兩個(gè)電極板和處于其間的用于吸收濕氣的吸收層等，通過檢測(cè)所述電極板之間的電容變化和電阻變化來測(cè)量濕度。它的一個(gè)或兩個(gè)電極板可以是織物。這種傳感器為多層結(jié)構(gòu)，因此有一定厚度，不利于大面積生產(chǎn)和使用。另一個(gè)國內(nèi)專利《具有濕度傳感器的針織品》(專利號(hào)為2010106107803)[2]公布了一種具有濕度傳感器的針織品。它是將導(dǎo)電紗織入針織面料，并采用柵狀電極結(jié)構(gòu)，利用紗線遇水時(shí)的導(dǎo)電性變化來檢測(cè)有無水滴。這種水滴傳感器織物采用針織結(jié)構(gòu)，引出電路較復(fù)雜，而且針織結(jié)構(gòu)的保形性和牢固程度較差，因此其適合用作內(nèi)衣，而不適合在工業(yè)場(chǎng)合使用?？紤]到機(jī)織結(jié)構(gòu)緊密、牢固，適合在工業(yè)、醫(yī)療場(chǎng)合使用，因此本文開發(fā)了一種基于機(jī)織物的水滴傳感器。

1 水滴傳感器織物的結(jié)構(gòu)與原理

圖1為目前廣泛使用的一種水滴傳感器——YL-83雨滴模塊。本文開發(fā)的水滴傳感器織物采用與其相同的結(jié)構(gòu)(圖2)，由不導(dǎo)電經(jīng)紗1、導(dǎo)電經(jīng)紗2、不導(dǎo)電緯紗3和導(dǎo)電緯紗4織制而成。不導(dǎo)電經(jīng)紗1布置在布身位置，導(dǎo)電經(jīng)紗2布置在織物左右兩側(cè)的布邊位置。不導(dǎo)電緯紗3作為主要紗線，與兩種經(jīng)紗交織，形成織物主體；導(dǎo)電緯紗4作為功能紗線，沿經(jīng)紗方向間隔一定距離布置，且交替地在接近一側(cè)布邊處斷開一定距離，形成柵狀電極。當(dāng)水滴(即圖2中橢圓形陰影部分)滴在布面上時(shí)，在其范圍內(nèi)的紗線吸水而成為導(dǎo)體，兩側(cè)布邊因而導(dǎo)通。此時(shí)，電流流經(jīng)途徑為左側(cè)導(dǎo)電經(jīng)紗2→導(dǎo)電緯紗4→不導(dǎo)電經(jīng)紗1(含水)→右側(cè)導(dǎo)電經(jīng)紗2，不導(dǎo)電緯紗3即使吸水，由于緯紗之間的距離較大，不參與導(dǎo)電?？紤]到水滴滴在布面上時(shí)所形成的浸潤面積及為了節(jié)省材料，導(dǎo)電緯紗4沿經(jīng)紗方向間隔布置時(shí)彼此間的距離為2～10 mm。此外，為了不破壞織物結(jié)構(gòu)和不增加剪紗難度，導(dǎo)電緯紗4在接近一側(cè)布邊處所斷開的距離為1～5 mm。

圖1 YL-83雨滴模塊

圖2 水滴傳感器織物的基本結(jié)構(gòu)

2 水滴傳感器織物的制作方法

上述水滴傳感器織物需要剪去一些紗線，如僅靠人工找到并剪去，勢(shì)必增加制作難度。為此，本文采用：

(1) 添加襯墊紗。在整經(jīng)或上機(jī)時(shí)添加襯墊紗5-1和5-2(圖3)，襯墊紗的位置在織物左右兩側(cè)緯紗需要斷開處。襯墊紗宜選用與布身經(jīng)紗不同的紗線，如不同顏色、不同粗細(xì)，以便于與布身紗線區(qū)別。

圖3 織物未剪紗時(shí)布面結(jié)構(gòu)示意

(2) 穿綜、穿筘。左右兩側(cè)的襯墊紗各穿入單獨(dú)的一片綜框，但穿筘時(shí)不單獨(dú)占用一個(gè)筘齒，而是與其鄰近的經(jīng)紗穿入同一筘齒。

(3) 織造。如圖4或圖5所示，織入不導(dǎo)電緯紗3時(shí)，經(jīng)紗和緯紗以平紋組織交織，但襯墊紗5-1和5-2始終位于不導(dǎo)電緯紗3之上。如圖4所示，織入圖3中A—A′剖面處的導(dǎo)電緯紗4時(shí)，左側(cè)需要斷開的緯紗連續(xù)浮在3根經(jīng)紗上，形成小段緯浮長，此時(shí)襯墊紗5-1位于這些緯紗之下；右側(cè)不需要斷開的緯紗仍按照平紋組織規(guī)律與經(jīng)紗交織，同時(shí)襯墊紗5-2仍位于這些緯紗之上。如圖5所示，織入圖3中B—B′剖面處的導(dǎo)電緯紗4時(shí)，織造過程同上，但左、右側(cè)交織規(guī)律互換。最終織成的織物布面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖4 A—A處剖面

