摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)人體或物體的壓力分布特征的監(jiān)測(cè)，構(gòu)建了一種層疊式織物壓力分布傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)由織物壓力傳感陣列、封裝織物層以及數(shù)據(jù)采集模塊組成，織物壓力傳感陣列由兩層基底織物對(duì)向疊放構(gòu)成，其中沿上層基底織物底面緯向和下層基底織物頂面經(jīng)向分別等間隔縫紉有鍍銀導(dǎo)電紗線并印刷壓敏材料，在經(jīng)向和緯向?qū)щ娂喚€的交會(huì)處形成傳感單元。對(duì)織物壓力分布傳感系統(tǒng)的傳感單元的電力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)構(gòu)建的織物壓力分布傳感系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：傳感單元電阻值的倒數(shù)與壓強(qiáng)近似呈線性關(guān)系，展現(xiàn)出良好的壓阻響應(yīng)特性；經(jīng)過500次循環(huán)壓力測(cè)試，傳感單元可對(duì)外界信號(hào)作出穩(wěn)定的響應(yīng)；采用雙層疊合結(jié)構(gòu)的壓力傳感陣列使織物壓力分布傳感系統(tǒng)中各傳感單元初始狀態(tài)一致性較好，并有效減輕了傳感單元之間因串并聯(lián)通路而引入的噪聲干擾，因此可較好地呈現(xiàn)被測(cè)物體所施加壓力的分布特征。

關(guān)鍵詞：織物壓力傳感陣列；疊合結(jié)構(gòu)；壓力分布；電力學(xué)性能；壓力云圖

中圖分類號(hào)：TP212.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2024）02-0009-09

人體在日常生活中與外界物體發(fā)生接觸時(shí)將產(chǎn)生壓力，基于人體的壓力分布特征，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和識(shí)別人體的生理狀態(tài)及動(dòng)作姿態(tài)［1］，為一些行動(dòng)受限者、高齡者等后續(xù)的疾病診斷與康養(yǎng)方案制定提供有效的參考。理想的情況是在不影響被監(jiān)測(cè)者日常生活的條件下實(shí)現(xiàn)其壓力分布特征的監(jiān)測(cè)［2-4］。柔性壓力傳感器具有柔軟、易變形和靈活性高等特點(diǎn)，在人體壓力信號(hào)檢測(cè)中有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。已有研究者基于聚合物薄膜襯底如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）［5］、聚酰亞胺（PI）［6］、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等［7］設(shè)計(jì)了各種可產(chǎn)生柔性變形的薄膜結(jié)構(gòu)壓力傳感器，這類傳感器靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)，但其在與人體直接接觸時(shí)透氣性不佳。

紡織品具有輕質(zhì)、柔軟、舒適、親膚等特性，通過印刷、縫紉、編織等方式將壓力敏感材料集成到纖維、紗線和織物等紡織材料中［8-9］，不僅便于實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生理信號(hào)與動(dòng)作姿態(tài)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)可有效改善傳感器在人機(jī)交互過程中的舒適性。以紡織品為基底的柔性壓力傳感器與電子元件組合成的復(fù)合產(chǎn)品，是融合了紡織產(chǎn)品和人工智能、通信、傳感等技術(shù)的新興紡織品［10-12］，它不僅能兼?zhèn)浼徔椘返奶匦?，還能夠感知外界環(huán)境的變化，分析獲取的信息方便為使用者提供及時(shí)的反饋。Lee等［13］通過濕法紡絲利用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（ SBS ）彈性體、銀納米線（AgNWs）和銀納米顆粒（AgNPs）制備了高拉伸導(dǎo)電纖維，將其組裝成纖維狀電阻式壓力傳感器，縫制到手套中可監(jiān)測(cè)手指的彎曲信號(hào)。以長(zhǎng)絲、單紗、包芯紗等基體制備復(fù)合導(dǎo)電纖維或紗線并組裝成壓力傳感器，在測(cè)量拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等信號(hào)時(shí)有較大優(yōu)勢(shì)，可監(jiān)測(cè)到非常微小的變化，但其制備流程較為復(fù)雜，并且需要通過附加電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。Yu等［14］通過工業(yè)編織的方法，將摩擦電納米發(fā)電機(jī)嵌入到商用面料中制作了自供電地毯，但該地毯在有效電壓峰值尾部會(huì)跟隨一個(gè)具有較小峰值的信號(hào)，對(duì)于判斷是否發(fā)生跌倒可能會(huì)產(chǎn)生一定干擾。王小東［15］在單層基底織物上采用印刷與縫紉相結(jié)合的方法制備了柔性壓力傳感陣列，結(jié)合壓力分布檢測(cè)系統(tǒng)獲取了人體足底壓力分布云圖，但該設(shè)計(jì)對(duì)各傳感單元與導(dǎo)電線路的制造精度要求較高。以織物為基底制備的柔性壓力傳感器可接觸面大、可拓展性高、方便與其他材料進(jìn)行集成，但也需要在材料耐久性、大面積噪聲干擾、性能穩(wěn)定性方面進(jìn)行進(jìn)一步的提升和改進(jìn)。

