王曉雷 繆旭紅 孫婉

摘要： 為了研究針織間隔導(dǎo)電織物的壓阻傳感性能，將鍍銀錦綸與錦綸/氨綸包覆紗在無(wú)縫成型內(nèi)衣機(jī)上進(jìn)行編織，制備了3種緯編導(dǎo)電織物，將其與經(jīng)編間隔織物結(jié)合，測(cè)試并得到了電阻隨應(yīng)變的變化規(guī)律，分析了導(dǎo)電區(qū)域面積及壓縮方式對(duì)電阻-應(yīng)變傳感性能的影響。結(jié)果顯示：壓縮面呈平面時(shí)，壓縮過(guò)程分為電阻隨應(yīng)變的增加先緩慢減小、再急速下降兩個(gè)階段;曲面壓縮時(shí)，壓縮過(guò)程分為電阻微弱減小、緩慢上升、急劇下降三個(gè)階段，其中曲面壓縮階段Ⅲ和平面壓縮階段Ⅱ均具有較好的線(xiàn)性度和靈敏度，且前者靈敏度優(yōu)于后者;當(dāng)傳感面積為35 mm×35 mm，且從織物橫列方向進(jìn)行曲面壓縮電阻的測(cè)量時(shí)，傳感器的綜合傳感性能最佳。

關(guān)鍵詞： 間隔導(dǎo)電織物;針織;電阻傳感;壓縮;線(xiàn)性度;靈敏度

中圖分類(lèi)號(hào)： TS181.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 10017003（2020）04001705

引用頁(yè)碼： 041104

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.04.004（篇序）

Pressure resistance sensing properties of knitted spacer conductive fabrics

WANG Xiaolei， MIAO Xuhong， SUN Wan

（Engineering Research Center for Knitting Technology， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract：

In order to study the pressure resistance sensing properties of knitted spacer conductive fabrics， silver plating nylon and nylon/spandex covered yarns are knitted with seamless shaped underwear machine to make three types of weft knitted conductive fabrics， the weft knitted conductive fabrics are combined with warp knitted spacer fabrics for testing and figuring out the change rule of resistance with strain， and the effect of the conductive areas and compression modes on the resistance-strain sensing properties is analyzed. The results show that in the case of flat compression surface， the compression process is divided into two stages： the resistance decreases slowly with the increase of strain， and then decreases rapidly; in the case of curved compression surface， the compression process is divided into three stages： the resistance is reduced slightly， rises slowly， and falls sharply. Good linearity and sensitivity are achieved at stage Ⅲ of curved surface compression and stage Ⅱ of flat surface compression， and the sensitivity of the former is better than that of the latter. When the sensing area is 35 mm×35 mmand the compression resistance of curved surface is measured from the horizontal direction， the sensor achieves the best comprehensive sensing properties.

Key words：

spacer conductive fabrics; knit; resistance sensing; compression; linearity; sensitivity

收稿日期： 20190813;

修回日期： 20200323

基金項(xiàng)目： 湖北省紡織新材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（FZXCL2017013）

