李思明， 吳官正， 胡雨潔， 方鎂淇， 賀錄祥， 賀 燕， 肖學良

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

近年來，隨著電子技術(shù)、紡織技術(shù)和生命健康檢測技術(shù)的飛速發(fā)展與日益交融，智能紡織品的設計、開發(fā)以及應用已經(jīng)成為當前高端紡織技術(shù)研究的熱點之一[1]。智能紡織品不僅具有對外界環(huán)境變化感知及對變化迅速響應的功能，還能保持紡織品原有柔軟、易變性、舒適等特性[2]，因而其應用給消費者帶來全新的功能享受和穿著體驗。

目前，用于人體健康監(jiān)測的智能紡織品成功地將電子、光學器件和傳感器微型化并嵌于織物或服裝中[3-4]。此類紡織品可直接接觸身體，增強佩戴者的舒適性和移動的便利性，減少傳感器電子電路和能源之間的松散連接線。集成傳感器的紡織品可以監(jiān)測到多種變量，如心率、心電圖、出汗率等[5]或生物醫(yī)學方面的物理指標，如應力與應變等[6]。這些傳感器大多數(shù)為織物結(jié)構(gòu)中的集成微電子器件和導電聚合物或者是導電纖維紗線。與傳統(tǒng)采用剛性材料制成的傳感器不同，這種織物類傳感器由于采用柔性纖維材料制成，具有柔韌性好，可自由彎曲甚至折疊的特性，具有更廣泛的應用前景[7]。

對于足底壓力檢測，國內(nèi)外已取得一定研究成果。金曼等[8]研制了基于聚偏氟乙烯壓力薄膜的智能壓力檢測鞋墊，可揭示不同運動狀態(tài)下足底壓力的分布情況。Takahiro等[9]運用壓力地毯對人行走時足底壓力數(shù)據(jù)進行采集，并將足底的后跟、足弓區(qū)、腳掌區(qū)和腳趾區(qū)分為8個區(qū)域進行特征提取。但是，國內(nèi)常規(guī)的紡織檢測方法還無法準確地檢測柔性成形類紡織品的應力變化和應力分布情況，成為亟待解決的難題。本文根據(jù)FZ/T 73031—2009《壓力襪》要求，設計和制備壓力監(jiān)測襪[10]，將具有導電功能的紗線集成于織物結(jié)構(gòu)中形成壓力傳感模塊，使得襪子具備一定的智能性，同時也滿足力學性能的要求；利用自行搭建的壓力測試平臺，進行壓力數(shù)據(jù)的采集；通過單片機技術(shù)和圖像處理軟件實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)分析處理和可視化，直觀地呈現(xiàn)應力-電阻的關系。本文測試平臺結(jié)構(gòu)簡易，測試方法簡單，具有良好的實用性。

1 織物柔性壓力傳感器制備

基于線圈嵌套結(jié)構(gòu)的針織物具有良好的穿著舒適性及功能附加性，可搭載多種類型的傳感器。本文制備的壓力分布監(jiān)測襪，其壓力傳感模塊所用的紗線為18 tex導電紗，主要成分是含有質(zhì)量分數(shù)為20%的不銹鋼顆粒的粘膠纖維。通過掃描電子顯微鏡(SEM)得到導電纖維的表面形貌照片，如圖1所示。纖維表面光滑呈鋸齒狀，導電成分均勻無團聚現(xiàn)象。實驗測得該導電纖維的電阻約為24 Ω/cm。通過能量色散X射線光譜(EDX)得到導電纖維的主要成分，如圖2所示。導電纖維的表面由C、O、Fe、Cr和Cl等元素組成，相對應的元素質(zhì)量分數(shù)為47%、49.90%、2.41%、0.51%、0.18%，摩爾分數(shù)為55.20%、43.99%、0.61%、0.14%、0.07%?？梢?，C元素和Fe元素為主要成分。纖維中不銹鋼顆粒與粘膠混合均勻，經(jīng)過濕法紡絲后凝固的纖維與常規(guī)粘膠纖維的形貌類似。