本文以兩片柔性織物為基底，在兩片織物基底上分別縫制導(dǎo)電線路和印刷傳感單元，并將兩片基底以導(dǎo)電線路正交的方式相對(duì)疊放，制作了壓阻式雙層對(duì)向疊放式織物壓力傳感陣列，設(shè)計(jì)了壓力數(shù)據(jù)采集模塊，采用多層織物以層疊的形式對(duì)壓力傳感陣列進(jìn)行封裝，構(gòu)建了織物壓力分布傳感系統(tǒng)。在初始狀態(tài)下，雙層對(duì)向疊放結(jié)構(gòu)的織物壓力傳感陣列中傳感單元的電阻值不產(chǎn)生波動(dòng)，能夠減輕各傳感單元之間形成的串并聯(lián)通路產(chǎn)生的噪聲干擾，獲取的壓力云圖能夠較為準(zhǔn)確地呈現(xiàn)壓力分布檢測(cè)結(jié)果。該系統(tǒng)舒適輕便、電力學(xué)性能良好、工作穩(wěn)定可靠，能夠以智能坐墊、智能地毯或智能監(jiān)測(cè)墊的形式應(yīng)用于家庭、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、養(yǎng)老院等多種場(chǎng)合中。

1織物壓力分布傳感系統(tǒng)構(gòu)建

1.1織物壓力傳感陣列的制備

1.1.1實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：濕法聚氨酯樹脂（HDW-1151EB，上海匯得科技股份有限公司）；導(dǎo)電碳黑（VXC-72，粒徑30 nm，美國(guó)卡博特公司）；N， N-二甲基甲酰胺（分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司）；鍍銀導(dǎo)電縫紉線（S0703FX-100，材質(zhì)銀纖維和尼龍，規(guī)格70D/2，電阻8.6 Ω/cm，蘇州泰克纖維科技有限公司）；織物（材質(zhì)100%滌綸，平紋，密度240 T，市售）。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：超聲分散儀（SCIENTZ-750F，寧波新芝生物科技有限公司）；電子天平（JJ224BC，美國(guó)雙杰兄弟集團(tuán)有限公司）；臺(tái)面式平面絲印機(jī)（MC-2030-1，東莞市美超自動(dòng)化有限公司）；縫紉機(jī)（DDL-9000B-SS，日本重機(jī)投資有限公司）。

1.1.2壓力傳感單元的制備

壓力傳感單元作為織物壓力傳感陣列的核心部分，其壓阻特性是否靈敏與穩(wěn)定將影響整個(gè)系統(tǒng)的壓力檢測(cè)效果。本文采用印刷的方法將導(dǎo)電復(fù)合溶液施加到織物基底上以制備壓力傳感單元。導(dǎo)電復(fù)合溶液的制備流程如圖1所示。

a）使用電子天平分別稱取15 g N， N-二甲基甲酰胺溶液和2 g碳黑，混置于燒杯中，得到混合溶液P1。由于碳黑納米顆粒極易聚集，若直接與黏度較高的聚氨酯樹脂溶液混合，將難以在其中分散均勻。而聚氨酯樹脂溶液能溶于N， N-二甲基甲酰胺，故制備過程中先將碳黑與N，N-二甲基甲酰胺溶液進(jìn)行充分混合，以便后續(xù)能夠得到分散均勻的導(dǎo)電復(fù)合溶液。