作者簡(jiǎn)介： 王曉雷（1994—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)獒樋椫悄芗徔椘返难芯?。通信作者：繆旭紅，教授，miaoxuhong@163.com。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始研究智能紡織品，賦予紡織品諸多的新功能已成為一個(gè)較為熱門(mén)的課題，其中很重要的一種實(shí)現(xiàn)方式是將傳感器與紡織品進(jìn)行柔性結(jié)合[1-2]。在壓力電阻柔性傳感器的相關(guān)研究范圍內(nèi)，基本是通過(guò)機(jī)織物來(lái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)織物柔性傳感器是由多層機(jī)織物和結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的導(dǎo)電化學(xué)物質(zhì)層復(fù)合而成的，工序繁瑣，其整體框架結(jié)構(gòu)的組成不但比針織間隔織物復(fù)雜，而且所含化學(xué)物質(zhì)較多，因此環(huán)保性也差。3D針織間隔織物具有優(yōu)良的彈性、抗沖擊性，三明治的空間結(jié)構(gòu)賦予其良好的透氣、透濕性，含有極少對(duì)環(huán)境有害的化學(xué)物質(zhì)。雖然相比機(jī)織物，針織物具有諸多優(yōu)勢(shì)，然而近年來(lái)的研究重點(diǎn)卻并不聚焦在針織柔性壓阻傳感器上[2-3]。究其原因，一是因?yàn)閷鞲胁课慌c間隔織物結(jié)合的組織設(shè)計(jì)方案具體實(shí)施起來(lái)較為復(fù)雜;二是因?yàn)獒樋椢锾厥獾木€(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，使得針織物組織的等效電阻模型的建立更為困難[4]。本文選擇針織間隔織物的另外一個(gè)重要原因是筆者后續(xù)的研究是以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體坐姿、睡姿、走路狀態(tài)的監(jiān)測(cè)作為最終目的，而3D針織間隔織物作為坐墊、襯墊類(lèi)產(chǎn)品已經(jīng)具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)，這對(duì)該壓阻傳感器以后的實(shí)際生產(chǎn)與應(yīng)用有很大幫助。因此，本文希望通過(guò)參考相對(duì)成熟的機(jī)織物壓阻傳感器，來(lái)尋找針織間隔織物和壓阻傳感器結(jié)合的可行性。

通過(guò)總結(jié)前人的相關(guān)研究工作，發(fā)現(xiàn)柔性壓力電阻傳感器主要是以較小傳感單元組成的傳感器矩陣陣列的電阻變化為基礎(chǔ)，來(lái)反應(yīng)生理活動(dòng)的相關(guān)信息，因此需要設(shè)計(jì)不同的傳感單元的面積[5]，以確定合理有效的傳感尺寸。大部分學(xué)者在進(jìn)行柔性傳感器的壓力電阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用了平板壓頭，但實(shí)際上球形壓頭才能更好地模擬人體部位與織物發(fā)生弧面接觸的日常情況。有學(xué)者將單根的導(dǎo)電紗線(xiàn)編結(jié)在經(jīng)編間隔織物的表面，利用導(dǎo)電紗線(xiàn)自身的電阻-應(yīng)變關(guān)系來(lái)反應(yīng)經(jīng)編間隔織物的表面形變程度，但是沒(méi)有將導(dǎo)電紗線(xiàn)編織成織物，并非直接利用織物結(jié)構(gòu)組織的變化來(lái)測(cè)試織物的壓力電阻[6-7]。此外，針織物線(xiàn)圈橫列與縱行呈現(xiàn)出不同的電阻串、并聯(lián)的關(guān)系，因此有必要考慮橫列、縱行兩個(gè)不同的方向?qū)鞲行阅墚a(chǎn)生的影響。

基于以上的綜合考慮，本文選取了導(dǎo)電性能較好的鍍銀錦綸與錦包氨綸紗在單面無(wú)縫成型內(nèi)衣機(jī)上進(jìn)行編織[8-9]，并將其與經(jīng)編間隔織物進(jìn)行結(jié)合，制得具有不同導(dǎo)電區(qū)域面積的針織間隔織物。采用橫列、縱行兩種電阻測(cè)量方向和平面、球形曲面的壓縮形式，對(duì)織物在壓縮過(guò)程中的電阻進(jìn)行測(cè)量，從柔性壓阻傳感器的靈敏度和線(xiàn)性度[10-11]來(lái)探究針織柔性導(dǎo)電織物的壓阻傳感特性，希望為針織間隔導(dǎo)電織物柔性應(yīng)變傳感器的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：針對(duì)柔性導(dǎo)電傳感器的基材，實(shí)驗(yàn)選取上下面具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)、16 mm厚的經(jīng)編間隔織物（常熟源碩織造公司），如圖1（a）（b）所示。組織結(jié)構(gòu)為：GB1/GB5：0-0-0-0/2-2-2-2/1-1-1-1/3-3-3-3/1-1-1-1/2-2-2-2∥;GB2：0-1-1-1/1-0-0-0∥;GB3：1-0-1-2/2-3-2-1∥;GB4：0-0-0-1/1-1-1-0∥，其中GB3穿直徑為0.12 mm的滌綸單絲，其他梳櫛穿165 dtex的滌綸紗，橫密5.11 wpc，縱密9.8 cpc，平方米質(zhì)量690.32 g/m2。針對(duì)