圖1 導電纖維束及單根纖維截面的SEM照片

Fig.1 SEM images of conductive filaments (a) and cross section of single conductive viscose fiber (b)

圖2 導電纖維元素分析的EDX圖

Fig.2 EDX image of elemental analysis of conductive fibers

利用上述摻雜不銹鋼顆粒的導電粘膠紗與不導電的錦綸紗(18 tex)，通過YB2-3030S型電腦橫機(上海廣立電器機械有限公司)一體成型(壓力傳感模塊和導線均織入襪體面料內(nèi)部，并與襪體不導電區(qū)域同時成型)制備壓力分布監(jiān)測襪，其中襪的主體和傳感模塊都采用相同的緯平針組織[11]，密度為5～8線圈/cm。襪子的襪口區(qū)域采用1隔1羅紋組織結(jié)構(gòu)，以增強襪子穿著的彈性，襪跟區(qū)域則采用雙羅紋結(jié)構(gòu)制備，以提高其耐磨性。根據(jù)腳底壓力分布的特性，壓力傳感模塊分為3個部分，如圖3所示。壓力襪的正反面中，白色區(qū)域是由導電粘膠紗線織成的一體成型的壓力傳感模塊，其他區(qū)域為壓力襪的主體。壓力傳感模塊的組織結(jié)構(gòu)如圖4所示，正反面為緯平針組織。

圖3 基于緯平針工藝一體成型的壓力分布監(jiān)測襪

Fig.3 One-piece pressure distribution monitoring socks based on weft stitch technology. (a) Obverse side; (b) Reverse side

圖4 針織柔性壓力傳感織物的組織結(jié)構(gòu)

Fig.4 Weave structure of knitted flexible pressure sensing fabric. (a) Obverse side of knitted structure; (b) Reverse side of knitted structure

如圖3(b)所示，由于要進行導電紗線線圈區(qū)域的電阻測量，所以將織物反面的粘膠導電紗的線頭清理，以防止線頭零亂導致短路，測試時夾持柔性傳感器兩端，用方阻儀測得其初始的面電阻，電阻值如表1中數(shù)據(jù)所示。實驗數(shù)據(jù)顯示，3個區(qū)域的面電阻不同，部位 2處的面電阻較小，說明此處的交織結(jié)構(gòu)緊密，線圈密度較大。

表1 壓力襪不同傳感部位的初始面電阻

Tab.1 Initial surface resistance of differentpositions of pressure socks

測量部位面電阻/(MΩ·m-2)部位110.8部位22.5部位310.2

一般而言，壓阻式傳感器的電阻變化主要由以下幾個因素引起：1)敏感元件幾何結(jié)構(gòu)的變化；2)半導體能帶隙的變化；3)2種材料間接觸電阻的變化；4)復合材料中粒子間距的變化。對于本文所設計的柔性壓力傳感器而言，其壓阻變化主要源于“壓”(增加的接觸點)和“放”(降低的接觸點)過程中不銹鋼顆粒間接觸點的變化以及導電紗線間接觸面積的變化，如圖5所示。因此，研究交織結(jié)構(gòu)的壓阻機制對于更好地應用該類交織結(jié)構(gòu)壓阻模型有重要的指導意義。

圖5 交織結(jié)構(gòu)壓力傳感器壓力下電阻變化的機制

Fig.5 Mechanism of pressure change of intertexture pressure sensor under pressure

2 織物壓力傳感器的性能測試

傳感器的特征參數(shù)眾多，且不同類型的傳感器，其特征參數(shù)的定義和要求各有差異。傳感器的基本特征是指傳感器輸入輸出關系的特性，對應本文中應力與電阻的變化特性，主要指標有靈敏度、遲滯性、穩(wěn)定性及重復性等。

2.1 靈敏度測試

靈敏度是傳感器重要的特性參數(shù)之一[12]，是指溫態(tài)時傳感器的輸出量y與輸入量x之比，在此壓阻性傳感器中，定義靈敏度為S=△R·△P/R0。其中：△R表示隨著壓力△P的變化產(chǎn)生的電阻變化量，Ω；R0為初始電阻，Ω；靈敏度S即為曲線的斜率,kPa-1。

