張鈺晶，龍海如

(東華大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

近年來(lái)，電阻式針織應(yīng)變傳感器因其自身良好的柔性、延伸性和回彈性而在肢體運(yùn)動(dòng)及生理參數(shù)監(jiān)測(cè)方面得到越來(lái)越多的應(yīng)用[1-5]。針織傳感器內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)的組成與變化是其感應(yīng)外界的本質(zhì)因素，一些學(xué)者在這方面做了充分的理論和試驗(yàn)研究[6-14]，研究結(jié)果表明：針織傳感器內(nèi)部的線圈等結(jié)構(gòu)單元決定了其內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)的基本組成元素(如接觸電阻和紗線長(zhǎng)度電阻)之間的連接和分布，而結(jié)構(gòu)單元沿橫列、縱行方向的排列(即導(dǎo)電線圈的橫列數(shù)、縱行數(shù))直接影響電阻網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模(即電阻網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)、支路數(shù))和傳感器的性能；當(dāng)外部電壓的正負(fù)兩極加載至傳感器的相應(yīng)位置時(shí)，根據(jù)電路分析原理，可利用節(jié)點(diǎn)電壓法[15]計(jì)算電阻網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的等效電阻，其對(duì)應(yīng)的電路方程組會(huì)隨節(jié)點(diǎn)、支路連接方式以及外部電壓加載位置的變化而變化。因此，采用不同的針織組織結(jié)構(gòu)、電壓加載方式得到的針織應(yīng)變傳感器的靜態(tài)松弛電阻和力-電性能均會(huì)不同。在研發(fā)一種新的針織應(yīng)變傳感器時(shí)，當(dāng)原料和上機(jī)工藝相同時(shí)，在確定了合適的電壓加載方式后，導(dǎo)電線圈的橫列、縱行數(shù)成為影響傳感器的主要因素，且傳感器應(yīng)變主軸的選擇需通過(guò)試驗(yàn)或理論分析確定。

目前，已有許多學(xué)者[1-3， 5， 9-10， 14， 16-19]對(duì)提花添紗針織應(yīng)變傳感器進(jìn)行了研究，其通常使用單面無(wú)縫針織機(jī)進(jìn)行編織，并以彈性紗為地紗，從而使面紗導(dǎo)電線圈緊密均勻排列，這種方法豐富了導(dǎo)電線圈之間的接觸類型并改變了導(dǎo)電紗線長(zhǎng)度電阻的類型和分布[14]，同時(shí)可有效提高傳感器的靈敏性和重現(xiàn)性。此種傳感器所有導(dǎo)電橫列兩端的導(dǎo)電浮線并聯(lián)作為傳感器的輸入輸出端，從而與外部電壓連接[9-10， 14， 16-17]，使用時(shí)將橫列方向作為應(yīng)變主軸。也存在將電壓加載在縱行方向的兩端或者縱向邊界中間位置[18-19]的情況，此時(shí)留在橫列方向兩端的導(dǎo)電浮線在編織過(guò)程中被機(jī)器剪去，使用時(shí)將縱行方向作為應(yīng)變主軸，這會(huì)存在因殘余的短導(dǎo)電浮線線頭在長(zhǎng)時(shí)間使用中移動(dòng)而導(dǎo)致線圈脫散的可能。已有學(xué)者[9-10， 16-19]對(duì)不同方向電壓加載情形下，原料、組織結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電線圈數(shù)、拉伸方式對(duì)該類型傳感器的力-電性能的影響進(jìn)行了研究。

現(xiàn)有的研究主要聚焦于提花添紗、緯平針結(jié)構(gòu)的針織應(yīng)變傳感器，而對(duì)于其他緯編結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器的探究還鮮有報(bào)道。為拓展可用于肢體運(yùn)動(dòng)及生理參數(shù)監(jiān)測(cè)的針織應(yīng)變傳感器的種類，本文設(shè)計(jì)并采用電腦橫機(jī)通過(guò)雙紗嘴來(lái)編織[20]制備一種嵌花添紗針織應(yīng)變傳感器。雖然嵌花添紗與提花添紗傳感器的基礎(chǔ)組織都是緯平針，但是前者僅使用一根導(dǎo)電紗和一根彈性紗編織傳感器的導(dǎo)電區(qū)域，因此導(dǎo)電區(qū)域各邊界的導(dǎo)電線圈不會(huì)在使用中出現(xiàn)脫散的情形，且此根導(dǎo)電紗在進(jìn)入和退出導(dǎo)電區(qū)域時(shí)預(yù)留的紗段直接與外部電壓的正、負(fù)兩極相連接，即電壓加載的方式與后者不同。本文將通過(guò)試驗(yàn)研究嵌花添紗針織應(yīng)變傳感器的性能，從而確定最優(yōu)的應(yīng)變主軸，并選擇性能最優(yōu)的試樣進(jìn)行應(yīng)變范圍及重現(xiàn)性試驗(yàn)以評(píng)估該傳感器的應(yīng)用價(jià)值。