導(dǎo)電區(qū)域的織造，實(shí)驗(yàn)選取22.22 dtex/55.55 dtex的錦包氨綸紗，44 dtex/12f的FDY鍍銀錦綸紗線(xiàn)（北京潔爾爽高科技有限公司）。其中，錦綸基鍍銀紗線(xiàn)的導(dǎo)電性能良好，且具有一定的強(qiáng)度、延伸性和均勻的細(xì)度，以滿(mǎn)足針織用紗的織造要求，具體的導(dǎo)電性和力學(xué)性能指標(biāo)，如表1所示。

儀器：VICTOR 4105A型低電阻測(cè)試儀（深圳市驛生勝利科技有限公司），SM8-TOP2 MP2圣東尼單面無(wú)縫成型內(nèi)衣機(jī)（圣東尼（上海）針織機(jī)器有限公司），YF-900系列材料試驗(yàn)機(jī)（揚(yáng)州市源峰試驗(yàn)機(jī)械廠(chǎng)）。

1.2 針織間隔織物壓阻傳感器的制備

基于正方形傳感區(qū)域單元設(shè)計(jì)的方便性和面積大小的易控性，實(shí)驗(yàn)選擇將鍍銀錦綸與錦包氨綸紗在SM8-TOP2 MP2圣東尼單面無(wú)縫成型內(nèi)衣機(jī)上編織全部添紗緯平針組織[6]，共設(shè)計(jì)了3種不同面積大小傳感區(qū)域的緯編導(dǎo)電織物，每種試樣設(shè)計(jì)8塊，供后續(xù)不同實(shí)驗(yàn)的測(cè)試使用。在試樣織造完畢以后，用毫米刻度尺測(cè)量實(shí)際傳感區(qū)域面積、橫密和縱密，所制備試樣的部分相關(guān)規(guī)格如表2所示。

在黏合方式的選擇上，有尼龍膠、普通膠帶、雙面膠等可供選擇，尼龍膠固化會(huì)使織物變硬且由于表面的網(wǎng)眼組織導(dǎo)致施膠位置不宜控制、普通膠帶在壓縮時(shí)存在黏合不牢的問(wèn)題，兩者均無(wú)法較為真實(shí)地模擬單面導(dǎo)電間隔織物的壓阻傳感性能，最終選擇在上述制備的導(dǎo)電緯編織物的下表面四周的一圈布置雙面膠帶和紗線(xiàn)，將其與上述經(jīng)編間隔織物緊密黏合即可，最終形成了三種不同區(qū)域面積大小的針織間隔織物壓阻傳感器，如圖1（c）所示。

1.3 針織導(dǎo)電間隔織物的壓感性能測(cè)試

分別沿著織物的線(xiàn)圈的橫列和縱行的方向?qū)?dǎo)線(xiàn)縫制在導(dǎo)電區(qū)域，研究橫、縱向的測(cè)量的方式對(duì)壓阻傳感性能的影響。將織物導(dǎo)電的傳感部位放置在YF-900系列材料試驗(yàn)機(jī)傳感壓縮頭的正中央位置，最大板間距設(shè)置為間隔織物的厚度16 mm。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）使用絕緣膠帶對(duì)壓縮儀的金屬壓板進(jìn)行絕緣處理，以減小對(duì)電阻的干擾。

2）分別采用平面的壓縮頭和球體半徑R=10.61 cm的曲面壓縮頭進(jìn)行壓縮，將導(dǎo)電區(qū)域放置在壓縮頭的正中心的位置，并調(diào)整初始?jí)嚎s距離為織物的厚度16 mm，然后將兩端的導(dǎo)線(xiàn)分別加持在VICTOR 4105A型低電阻測(cè)試儀的夾頭上，如圖2所示。