b）將得到的混合溶液P1放入超聲波分散儀中，單次分散時(shí)間4 s，總計(jì)分散10 min，得到均勻的混合溶液P2。

c）使用電子天平稱取20 g聚氨酯樹脂溶液并匯入混合溶液P2中，以攪拌棒充分?jǐn)嚢瑁玫教己?聚氨酯混合溶液P3。

d）將得到的混合溶液P3放入超聲波分散儀中，單次分散時(shí)間4 s，總計(jì)分散180 min，期間每間隔60 min將溶液從分散儀中取出后手動(dòng)攪拌1 min。由于加入聚氨酯樹脂溶液后混合溶液的黏度增高，配合手動(dòng)攪拌能夠有效促進(jìn)碳黑在混合溶液中的充分分散，最終得到分散均勻的碳黑/聚氨酯混合溶液P4。

1.1.3傳感陣列的制備

織物壓力傳感陣列由兩層基底織物、鍍銀導(dǎo)電紗線和傳感單元構(gòu)成。鍍銀導(dǎo)電紗線在兩層基底織物上分別沿織物經(jīng)向和緯向以等間隔排列，在導(dǎo)電紗線的上方設(shè)置傳感點(diǎn)，隨后將兩層織物以導(dǎo)電紗線正交的方式相對(duì)疊放，并使兩層織物上各自的傳感點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)接觸構(gòu)成傳感單元，這樣可使傳感單元在制成的織物壓力傳感陣列中位于經(jīng)向與緯向?qū)щ娂喚€的交會(huì)處。當(dāng)施加外界壓力作用時(shí)，兩層織物上的傳感單元受壓產(chǎn)生接觸變形，并與其所在經(jīng)、緯向?qū)щ娂喚€形成導(dǎo)電通路，且傳感單元的電阻值會(huì)隨著外界壓力的變化而變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的檢測(cè)。圖2示出了織物壓力傳感陣列制備流程。

a）利用縫紉機(jī)將鍍銀導(dǎo)電紗線沿緯向以10 mm等間隔縫紉在上層基底織物的底面，沿經(jīng)向以10 mm等間隔縫紉在下層基底織物的頂面，各縫紉32條。

b）制作絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版，其圖案為32×16圓孔陣列，圓孔直徑3 mm，行列間距均為10 mm。

c）采用（b）中制作的網(wǎng)版，使用臺(tái)面式平面絲印機(jī)將制備的碳黑/聚氨酯混合溶液印刷至鍍銀導(dǎo)電紗線上。為防止出現(xiàn)傳感單元未完全覆蓋鍍銀導(dǎo)電紗線而導(dǎo)致短路的現(xiàn)象，在每片基底織物上將導(dǎo)電混合溶液分別印刷兩次。

d）待印刷后的導(dǎo)電溶液完全干燥后，在兩片基底織物上形成傳感點(diǎn)陣列，將兩片基底織物按照上、下鍍銀導(dǎo)電紗線相正交的方向?qū)ο虔B合，并使印刷在兩片基底織物上的上、下半部傳感點(diǎn)能夠一一對(duì)應(yīng)，以在兩層基底織物上的導(dǎo)電紗線交會(huì)處構(gòu)成傳感單元。

e）為防止兩層基底織物在使用過程中產(chǎn)生偏移或者錯(cuò)位，使用非導(dǎo)電滌綸縫紉線對(duì)其四周進(jìn)行縫紉固定，保證兩層基底織物上的傳感單元的位置始終處于重合狀態(tài)。

傳感點(diǎn)陣列的行列間距影響系統(tǒng)的整體分辨率，當(dāng)行列間距較小時(shí)，系統(tǒng)分辨率提高，但是當(dāng)受外力作用時(shí)，相同區(qū)域內(nèi)被導(dǎo)通的傳感單元數(shù)量較多，各傳感單元之間形成的串并聯(lián)通路會(huì)降低系統(tǒng)的測(cè)量精度；當(dāng)行列間距較大時(shí)，系統(tǒng)分辨率降低，可能遺漏某些關(guān)鍵壓力特征。本文選擇傳感點(diǎn)陣列的行列間距為10 mm，系統(tǒng)的分辨率和精度能夠滿足對(duì)日常生活中物體、人體臀部、人體足底等壓力的測(cè)量要求。