1 嵌花添紗針織應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)與制備

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備

根據(jù)嵌花織物的結(jié)構(gòu)與編織原理[21]，所設(shè)計(jì)的傳感器被分為3個(gè)區(qū)域，即非導(dǎo)電區(qū)域Ⅰ、導(dǎo)電區(qū)域和非導(dǎo)電區(qū)域Ⅱ，且各區(qū)域在縱向交界處以集圈單元連接(見圖1(a))。該傳感器是在江蘇金龍科技股份有限公司的LXC-352SCV型(機(jī)號(hào)E14)雙針床電腦橫機(jī)上進(jìn)行編織，借助L-ONE花型設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編譯嵌花添紗針織應(yīng)變傳感器的上機(jī)程序。在程序中設(shè)置前針床為工作針床以此設(shè)計(jì)編織花型，并設(shè)定所使用雙紗嘴的寬窄類型(紗嘴的寬窄類型是指導(dǎo)紗器上的烏茲座羊角相對(duì)寬度)，保證在雙紗嘴同時(shí)移動(dòng)時(shí)，面紗始終在地紗的前面(見圖1(b))。為了達(dá)到理想的添紗效果[20]，還需使穿面紗的紗嘴略低于穿地紗的紗嘴。對(duì)應(yīng)圖1(a)，圖1(b)展示了各區(qū)域所用的紗嘴及紗線配置情況，使用3、7號(hào)紗嘴編織非導(dǎo)電區(qū)域Ⅰ，4、5號(hào)紗嘴編織導(dǎo)電區(qū)域，2、6號(hào)紗嘴編織非導(dǎo)電區(qū)域Ⅱ，其中穿面紗的2、3、4號(hào)紗嘴調(diào)整為窄型紗嘴(2、3號(hào)穿相同普通面紗，4號(hào)穿導(dǎo)電面紗)，而穿相同彈性地紗的5、6、7號(hào)紗嘴調(diào)整為寬型紗嘴。此外，編織過(guò)程中使用1號(hào)紗嘴進(jìn)行廢紗起底，但該紗嘴并不參與傳感器的編織。在編譯程序時(shí)，1、3、4、5和7號(hào)紗嘴設(shè)置為左，而2和6號(hào)紗嘴則設(shè)置為右，即除2、6號(hào)紗嘴需從前針床編織區(qū)域的右邊進(jìn)入和退出外，其他紗嘴均從左邊進(jìn)入和退出。

1.2 原料及試樣規(guī)格

在制備所有試樣時(shí)，均使用相同原料和相同上機(jī)參數(shù)(密度、牽拉等)進(jìn)行編織。對(duì)應(yīng)于圖1：導(dǎo)電區(qū)域的導(dǎo)電面紗使用167 dtex/96 f的鍍銀錦綸絲，其單位長(zhǎng)度電阻為242.2 Ω/m；非導(dǎo)電區(qū)域的普通面紗使用78 dtex/48 f的錦綸低彈絲；各區(qū)域的彈性地紗均使用線密度為233 dtex的氨綸絲。圖2為所制備的嵌花添紗針織應(yīng)變傳感器的實(shí)物圖，后續(xù)測(cè)試過(guò)程中所有試樣外部電壓的加載方式如圖2(b)所示。

在原料及上機(jī)工藝確定的情況下，為研究新型傳感器的導(dǎo)電線圈橫列數(shù)、縱行數(shù)對(duì)其電學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)并制備了16種傳感器，并將其分為A、B、C、D共4組，分別對(duì)應(yīng)導(dǎo)電線圈橫列數(shù)為20、40、80、160的傳感器，其次每組又包含1#、2#、3#、4#共4類，分別對(duì)應(yīng)導(dǎo)電線圈縱行數(shù)為10、20、40、80的傳感器。每種傳感器均制備3個(gè)，后續(xù)的測(cè)試結(jié)果均為3個(gè)相同傳感器數(shù)據(jù)的平均值。