3）打開(kāi)電阻測(cè)試儀的開(kāi)關(guān)，結(jié)合配套軟件：微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng);設(shè)置壓縮方案：?jiǎn)?dòng)壓縮儀，使織物的厚度減小，織物壓縮2 cm，待電阻穩(wěn)定時(shí)讀取此時(shí)的電阻值，繼續(xù)壓縮，每次設(shè)置壓縮厚度為2 mm或1 mm，并分別記錄相應(yīng)的電阻值，直至織物達(dá)到極限壓縮。

4）每種面積的樣布有8塊，平均分配給4種壓縮方案：平面橫向、平面縱向、曲面橫向、曲面縱向;每種方案可分配2塊，為了盡可能地減小實(shí)驗(yàn)的誤差，每塊樣布在進(jìn)行完成第一

次的壓縮實(shí)驗(yàn)完成后，靜置72 h，待其恢復(fù)為初始狀態(tài)時(shí)，按照上述相同的步驟，再次進(jìn)行測(cè)試。因此可以得到2×2=4個(gè)測(cè)試結(jié)果，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差值和平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)電織物的應(yīng)變電阻特性

將測(cè)得的壓縮電阻的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值輸入軟件Origin 9.0，并進(jìn)行繪圖，結(jié)果如圖3所示。

2.1.1 平面壓縮特性

采用平板壓縮時(shí)，該柔性傳感器的電阻隨著壓縮高度的應(yīng)變而變化過(guò)程如圖3（a）（b）所示，觀(guān)察可知，無(wú)論是從橫向還是從縱向來(lái)測(cè)量，壓縮電阻隨應(yīng)變的變化過(guò)程大致可分為兩個(gè)階段。

1）階段Ⅰ：當(dāng)壓縮厚度的應(yīng)變?chǔ)?60%時(shí)，電阻減小的速率平緩，說(shuō)明此時(shí)該柔性傳感器的靈敏度較差。因?yàn)樵诖穗A段，織物才剛剛開(kāi)始受力，較小的力值使得織物表面組織的上

下層紗線(xiàn)間的接觸面積有微弱增加，而紗線(xiàn)的自身線(xiàn)電阻和線(xiàn)圈形成的列與列、行與行的同層接觸電阻幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。

2）階段Ⅱ：當(dāng)壓縮厚度的應(yīng)變?chǔ)拧?0%時(shí)，電阻的降低速率較大，電阻變化明顯，說(shuō)明該柔性傳感器的靈敏度要高于階段Ⅰ。因?yàn)榭椢锏膶?dǎo)電區(qū)域不僅受到壓板向下的壓力，而且還受織物間隔絲向上的支持力，兩者對(duì)傳感器產(chǎn)生相互劇烈擠壓，這使得織物表面組織的上下層紗線(xiàn)間的接觸面積快速增大。

2.1.2 曲面壓縮特性

采用曲面壓縮時(shí)，該柔性傳感器的電阻隨應(yīng)變而變化過(guò)程如圖3（c）（d）所示，觀(guān)察可知，該變化的過(guò)程與平面壓縮實(shí)驗(yàn)有所不同，無(wú)論是從橫向還是從縱向來(lái)測(cè)量，壓縮電阻隨應(yīng)變的變化過(guò)程大致可分為三個(gè)階段。

1）階段Ⅰ：當(dāng)壓縮厚度的應(yīng)變?chǔ)?28%時(shí)，電阻微弱減小，因?yàn)榇诉^(guò)程中，傳感區(qū)域的上下紗線(xiàn)的層間接觸電阻的減小量略大于同層的接觸電阻的增加量，使得總電阻有較為不明顯的減小。

2）階段Ⅱ：當(dāng)壓縮厚度的應(yīng)變28%≤ε<64%時(shí)，電阻緩

慢增加并逐漸趨于穩(wěn)定，因?yàn)樵诖诉^(guò)程中，織物在球形曲面的壓力作用下，傳感區(qū)域的相鄰線(xiàn)圈列與列、行與行大部分進(jìn)行分離，使得同層之間的接觸電阻增大較多，且起到了主要的作用，當(dāng)分離完成后，整體電阻便趨于穩(wěn)定。