圖3（a）為傳感點(diǎn)表面的掃描電鏡圖，可以看出碳黑較為均勻地分散于聚氨酯基體中。圖3（b）為傳感點(diǎn)橫截面的掃面電鏡圖，可以看出經(jīng)過兩次印刷，碳黑/聚氨酯混合溶液干燥后形成的壓力敏感材料已完全覆蓋在導(dǎo)電紗線表面。

1.2傳感系統(tǒng)搭建

織物壓力傳感陣列制備完成后，基于ESP32 DEV Module微控制器設(shè)計(jì)了壓力分布傳感陣列的數(shù)據(jù)采集模塊。其中，主控芯片控制多路復(fù)用器完成對(duì)每條傳感通路的切換，然后通過分壓法測(cè)量傳感單元的電壓值作為模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換的輸入，由主控芯片將電壓值轉(zhuǎn)換為電阻值，隨后根據(jù)電阻與壓強(qiáng)的關(guān)系將電阻值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)值，由無線通訊模塊將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

為保證系統(tǒng)整體輕便柔軟、組裝便捷、連接穩(wěn)定，基底織物上的導(dǎo)電紗線與數(shù)據(jù)采集模塊間的連接方法需進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。目前常見的連接方式有杜邦線、柔性電路板（FPC）、導(dǎo)電尼龍扣等。本文采用FPC進(jìn)行連接，如圖4（a）所示，數(shù)據(jù)采集模塊通過FPC和縫制的導(dǎo)電紗線進(jìn)行連接，F(xiàn)PC各通道的間距為2.54 mm，各通道與鍍銀導(dǎo)電紗線連接的一端預(yù)留直徑為1 mm的過孔。由于制備的織物壓力分布傳感陣列的輸入和輸出通道均為32條，縫制導(dǎo)電紗線時(shí)已將32條輸入/輸出通道各分為2組，每組中各條通道間距為2.54 mm，與FPC各通道間距一致。將縫制的各導(dǎo)電線路與FPC上預(yù)留的過孔中心一一對(duì)齊后，采用不導(dǎo)電的滌綸縫紉線將兩者進(jìn)行手工縫紉，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連接固定。

圖4（a）中示出的織物壓力傳感陣列與數(shù)據(jù)采集模塊連接完成的樣品不便于直接應(yīng)用到實(shí)際生活中，而是需要將織物壓力傳感陣列、FPC和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行封裝，以對(duì)其提供機(jī)械保護(hù)，同時(shí)可以使系統(tǒng)更加美觀。圖4（b）示出了封裝完成的織物壓力分布傳感系統(tǒng)。其整體由6層結(jié)構(gòu)疊合組成：核心部分為兩層織物構(gòu)成的織物壓力傳感陣列；在其上方和下方分別增設(shè)一層防水透氣膜，以為傳感陣列提供防水保護(hù)；底層為硅膠墊，用以提升傳感系統(tǒng)的整體平整性；最上層為一針刺無紡織物層，材質(zhì)為滌綸纖維，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋并與人體產(chǎn)生直接接觸。除傳感陣列層外，其余4層結(jié)構(gòu)均可起到保護(hù)作用，提升了壓力傳感系統(tǒng)的工作可靠性與耐用性。當(dāng)有外力施加于白色有效傳感區(qū)域內(nèi)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力數(shù)據(jù)的采集與上傳。

2織物壓力傳感單元性能測(cè)試

為評(píng)估壓力傳感單元的電力學(xué)性能和工作穩(wěn)定性，制作了含有單個(gè)傳感單元的壓力傳感織物疊層，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析。如圖5所示，測(cè)試平臺(tái)由電動(dòng)拉壓力試驗(yàn)儀（ZQ-990LB）、CR數(shù)字電橋（TH2832）和計(jì)算機(jī)組成。將試樣置于測(cè)試平臺(tái)上，對(duì)傳感單元表面施加壓力載荷，探究其電阻隨壓力的響應(yīng)規(guī)律。

