王銘亮， 張慧樂(lè)， 岳曉麗， 陳慧敏

(1. 東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620; 2. 電子科技大學(xué)長(zhǎng)三角研究院(湖州)， 浙江 湖州 313000)

基于紡織結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)變傳感器以其可編織和可穿戴的優(yōu)點(diǎn)，在智能紡織品領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在拉伸負(fù)載下，柔性傳感器的相對(duì)電阻或相對(duì)電容會(huì)發(fā)生變化從而產(chǎn)生信號(hào)響應(yīng)[1]。對(duì)于纖維/紗線(xiàn)型和織物型應(yīng)變傳感器，測(cè)量拉伸應(yīng)變時(shí)，往往測(cè)定的是傳感器整體的變形量[2-3]。實(shí)際上，上述傳感器覆蓋的人體表面各微小處呈現(xiàn)了不同的變形，因此，如何有效地鑒別紗線(xiàn)和織物基本組織的微觀變形，是新型智能可穿戴電子紡織品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。

目前，對(duì)于織物微觀結(jié)構(gòu)變形的研究成果，在實(shí)驗(yàn)研究方面，包括針織物小變形下線(xiàn)圈形態(tài)的變化規(guī)律[4]，雙向拉伸條件下針織物單元的變形場(chǎng)分布[5]等；在仿真研究方面，通過(guò)準(zhǔn)確的紗線(xiàn)材料定義和精細(xì)化的單胞建模，可以有效預(yù)測(cè)微觀結(jié)構(gòu)的變形和織物整體的力學(xué)性能[6-7]，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法無(wú)法連續(xù)、高效地測(cè)量織物細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變形歷程，且對(duì)單根紗線(xiàn)局部變形的測(cè)量方法較少，數(shù)值模擬中也存在著誤差累積和計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題。近年來(lái)，數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)因具有非接觸、全場(chǎng)測(cè)量和高精度等特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確量化材料表面的應(yīng)變場(chǎng)和位移場(chǎng)，同時(shí)避免了對(duì)材料本身力學(xué)性能的影響，相比采用應(yīng)變片的方式也具有更高的精度和更全面的測(cè)量數(shù)據(jù)[8]，在材料研究領(lǐng)域有諸多應(yīng)用成果，包括金屬拉伸[9]、織物泊松比[10]、紡織復(fù)合材料剪切變形[11-12]和微觀尺度變形[13-14]的測(cè)定等。目前，采用DIC方法對(duì)典型織物的紗線(xiàn)和線(xiàn)圈級(jí)別的拉伸測(cè)量相關(guān)研究鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。

本文以1種常規(guī)平紋機(jī)織物和3種緯編針織物為例，從織物中抽取紗線(xiàn)、裁剪織物試樣，并根據(jù)紗線(xiàn)和織物特點(diǎn)在試樣表面分別設(shè)計(jì)合理的散斑，用相機(jī)全程跟蹤單軸拉伸過(guò)程。之后在DIC軟件中通過(guò)添加引伸計(jì)測(cè)定單軸拉伸過(guò)程中紗線(xiàn)軸向各小段線(xiàn)應(yīng)變以及織物單元結(jié)構(gòu)的微觀變形，揭示其變形規(guī)律，為研究智能紡織品的微觀尺度變形響應(yīng)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試 樣

本文選擇1種常規(guī)平紋機(jī)織物和3種緯編針織物，織物的具體規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試樣規(guī)格參數(shù)表Tab.1 Sample specification

從1#機(jī)織物中隨機(jī)抽取經(jīng)紗和緯紗各3根，2#～4#的針織物中隨機(jī)抽取紗線(xiàn)3根；根據(jù)GB/T 3 923.1—2013《織物拉伸性能斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》，將每種織物沿縱向和橫向各裁剪3塊試樣。本文定義1#-A1為織物1#的第1根紗線(xiàn)試樣，1#-A2為織物1#的第2根紗線(xiàn)試樣……1#-B1為織物1#的第1塊織物試樣，1#-B2為織物1#的第2塊織物試樣,以此類(lèi)推。