2 傳感器性能的測(cè)試與表征

2.1 靜態(tài)松弛電阻測(cè)試

2.2 單向拉伸時(shí)的力-電性能測(cè)試

使用YG 026 MB型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)對(duì)所有試樣進(jìn)行定伸長(zhǎng)拉伸，其中夾頭初始距離及預(yù)加張力分別設(shè)定為100 mm和0.1 N。同時(shí)用DM 3068型數(shù)字萬(wàn)用電表同步記錄拉伸過(guò)程中試樣的電阻值，最后導(dǎo)出相應(yīng)的伸長(zhǎng)及電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行力-電性能分析。

為比較不同導(dǎo)電線圈橫列數(shù)、縱行數(shù)以及單向拉伸方向?qū)鞲衅鞯牧?電性能影響，對(duì)所有試樣分別進(jìn)行沿橫列方向和縱行方向拉伸下的力-電性能測(cè)試，且最大應(yīng)變?yōu)?0%(即預(yù)定伸長(zhǎng)為10 mm)。將最大應(yīng)變?cè)O(shè)定為10%的原因是，通過(guò)對(duì)傳感器的預(yù)拉伸測(cè)試，得出其在小應(yīng)變下電阻變化率與應(yīng)變之間基本呈線性關(guān)系，方便傳感器的初步選擇。

2.3 最優(yōu)傳感器選擇及其最大應(yīng)變范圍和重現(xiàn)性測(cè)試

在衡量應(yīng)變傳感器的指標(biāo)中，應(yīng)變靈敏系數(shù)G是最重要的一個(gè)，其可根據(jù)式(1)進(jìn)行表征[9， 16]。

(1)

式中：ΔR/R0為對(duì)應(yīng)應(yīng)變下的電阻變化量ΔR與靜態(tài)松弛電阻R0的比值，其百分?jǐn)?shù)即為電阻變化率；ε為傳感器拉伸方向上的應(yīng)變，即長(zhǎng)度變化量(伸長(zhǎng))與初始長(zhǎng)度的比率。

根據(jù)試樣最大應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)力-電性能測(cè)試得到的伸長(zhǎng)-電阻數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)靜態(tài)松弛電阻R0，可繪制出ΔR/R0與ε的線性擬合曲線，擬合曲線的斜率即為G，而線性擬合度R2值則是表征線性度的指標(biāo)。通過(guò)分析擬合結(jié)果選出靈敏度和線性度均高的傳感器試樣，并用其進(jìn)行不同最大應(yīng)變下的15次連續(xù)往復(fù)拉伸測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 靜態(tài)松弛電阻及力-電性能分析

所有試樣的靜態(tài)松弛電阻及力-電性能數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如表1所示。比較不同拉伸方向下的線性擬合度R2值可得出，除個(gè)別試樣外，試樣沿縱行方向拉伸時(shí)的線性擬合度從整體上比沿橫列方向拉伸高。此外，在沿縱行方向拉伸中，線性度和應(yīng)變靈敏系數(shù)最高的試樣均為D1#。因此，選擇樣品性能最優(yōu)的D1#傳感器進(jìn)行不同最大應(yīng)變下的重現(xiàn)性測(cè)試。

表1 試樣靜態(tài)松弛電阻、線性擬合度及應(yīng)變靈敏系數(shù)

(續(xù)表)

3.2 傳感器規(guī)格參數(shù)對(duì)其靜態(tài)松弛電阻及力-電性能的影響

3.2.1 對(duì)靜態(tài)松弛電阻的影響

由表1可以看出：當(dāng)固定導(dǎo)電線圈橫列數(shù)時(shí)，R0隨導(dǎo)電線圈縱行數(shù)的增加而減??；而當(dāng)固定導(dǎo)電線圈縱行數(shù)時(shí)，R0隨導(dǎo)電線圈橫列數(shù)的增加而增大。