2.1壓力-電阻響應(yīng)特性

在靜置未施壓狀態(tài)下，印刷在上、下基底織物上的傳感單元部分輕微接觸，產(chǎn)生較大阻值（gt;20 MΩ），幾乎處于斷路狀態(tài)；當(dāng)施加壓力后，兩個(gè)傳感單元部分接觸程度加強(qiáng)，測(cè)量到的初始阻值約為15 kΩ。圖6（a）示出了傳感單元的電阻在0～63 kPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)的加載-卸載響應(yīng)曲線。在加載過程中，兩個(gè)傳感單元接觸并產(chǎn)生初始阻值，隨著壓強(qiáng)的增加，傳感單元接觸程度增強(qiáng)，并且受壓變薄，傳感單元中形成的導(dǎo)電通路增多，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)，傳感單元的電阻值在0～50 kPa范圍內(nèi)呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，當(dāng)壓強(qiáng)超過50 kPa后導(dǎo)電通路趨于飽和，電阻值變化較小，最低響應(yīng)電阻在0.8 kΩ左右，卸載時(shí)則產(chǎn)生相反的變化規(guī)律。由圖中可以看出，在加載與卸載過程中，傳感單元的電阻隨著壓強(qiáng)的變化，信號(hào)輸出一致性較高。傳感單元采用柔性壓敏材料制備而成，卸載回彈過程存在一定的遲滯性，造成卸載曲線略微滯后于加載曲線，但整體上信號(hào)輸出依舊較為穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，傳感單元電阻值的倒數(shù)與壓強(qiáng)近似呈線性關(guān)系。對(duì)圖6（a）中的加載響應(yīng)曲線進(jìn)行非線性曲線擬合，得到電阻與壓強(qiáng)關(guān)系表達(dá)式（1）：

y=cax+b（1）

式中：y為電阻值，kΩ；x為壓強(qiáng)值，kPa；a=0.05043；b=0.10648；c=1.80121，上式擬合優(yōu)度的確定系數(shù)達(dá)到了0.99317。

靈敏度是傳感器對(duì)外界作用力變化的響應(yīng)程度，對(duì)是否能夠?qū)斎胄盘?hào)實(shí)現(xiàn)高精度采集起到重要影響。壓阻型傳感器的靈敏度計(jì)算式（2）：

S=ΔR/R0ΔP（2）

式中：S為靈敏度，kPa-1；ΔR與R0分別為電阻變化值與初始電阻值，kΩ；ΔP為壓強(qiáng)變化值，kPa。

圖6（b）為壓強(qiáng)在0～63 kPa范圍內(nèi)加載與卸載的過程中傳感單元的相對(duì)電阻變化曲線?？梢钥闯觯?～10 kPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)，相對(duì)電阻變化增加較快，靈敏度較高，在2～3 kPa范圍內(nèi)靈敏度為2203 kPa-1；在10～50 kPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)，相對(duì)電阻變化相對(duì)穩(wěn)定，17～24 kPa范圍內(nèi)靈敏度為0065 kPa-1；在50～63 kPa范圍內(nèi)，相對(duì)電阻變化變動(dòng)較小，但傳感單元對(duì)壓力變化仍有一定的響應(yīng)。

2.2循環(huán)工作穩(wěn)定性

壓力傳感單元的循環(huán)工作穩(wěn)定性也是衡量其性能的重要指標(biāo)。為對(duì)傳感單元的工作穩(wěn)定性和耐久性進(jìn)行研究，在測(cè)試平臺(tái)上對(duì)傳感單元施加0～63 kPa的周期性載荷，循環(huán)測(cè)試周期為500次，記錄該過程中輸出信號(hào)的響應(yīng)結(jié)果，如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，傳感單元在整個(gè)測(cè)試過程中能夠持續(xù)地輸出電阻變化信號(hào)，輸出信號(hào)的谷值能夠非常穩(wěn)定地保持一致，峰值有小范圍的波動(dòng)。由于傳感單元為兩層結(jié)構(gòu)，每次卸載后傳感單元上、下兩部分的接觸狀態(tài)會(huì)有所變化，導(dǎo)致各周期的電阻峰值有輕微的波動(dòng)，但整體上并未產(chǎn)生明顯的漂移。綜上可知，傳感單元能夠?qū)ν饨缧盘?hào)作出穩(wěn)定的響應(yīng)，具有良好的工作穩(wěn)定性和耐久性。