正如大多數(shù)已報道的柔性傳感器[13-14]，本文實驗中，傳感器的靈敏度在不同應力區(qū)域范圍內(nèi)大小不同。通過對壓力襪3個傳感部分測得的應力與電阻關系的數(shù)據(jù)可知：施加的應力不到10 kPa時，其靈敏度快速下降；應力在10～40 kPa時，靈敏度變化平緩；而當應力大于40 kPa時，靈敏度幾乎不會發(fā)生變化。實驗中用到的儀器為 ALJ-50HB型手動大行程拉力測試儀和VC890C+型勝利數(shù)字萬能表。對于這3個部分，均在厚度方向上壓縮，與此同時，萬用表的測試筆與傳感器兩端連接，同步記錄傳感器的電阻值變化。

2.2 遲滯性測試

遲滯性是指在相同的條件下，傳感器的正行程特征性與反行程特征性的不一致程度。傳感器在動態(tài)負荷下其遲滯性是非常重要的，較大的遲滯性會導致傳感器在動態(tài)負荷下產(chǎn)生不可逆的回復。通過文獻可知，剛性納米材料和高聚物之間界面黏附力相對較弱，在應變釋放的過程中其納米材料可以完全回復到初始位置[15]，但對于柔性傳感器，其正行程與反行程不一致程度明顯增加。本文實驗通過3次壓縮-釋放，分別研究3個傳感部位的遲滯性。

2.3 穩(wěn)定性與重復性測試

穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力；重復性是指傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特性曲線的不一致性[16]。本文測試選取位于部位2處的傳感器。穩(wěn)定性和重復性測試中，在厚度方向上施加不同的應力，同時使用測試軟件記錄電阻變化；在施加35 kPa應力下，重復200次對穩(wěn)定性和重復性進行研究。

3 測試結(jié)果分析

3.1 靈敏度分析

圖6分別示出位于部位1、部位 2和部位3處壓力傳感器的電阻值隨著應力變化的關系曲線。其中：R0表示初始電阻；R表示不同應力下的傳感部位電阻值，且隨著應力的增加而減??；R/R0表示不同應力下電阻相對初始電阻的電阻比。圖中的點代表實測電阻比值，實線為Origin擬合結(jié)果。在Origin擬合過程，使用Analysis中的Differentiate對所擬合的曲線上的點求斜率，即為該點的靈敏度。3個不同部位傳感器在不同應力下的靈敏度如表2所示。

從圖6可直觀地看到，3個不同部位的柔性壓力傳感器的電阻值均隨著應力的增加而減小，且減小的趨勢相同，先快速下降后緩慢降低直到應力達40 kPa左右后減小到0。從表2也可看出：3個部位的柔性傳感器的靈敏度隨著應力的增加而減小，減小趨勢如電阻與應力的關系趨勢；且易得出，在相同的應力下，各個部位的靈敏度幾乎相同。在傳感器的選擇上，應考慮2個方面，即靈敏度和實際需求。從數(shù)據(jù)結(jié)果可得出，在應力較小的情況下，傳感器的靈敏度較好，但是靈敏度越高，越易受到外界的干擾，需要結(jié)合腳底所測部位的應力，選擇合理的導電紗線與傳感模塊尺寸。

3.2 遲滯性分析

遲滯性是指在相同的條件下，傳感器的正行程特征性與反行程特征性的不一致程度。圖7分別示出壓力襪中部位1、部位2和部位3處傳感器的遲滯性曲線測試結(jié)果，折線越集中表示遲滯性越小。結(jié)合傳感器電阻與應力關系可知，在應力大于40 kPa時，傳感器的電阻幾乎不會發(fā)生變化，所以遲滯性表現(xiàn)在應力為0～40 kPa之間。通過實驗數(shù)據(jù)分析，部位1處傳感器部位的壓縮與釋放間電阻變化率在0%～18%之間，部位2的在0%～14%之間，部位3的在0%～12%之間。對于實際應用中的柔性傳感器而言，本文實驗中傳感器的遲滯性需要進一步控制。

圖6 壓力襪不同傳感部位的應力與電阻關系

Fig.6 Relationship between stress and resistance of different positions of pressure socks. (a) Part 1; (b) Part 2; (c) Part 3