3.2.2 對(duì)力-電性能的影響

對(duì)表1中所有試樣在不同拉伸方向下的應(yīng)變靈敏系數(shù)進(jìn)行比較分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：當(dāng)導(dǎo)電線圈橫列數(shù)一定且線圈縱行數(shù)為10、 20、 40時(shí)，試樣沿縱行方向拉伸時(shí)的G值均高于沿橫列方向拉伸的值，而隨著導(dǎo)電線圈縱行數(shù)的繼續(xù)增加，試樣沿縱行方向拉伸時(shí)的G值會(huì)低于沿橫列方向拉伸的值；當(dāng)固定導(dǎo)電線圈橫列數(shù)時(shí)，試樣沿縱行方向拉伸時(shí)的G值隨導(dǎo)電線圈縱行數(shù)的增加而減小，而沿橫列方向拉伸時(shí)的G值則隨導(dǎo)電線圈的縱行數(shù)的增加而增大；當(dāng)固定導(dǎo)電線圈縱行數(shù)時(shí)，試樣在沿兩種拉伸情況下的G值，除個(gè)別異常值，均隨導(dǎo)電線圈橫列數(shù)的增加而增大。

因此，若是以縱行方向?yàn)閼?yīng)變主軸，則可以通過(guò)減小導(dǎo)電線圈縱行數(shù)并增加橫列數(shù)來(lái)獲得高G值的傳感器；若是以橫列方向?yàn)閼?yīng)變主軸，則需通過(guò)同時(shí)增加導(dǎo)電線圈橫列數(shù)和縱行數(shù)來(lái)優(yōu)化傳感器。結(jié)合前面線性度分析以及導(dǎo)電紗用紗成本的考慮，最優(yōu)選擇是將縱行方向作為應(yīng)變主軸，此時(shí)導(dǎo)電線圈縱行數(shù)最少和橫列數(shù)最多的D1#規(guī)格試樣的G值和R2值均最高。

3.3 最優(yōu)傳感器應(yīng)變范圍及重現(xiàn)性

將縱行方向作為應(yīng)變主軸，分別設(shè)置最大應(yīng)變?yōu)?0%、 60%、 90%、 120%和150%，對(duì)D1#規(guī)格試樣進(jìn)行15次連續(xù)往復(fù)拉伸測(cè)試，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，得到試樣在這5種最大應(yīng)變下的電阻變化范圍依次為4.111 1～7.231 6， 4.111 1～23.330 0， 4.111 1～272.054 6， 4.111 1～305.522 1， 4.111 1～633.498 7 Ω，圖4為這些測(cè)試中試樣電阻變化率與時(shí)間之間的關(guān)系。由圖4可以看出，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到150%，應(yīng)變傳感器依舊表現(xiàn)出良好的重現(xiàn)性。對(duì)比圖4中不同最大應(yīng)變下的單次往復(fù)曲線圖可知，當(dāng)應(yīng)變?cè)?0%以內(nèi)時(shí)，電阻變化率與時(shí)間關(guān)系曲線在應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)階段幾乎呈線性增長(zhǎng)，而當(dāng)應(yīng)變?cè)俅卧黾訒r(shí)，曲線則呈非線性增長(zhǎng)，并在某個(gè)應(yīng)變下呈先減小再增加再減小的特殊變化趨勢(shì)(如圖4(e)中的單次往復(fù)曲線放大圖)。

圖5(a)進(jìn)一步展示了D1#規(guī)格試樣在最大應(yīng)變?yōu)?50%時(shí)的電阻變化率、應(yīng)變靈敏系數(shù)與應(yīng)變之間的關(guān)系，圖5(b)為導(dǎo)電線圈在不同應(yīng)變下的對(duì)應(yīng)形態(tài)。由圖5(a)可知，傳感器的電阻變化率在應(yīng)變?yōu)?8.03%時(shí)達(dá)到最大，之后先下降再增加再下降，而傳感器的靈敏系數(shù)在應(yīng)變?yōu)?3.44%時(shí)達(dá)到最大值182.07，此后出現(xiàn)同樣的變化趨勢(shì)。因此D1#規(guī)格試樣沿縱向拉伸時(shí)的靈敏系數(shù)為2.48～182.07，并且小應(yīng)變(約20%)范圍內(nèi)基本維持穩(wěn)定，在應(yīng)變?yōu)?0%～73.44%時(shí)呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，之后靈敏系數(shù)呈下降趨勢(shì)，到達(dá)某一應(yīng)變(約為120%)時(shí)還會(huì)出現(xiàn)小幅增長(zhǎng)，然后又開始下降，這種變化也不同于文獻(xiàn)[18]中將電壓加載至縱向兩端的提花添紗針織應(yīng)變傳感器。這些力-電性能的變化均與圖5(b)中導(dǎo)電線圈形態(tài)的變化息息相關(guān)，線圈形態(tài)的變化導(dǎo)致導(dǎo)電線圈之間的接觸發(fā)生變化，從而使傳感器內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)組成元素的自身值以及連接狀態(tài)發(fā)生改變。關(guān)于傳感器內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)的建立與計(jì)算將是另一種挑戰(zhàn)，還需后續(xù)做進(jìn)一步研究分析。