3織物壓力分布傳感系統(tǒng)的測(cè)試

為能夠直觀地顯示織物壓力分布傳感系統(tǒng)所檢測(cè)到的物體施加在其上的壓力分布結(jié)果，本文利用圖形化軟件LabVIEW搭建了圖形可視化系統(tǒng)界面。數(shù)據(jù)采集模塊通過式（1）將電阻值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)值，然后繪制出壓力分布云圖。在此基礎(chǔ)上分別對(duì)靜置未施壓、多點(diǎn)施壓、條狀物體施壓、環(huán)形物體施壓和人體臀部施壓5種情況進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合電阻與壓強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系式（1）繪制相應(yīng)的壓力分布云圖，如圖8所示。從圖8（a）中可以看出，在靜置未施壓狀態(tài)下，壓力分布云圖顯示為均一的深藍(lán)色，表明傳感單元在未收到外界壓力信號(hào)輸入的情況下沒有信號(hào)輸出，這表明初始狀態(tài)下系統(tǒng)中傳感單元的一致性較好。圖8（b）示出的多點(diǎn)施壓情況下，系統(tǒng)可準(zhǔn)確呈現(xiàn)各受力點(diǎn)位置，同時(shí)通過壓力云圖上的顏色變化可判斷所施加壓力的大小。圖8（c）和圖8（d）兩種情況中，系統(tǒng)通過對(duì)壓力分布結(jié)果的展示，可呈現(xiàn)出被測(cè)物體的輪廓，但也可以看到云圖中出現(xiàn)了顏色變化不均勻和部分“重影”的現(xiàn)象，這可能是由于最上層的覆蓋織物層的存在，使得在某個(gè)或多個(gè)傳感單元被導(dǎo)通時(shí)，其周圍的傳感單元也會(huì)被導(dǎo)通，對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生一定影響，后續(xù)將進(jìn)一步研究其補(bǔ)償和改進(jìn)的方法。圖9（a）和圖9（b）分別示出了一名成年人的直立坐姿和直立坐姿下的臀部壓力分布情況，從檢測(cè)結(jié)果可以看出，重心主要集中在臀部，在中間兩處存在明顯的顏色梯度變化，為人的坐骨與織物壓力分布傳感系統(tǒng)接觸的區(qū)域，系統(tǒng)可以呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)坐姿下的臀部壓力分布情況。在人體久坐傾斜、翹腿等姿態(tài)下壓力集中區(qū)域會(huì)產(chǎn)生差異，可判斷其是否為標(biāo)準(zhǔn)坐姿，及時(shí)幫助人們糾正不良坐姿，預(yù)防疾病。整體結(jié)果表明，織物壓力分布傳感系統(tǒng)能夠較好地呈現(xiàn)出被測(cè)物體的壓力分布情況，具有雙層疊合結(jié)構(gòu)的織物壓力傳感陣列各傳感單元初始狀態(tài)下的一致性較好，僅在受力區(qū)域才會(huì)有信號(hào)輸出，未受力區(qū)域未發(fā)生信號(hào)變化。相比在單層織物基底上制備的壓力傳感陣列，通過雙層疊合結(jié)構(gòu)的織物壓力傳感陣列設(shè)計(jì)，減輕了各傳感單元之間形成串并聯(lián)通路而產(chǎn)生的噪聲干擾。該系統(tǒng)可以應(yīng)用到人體坐姿監(jiān)測(cè)、足底壓力監(jiān)測(cè)、人體跌倒檢測(cè)等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)預(yù)防疾病、健康監(jiān)測(cè)的目的。

4結(jié)論

本文以柔性織物為基底，采用縫紉導(dǎo)電紗線和印刷傳感單元的方式制備了兩層疊合結(jié)構(gòu)的織物壓力傳感陣列，結(jié)合封裝織物層以及數(shù)據(jù)采集模塊搭建了織物壓力分布傳感系統(tǒng)。利用搭建的測(cè)試平臺(tái)對(duì)傳感單元的電力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，隨著壓強(qiáng)在0～63 kPa范圍內(nèi)增大，傳感單元電阻值