圖5 B—B′處剖面

(4) 剪紗?？椢锿瓿煽椩煜聶C(jī)后，提起左右側(cè)襯墊紗5-1和5-2，再剪去壓在墊紗5-1和5-2上面的那部分導(dǎo)電緯紗。剪完后，襯墊紗5-1和5-2自然落下，所得織物布面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖6 織物上機(jī)圖

依照上述方法，實(shí)際制作時(shí)采用的織物上機(jī)圖如圖6所示，其中“2×n”中的“2”指代圖1和圖3中的導(dǎo)電經(jīng)紗2，“×n”為其循環(huán)次數(shù)；“1×m”中的“1”指代圖1和圖3中的不導(dǎo)電經(jīng)紗1，“×m”為其循環(huán)次數(shù)。

3 驗(yàn)證與測(cè)試

為了驗(yàn)證水滴傳感器織物的使用效果，本文制作了1塊水滴傳感器織物實(shí)物。

織物組織為平紋；經(jīng)紗為40S(約14.6 tex)純棉紗、70 den(約7.8 tex)/36 f鍍銀錦綸長絲，其中鍍銀錦綸長絲共48根，分布在織物兩側(cè)作為邊紗；緯紗為40S(約14.6 tex) 純棉紗、70 den(約7.8 tex)/36 f鍍銀錦綸長絲；經(jīng)密為283根/(10 cm)，緯密為220根/(10 cm)；相鄰的2根導(dǎo)電緯紗的間距為6 mm，即每隔13根不導(dǎo)電緯紗3引入1根70 den/36 f鍍銀錦綸長絲，其算式為(220/100)6≈ 13；每根導(dǎo)電緯紗4在接近布邊的導(dǎo)電經(jīng)紗2處的斷開距離為1 mm，即需要斷開3根經(jīng)紗的距離，其算式為(283/100)1≈3。圖7為制成的水滴傳感器織物實(shí)物照片。

圖7 水滴傳感器織物實(shí)物照片

然后，分別在干燥狀態(tài)下及布面上滴1滴水，對(duì)上述織物實(shí)物的兩側(cè)布邊之間的電阻進(jìn)行檢測(cè)。用2塊尺寸為50 mm×25 mm×25 mm的銅塊分別壓住織物兩側(cè)布邊，再使用絕緣表和萬用表進(jìn)行測(cè)量。測(cè)得干燥狀態(tài)下的電阻為330.100 MΩ，布面上滴1滴 水之后的電阻隨時(shí)間的變化見表1，可見除前3 min 外，當(dāng)水被織物充分吸收后，電阻均下降至1.000 MΩ 以下，且完全能夠通過電壓比較電路檢測(cè)到。

表1 吸水后兩布邊間電阻

4 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的水滴傳感器織物，其結(jié)構(gòu)牢固、性能可靠、電路引出簡(jiǎn)單、使用方便。由于其檢測(cè)面積大且具備柔性，故能用于工業(yè)、醫(yī)療等特殊場(chǎng)合。本文還根據(jù)這種水滴傳感器織物的結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種先添加襯墊紗再進(jìn)行剪紗的加工方法，并通過實(shí)踐證實(shí)了此方法能降低制作難度。

當(dāng)然，本文開發(fā)的水滴傳感器織物還存在一定不足，主要是其初期的響應(yīng)速度較慢。如何優(yōu)化織物結(jié)構(gòu)和選擇紗線材料以提高響應(yīng)速度，是進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

[1] 徐世烈.濕度傳感器及其管理系統(tǒng)：CN 2008800124399[P].2011-01-26.

[2] M.賈恩, C-S.弗蘭克, K.邁爾，等.具有濕度傳感器的針織品：CN 2010106107803[P].2011-07-13.

Design and manufacture of water droplet sensor fabric

XuShuai

Yancheng Institute of Industry Technology, Yancheng 224005, China

A simple and practical water droplet sensor fabric, which had a solid structure and reliable performance, was designed. Because of its large detection area and flexible shape, it could be used on special occasions such as industrial and medical fields. Furthermore, in terms of the structure of the water droplet sensor fabric, a processing method, which was to add warp yarns first and then to cut some weft yarns, was developed, and this method was conductive to a decreased difficulty in manufacturing the water droplet sensor fabric.

water droplet sensor, woven fabric, smart textile

*江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目(PPZY2015C254)

2016-04-28

徐帥，男，1983年生，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄芗徔椘放c紡織機(jī)電一體化

TS106

B

1004-7093(2016)10-0011-04