3）階段Ⅲ：當(dāng)壓縮厚度的應(yīng)變?chǔ)拧?4%時(shí)，電阻減小的速率較大。發(fā)生此變化的原因?yàn)椋壕€(xiàn)圈的行與行、列與列的同層之間接觸電阻已經(jīng)全部進(jìn)行分離，幾乎不再進(jìn)行變化，而織物導(dǎo)電層受到曲面壓板的壓力和間隔絲向上的支撐力的相互劇烈擠壓，線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)上下層間的接觸電阻急劇減小，由于球形曲面壓縮頭曲率的存在，織物的形變程度更大，因此在該階段傳感器的靈敏度也較高。

2.2 柔性傳感器的傳感性能

從線(xiàn)性度和靈敏度進(jìn)行思考，通過(guò)觀(guān)察圖3可以發(fā)現(xiàn)，平面壓縮時(shí)的階段Ⅱ和球形曲面壓縮時(shí)的階段Ⅲ的電阻變化具有較強(qiáng)的線(xiàn)性變化規(guī)律。重點(diǎn)研究這兩個(gè)階段，將這兩個(gè)階段在軟件Origin 9.0中進(jìn)行線(xiàn)性擬合，采用擬合直線(xiàn)的斜率k表征該柔性壓阻傳感器的靈敏度，擬合的決定系數(shù)R2表征該柔性壓阻傳感器的線(xiàn)性度，結(jié)果如表3所示。

2.2.1 壓縮形式的確定

由表3可知，所有擬合方程的決定系數(shù)R2均趨向于1，擬合優(yōu)度高，表明該傳感器的線(xiàn)性度較好。通過(guò)觀(guān)察表3可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是沿著橫列還是縱行的方向進(jìn)行電阻測(cè)量，采用球形曲面壓縮頭的傳感器靈敏度都要明顯高于相應(yīng)的平面壓縮的靈敏度，故選擇靈敏度較高的曲面壓縮形式。

2.2.2 測(cè)試方向和傳感面積的確定

在上述已經(jīng)選擇曲面壓縮頭的基礎(chǔ)上，只需觀(guān)察曲面壓縮階段Ⅲ的擬合斜率，在測(cè)試方向和傳感面積的綜合影響作用下，可以發(fā)現(xiàn)試樣3在橫向測(cè)量時(shí)的電阻-應(yīng)變的靈敏度最高。因此，選擇橫列的測(cè)量方向和試樣3的傳感區(qū)域面積，即35 mm×35 mm作為最終的最小傳感矩陣單元面積。

3 結(jié) 論

1）采取兩種不同的壓縮形式時(shí)，導(dǎo)電織物呈現(xiàn)出不同的電阻-應(yīng)變特性。壓縮面呈平面時(shí)，應(yīng)變電阻特性分為兩個(gè)階段：電阻隨應(yīng)變的增加先緩慢減小，再急速下降;壓縮面呈球形曲面時(shí)，應(yīng)變電阻特性可分為三個(gè)階段：電阻呈現(xiàn)出先略微減小，然后緩慢上升，最終急劇下降的趨勢(shì)。

2）處于平面壓縮過(guò)程的階段Ⅱ和曲面壓縮過(guò)程的階段Ⅲ時(shí)，該針織間隔柔性壓阻傳感器能夠具有較好的線(xiàn)性度，球形曲面壓縮時(shí)的傳感器靈敏度要明顯高于相應(yīng)的平面壓縮時(shí)的靈敏度，傳感性能良好。

3）實(shí)驗(yàn)證明利用針織間隔織物壓阻傳感器來(lái)反應(yīng)人體活動(dòng)信息的思路是完全可行的：采取曲面的壓縮形式，一是因?yàn)榍鎵嚎s可以更好地模擬在實(shí)際生活中人體部位對(duì)于坐墊的弧形接觸情況，二是采用球形曲面壓縮頭時(shí)，傳感器的靈敏度更高;通過(guò)比較曲面壓縮形式下的靈敏度，可確定橫列的測(cè)量方向和35 mm×35 mm傳感面積。

后續(xù)研究中，將集中于傳感器的進(jìn)一步改進(jìn)，使傳感單元形成矩陣及相關(guān)電路平臺(tái)的搭建，且以走向市場(chǎng)為目的，達(dá)到真正的實(shí)用性。

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