由初始時(shí)的15 kΩ快速下降到0.8 kΩ，傳感單元電阻值的倒數(shù)與壓強(qiáng)近似呈線性關(guān)系，壓阻響應(yīng)特性良好；經(jīng)過500次循環(huán)壓力測(cè)試，傳感單元的電阻的峰值和谷值沒有出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，表明其可對(duì)外界信號(hào)作出穩(wěn)定的響應(yīng)?；诓杉臄?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了壓力分布云圖的繪制，在未施壓、多點(diǎn)施壓、條狀物體施壓、環(huán)形物體施壓和人體臀部施壓5種情況下，織物壓力分布傳感系統(tǒng)較好地呈現(xiàn)了被測(cè)物體所施加壓力的分布情況，發(fā)現(xiàn)未受壓區(qū)域不會(huì)因串并聯(lián)通路的存在而產(chǎn)生顯著的噪聲干擾，表明采用雙層疊合結(jié)構(gòu)的壓力傳感陣列中傳感單元的一致性較好。

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Construction and testing of laminated fabric pressure distribution sensing system

CHEN Junpeng1， WANG Xiaodong1， ZHANG Jikang1， L Peng2， PEI Zeguang1

（1.College of Mechanical Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China;

2.Jinan Boshen Garden Engineering Co.， Ltd.， Jinan 250101， China）

Abstract：

With the development of the Internet of Things and sensing technology， people have designed pressure distribution sensing systems based on the fabric pressure sensing array， realized human-machine intelligent interaction， completed the measurement and analysis of the pressure distribution data of the human body or object， and applied them to the fields of attitude monitoring， classification and recognition. At present， the pressure distribution sensing systems can be divided into wearable ones and non-wearable ones. Among them， the non-wearable pressure distribution sensing system does not need to be worn during use. It is convenient to integrate with other technologies and has high scalability. It is favored by many researchers and shows broad application prospects in intelligent medical treatment， rehabilitation nursing， and motion detection. However， the pressure distribution sensing system still faces many challenges in preparation and use， such as complex manufacturing process， difficult-to-achieve large-scale production， limited use in fixed workplaces， and crosstalk effects.

To facilitate the application of the pressure distribution sensing system to various occasions and reduce the crosstalk effect， in this study， a two-layer laminated fabric pressure sensing array was prepared， and a laminated fabric pressure distribution sensing system was constructed by combining the fabric packaging layer and the data acquisition module. The fabric pressure sensing array is composed of two layers of substrate fabric， silver-plated conductive yarn and sensing unit. The upper layer of the substrate fabric was stitched with silver-plated conductive yarn at equal intervals in the weft direction and the lower layer of the substrate fabric in the warp direction， and the pressure-sensitive material was printed. The two layers of fabrics were stacked orthogonally with conductive yarns to form a sensing unit at the intersection of warp and weft conductive yarns. To facilitate the application of the fabric pressure sensing array to various occasions， it was encapsulated with a stacked fabric packaging layer to provide mechanical protection. The data acquisition module of the pressure distribution sensor array was designed to complete the data acquisition and upload， and a reasonable flexible circuit board was designed for the connection between the conductive yarn on the substrate fabric and the data acquisition module. The electrical and mechanical properties of the sensing unit of the fabric pressure distribution sensing system were experimentally studied， and the constructed fabric pressure distribution sensing system was tested. It is found that the reciprocal of the resistance value of the sensing unit is approximately linear with the pressure， and the piezoresistive response characteristics are good. After 500 cycles of pressure tests， the sensing unit can respond stably to external signals. Based on the collected data， the pressure distribution cloud map is drawn. Under four different conditions， the fabric pressure distribution sensing system can better present the distribution of the pressure applied by the measured object. The pressure sensing array with double-layer superimposed structure makes the initial state of each sensing unit in the system more consistent， which can effectively reduce the noise interference introduced by the series-parallel path between the sensing units. The system shows good application prospects in the fields of disease prevention， motion monitoring， fall detection and so on.

Keywords：

fabric pressure sensing array; iterative structure; pressure distribution; electrical performance; pressure cloud map

收稿日期：20230515

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20230808

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2232023Y-01）；上海市現(xiàn)代紡織前沿科學(xué)研究基地資助項(xiàng)目（X11012201-011）

作者簡(jiǎn)介：陳俊鵬（1998—），男，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事柔性壓力傳感器設(shè)計(jì)方面的研究。

通信作者：裴澤光，E-mail：zgpei@dhu.edu.cn