1.2 散 斑

紗線(xiàn)和織物試樣及其散斑示意見(jiàn)圖1。

圖1 試樣示意圖Fig.1 Diagram of samples.(a) Sample of yarn; (b) Sample of fabric

紗線(xiàn)試樣有效長(zhǎng)度為120 mm。為了防止紗線(xiàn)在拉伸實(shí)驗(yàn)中發(fā)生打滑或夾斷，在紗線(xiàn)試樣兩端粘貼長(zhǎng)、寬分別為30、15 mm的織物片。由于紗線(xiàn)拉伸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生退捻，用隨機(jī)噴涂的散斑不利于后期進(jìn)行特征捕捉，因此用黑色中性筆在紗線(xiàn)上進(jìn)行點(diǎn)涂制斑，每個(gè)黑斑包圍紗線(xiàn)一圈且間隔約為3 mm，保證黑白邊界清晰可辨。織物試樣的尺寸為150 mm×50 mm，夾持的有效尺寸為100 mm×50 mm。在不影響試樣力學(xué)性能的情況下，使用亞光白和亞光黑噴漆在試樣表面制作隨機(jī)均勻的散斑圖案。因?yàn)橛^察的是線(xiàn)圈尺度的拉伸變形，制斑過(guò)程中，使油漆顆粒水平噴出并從最遠(yuǎn)端自然飄落到織物表面，從而使散斑足夠細(xì)小且易于識(shí)別。由于試樣的材質(zhì)和織構(gòu)不同，制斑效果也存在差異?？椢锛?xì)觀結(jié)構(gòu)上的散斑如圖2所示。

圖2 散斑分布Fig.2 Speckle pattern.(a) Fabric 1#; (b) Fabric 2#; (c) Fabric 3#; (d) Fabric 4#

比較圖2中各試樣的散斑圖可知，織物1#的平紋組織結(jié)構(gòu)較為緊湊，散斑顆粒較好地附著在紗線(xiàn)表面；其余3種緯編針織物的線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)中因?yàn)榧喚€(xiàn)間縫隙較大，噴漆時(shí)過(guò)濾了部分較大的散斑顆粒，且各試樣都有一定數(shù)量散斑附著在紗線(xiàn)表面的毛羽上。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與測(cè)量原理

DIC實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖3所示，紗線(xiàn)和織物試樣在拉伸過(guò)程中分別用不同放大倍數(shù)的相機(jī)鏡頭進(jìn)行圖像采集，同時(shí)使用藍(lán)光光源進(jìn)行光照補(bǔ)償。為了保證紗線(xiàn)試樣可以清晰成像且散斑點(diǎn)易于捕捉，使用一張白紙作為拍攝背景，如圖3(a)所示；更換顯微鏡頭后對(duì)準(zhǔn)織物試樣中央?yún)^(qū)域細(xì)觀組織進(jìn)行拍攝，如圖3(b)所示。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)分析，本文做出2個(gè)假設(shè)。

圖3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境Fig.3 Lab environment.(a) Experimental scene of yarn; (b) Experimental scene of fabric

1)本文僅考慮紗線(xiàn)和織物微觀組織拉伸的二維平面變形行為，忽略紗線(xiàn)在直徑方向的變形和織物在厚度方向的變形，因此，本文的DIC實(shí)驗(yàn)都是使用單相機(jī)采集。

2)基于紡織結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)變傳感器在小應(yīng)變(5%)下對(duì)靈敏度的要求更高，因此，本文僅測(cè)定織物微觀結(jié)構(gòu)的小變形行為。

2.1 拉伸設(shè)備與參數(shù)

試樣在制斑完成后，在溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度為(65±2)%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下靜置24 h。拉伸實(shí)驗(yàn)在MTS E42電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

1)紗線(xiàn)拉伸實(shí)驗(yàn)參照GB/T 3362—2005《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》，配合相機(jī)的采集頻率設(shè)定拉伸速度為15 mm/min，等速拉伸至紗線(xiàn)斷裂。

2)織物拉伸實(shí)驗(yàn)參照GB/T 3 923.1—2013《織物拉伸性能斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》，在織物單向拉伸的過(guò)程中觀測(cè)其中心區(qū)域單元結(jié)構(gòu)的變形。每個(gè)試樣分別從縱向和橫向進(jìn)行拉伸。微觀鏡頭下為了避免大部分單元結(jié)構(gòu)隨著拉伸離開(kāi)視場(chǎng)，同時(shí)保證其清晰度，設(shè)定拉伸速度為5 mm/min，直至試樣的拉伸應(yīng)變?yōu)?%。