表2 不同部位傳感器在不同應力下的靈敏度Tab.2 Sensitivity of different parts of sensorsunder different stresses

應力/kPa靈敏度/kPa-1部位1部位2部位30.00.1920.1980.1773.30.1190.1340.1246.60.0310.0430.0519.90.0190.0110.02113.20.0180.0060.00816.50.0090.0040.00333.00.0010.0010.00149.5000

圖7 壓力襪中壓力傳感模塊的遲滯性曲線

Fig.7 Hysteresis curve of pressure sensor module in pressure socks. (a) Part 1; (b) Part 2; (c) Part 3

3.3 穩(wěn)定性與重復性分析

結(jié)合柔性傳感器的靈敏度和遲滯性測得的結(jié)果，選擇部位2處壓力傳感模塊進行穩(wěn)定性與重復性的實驗，測試結(jié)果如圖8所示。可以看出：在不同的應力(5、10、20、40 kPa)下交織結(jié)構(gòu)類型的傳感模塊具有良好的穩(wěn)定性；在應力為35 kPa下進行200次重復實驗，從圖8(b)中壓縮前后曲線變化可知，其電阻值的比值沒有明顯的波動，重復性較好，可滿足作為壓力傳感器對穩(wěn)定性和重復性的要求。

圖8 壓力襪中部位2處傳感部位的性能測試結(jié)果

Fig.8 Performance test results of part 2 sensing part in pressure socks. (a) Resistance curves under different stresses; (b) Repeatability curve chart

4 腳底壓力分布與試穿效果測試

本文所制備的壓力襪的3個部位的傳感器模塊，分別對應于人腳足眼、第1跖骨和第5跖骨的位置。通過王明鑫等[17]的研究可知，靜態(tài)情況下足底壓力分布具有差異性，如表3數(shù)據(jù)所示。3個部位靜態(tài)瞬間壓力都在40 kPa以下，符合所制作的柔性傳感器量程，可進行足底壓力的常規(guī)測試和使用。

表3 靜態(tài)足底各部位瞬間壓力

Tab.3 Instantaneous pressure at various partsof static feet

腳底位置壓力/kPa足眼第1跖骨第5跖骨左腳112923右腳153422

為進一步研究壓力襪傳感器部位的實用性，將壓力襪穿在腳上行走，同時通過測試軟件記錄電阻值的變化，結(jié)果如圖9所示。其中：行走頻率為0.5 Hz；ΔR=R0-R；ΔR/R0表示電阻變化比。從實驗數(shù)據(jù)可看出，當腳接觸地面到遠離地面的過程中，3個傳感器部位電阻發(fā)生明顯的變化，不同部位由于應力不同表現(xiàn)的電阻變化比值不同。實驗結(jié)果表明：本文實驗測試的壓力襪不同部位傳感器可精確地測量腳底應力的變化，在運動和醫(yī)療康復等方面具有良好的應用價值。

圖9 壓力分布監(jiān)測襪中壓力傳感模塊的 行走電阻變化圖

Fig.9 Pressure distribution monitoring change chart of walking resistance of pressure sensor module in socks. (a) Part 1; (b) Part 2; (c) Part 3

5 結(jié) 論

本文將導電紗線集成到織物結(jié)構(gòu)中，設計制備了一體成型壓力分布監(jiān)測襪，通過對不同導電柔性壓力傳感模塊進行壓縮實驗，研究其應力與電阻的關系。實驗結(jié)果表明，所織造的壓力襪的應力與電阻呈反比例關系，在其他條件相同時，傳感器的電阻值和靈敏度隨著壓力的增加而降低直至不變。在應力為40 kPa之內(nèi)，各部位的傳感器具有良好的靈敏度。所織造的壓力襪在不同應力下均展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與重復性，滿足了柔性傳感器的要求。腳底壓力分布與試穿效果表明，使用含有質(zhì)量分數(shù)為20%的不銹鋼顆粒的粘膠纖維紡成的紗線，織造的針織柔性壓力傳感器在運動和康復等方面具有良好的應用價值。