作為應(yīng)變測(cè)量傳感器，傳感器的電阻變化需盡量保證隨應(yīng)變的增加而增加的趨勢(shì)，否則在從電阻變化逆推對(duì)應(yīng)應(yīng)變時(shí)會(huì)出現(xiàn)多解現(xiàn)象。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，線性度不再是限制傳感器選擇的指標(biāo)，通過(guò)事先標(biāo)定傳感器的電阻-應(yīng)變曲線，即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)電阻下的應(yīng)變。因此D1#規(guī)格試樣可測(cè)的最大應(yīng)變?yōu)?8.03%，高于將電壓加載至橫列兩端的提花添紗針織應(yīng)變傳感器的可測(cè)最大應(yīng)變(45%)[10]，此時(shí)的電阻的變化率可達(dá)到14 932.24%，而且最大靈敏系數(shù)(182.07)也遠(yuǎn)高于將電壓加載至橫列兩端的提花添紗針織應(yīng)變傳感器的最大靈敏系數(shù)(5.61)[9]。因此嵌花添紗針織傳感器可用于測(cè)量小應(yīng)變?nèi)绾粑?、心跳等，以及大?yīng)變?nèi)缡植筷P(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)等的彎曲和伸展運(yùn)動(dòng)。此外，如果傳感器只是用于監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)次數(shù)，那么D1#規(guī)格試樣因其良好的重現(xiàn)性也可以測(cè)試更大應(yīng)變下的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)次數(shù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于制備的嵌花添紗針織應(yīng)變傳感器，當(dāng)電壓加載在導(dǎo)電紗線進(jìn)入和退出導(dǎo)電區(qū)域的預(yù)留紗段上時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：

(1) 嵌花添紗針織應(yīng)變傳感器的靜態(tài)松弛電阻隨導(dǎo)電線圈橫列數(shù)的增加而增大，隨導(dǎo)電線圈縱行數(shù)的增加而減?。?/p>

(2) 當(dāng)以縱行方向?yàn)閼?yīng)變主軸時(shí)，在最大應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，傳感器的應(yīng)變靈敏系數(shù)隨導(dǎo)電線圈橫列數(shù)的增加而增大，隨導(dǎo)電線圈縱行數(shù)的增加而減??；

(3) 當(dāng)以橫列方向?yàn)閼?yīng)變主軸時(shí)，在最大應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，傳感器的應(yīng)變靈敏系數(shù)均會(huì)隨導(dǎo)電線圈橫列數(shù)和縱行數(shù)的增加而增大；

(4) 在最大應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，傳感器沿縱行方向拉伸時(shí)的線性度優(yōu)于沿橫列方向拉伸時(shí)的線性度；

(5) D1#規(guī)格試樣為所有試樣規(guī)格中性能最優(yōu)的傳感器，其導(dǎo)電線圈橫列數(shù)最多且縱行數(shù)最少，在沿縱行方向拉伸時(shí)，不同應(yīng)變范圍下的重現(xiàn)性良好，且可測(cè)應(yīng)變范圍為0～88.03%，最大靈敏系數(shù)為182.07。

由此可見，制備方法及電壓加載方式的不同，使得嵌花添紗針織應(yīng)變傳感器的性能優(yōu)于提花添紗針織應(yīng)變傳感器[9-10， 16-19]，且前者的可測(cè)應(yīng)變范圍也大于后者。在原料及上機(jī)工藝確定的情況下，可通過(guò)增加導(dǎo)電線圈橫列數(shù)并減少縱行數(shù)的方法來(lái)獲得高靈敏性嵌花添紗針織應(yīng)變傳感器，但在使用中需以縱行方向?yàn)閼?yīng)變主軸。后續(xù)可使用電腦橫機(jī)進(jìn)行全成型編織，并根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景編織不同類型嵌有本文所研發(fā)傳感器的全成型或半成型產(chǎn)品，如手套、護(hù)膝、護(hù)肘、呼吸帶等，用于肢體運(yùn)動(dòng)及生理參數(shù)監(jiān)測(cè)等，還可以進(jìn)一步研究原料、上機(jī)參數(shù)及組織結(jié)構(gòu)等對(duì)傳感器性能的影響。