2.2 相機(jī)參數(shù)與標(biāo)定

試樣的拉伸過(guò)程使用相機(jī)全程拍攝。本文使用南京中迅微傳感技術(shù)公司(PMLAB)的PointGrey型相機(jī)，成像分辨率為4 096像素×3 000像素，圖片采集幀率都為2 幀/s。紗線(xiàn)實(shí)驗(yàn)采用相機(jī)配套的50 mm焦距鏡頭，織物微觀實(shí)驗(yàn)采用80 mm焦距的顯微鏡頭。

拉伸實(shí)驗(yàn)之前需要先用相機(jī)采集靜態(tài)圖片進(jìn)行DIC系統(tǒng)的標(biāo)定。如圖4(a)所示，在夾持好的紗線(xiàn)試樣前方，采用12列×9行的圓陣標(biāo)定板(圓點(diǎn)直徑2.5 mm，間距6 mm)進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)隨機(jī)更換標(biāo)定板的擺放位置和角度共采集10張圖片，最終標(biāo)定結(jié)果為2.954×10-2mm/像素。由于線(xiàn)圈級(jí)別的微觀鏡頭下對(duì)應(yīng)的成像尺寸很小，故采用刻度尺代替標(biāo)定板。如圖4(b)所示，對(duì)焦后將刻度(間距1 mm)平行放置在織物組織前方采集一張圖片，圖中微觀圓形視場(chǎng)直徑約為12 mm，標(biāo)定結(jié)果為4.510×10-3mm/像素。

圖4 DIC標(biāo)定Fig.4 Calibration of DIC measuring.(a) Calibration of yarn; (b) Calibration of fabric at micro level

2.3 DIC計(jì)算與原理

DIC測(cè)量的基本原理是通過(guò)捕捉試樣表面散斑圖案的變化來(lái)計(jì)算其位移和應(yīng)變等信息，如圖5所示。在變形前的圖像中建立以某一待求點(diǎn)(x,y)為中心的矩形圖像子區(qū)，在變形后的子區(qū)像素集中尋找其相關(guān)系數(shù)為極值的相似點(diǎn)(x′,y′)，從而獲得該點(diǎn)的位移量。通過(guò)迭代法計(jì)算相關(guān)系數(shù)S(u,v)的極值，其表達(dá)式為

圖5 二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of DIC-2D measuring

(1)

本文使用PMLAB的DIC-3D完成對(duì)圖像的采集、計(jì)算和分析。在計(jì)算欄目中，一段引伸計(jì)由2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)連接組成，通過(guò)計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)在圖像變形前后坐標(biāo)值的變化可得出該段引伸計(jì)的線(xiàn)應(yīng)變。參考圖5，一段引伸計(jì)的端點(diǎn)坐標(biāo)在變形前分別為(x0,y0)和(x1,y1)，變形后經(jīng)過(guò)相關(guān)性捕捉得到坐標(biāo)變更為(x0′,y0′)和(x1′,y1′)，則該段引伸計(jì)的線(xiàn)應(yīng)變?chǔ)舕計(jì)算方法為：

(2)

(3)

(4)

式中：L0為引伸計(jì)的初始長(zhǎng)度，mm;L′為變形后的長(zhǎng)度，mm。

實(shí)際選取引伸計(jì)時(shí)，為了保證在每1幀的變形圖中都能精準(zhǔn)識(shí)別并捕捉2個(gè)端點(diǎn)，端點(diǎn)的位置處于散斑的黑白交界處最宜。如圖6(a)所示，從紗線(xiàn)試樣的中點(diǎn)開(kāi)始往上下2個(gè)方向每3個(gè)散斑點(diǎn)設(shè)置一段引伸計(jì)，單根紗線(xiàn)試樣共8段，引伸計(jì)初始平均長(zhǎng)度約為8 mm。分析織物單元結(jié)構(gòu)變化時(shí)，由于受到散斑質(zhì)量和紗線(xiàn)間縫隙的影響，計(jì)算出的單元結(jié)構(gòu)拉伸應(yīng)變?cè)茍D并不完整。因此，類(lèi)似于紗線(xiàn)分段線(xiàn)應(yīng)變的計(jì)算，將織物單元形態(tài)變化量用沿著縱向和橫向的兩段線(xiàn)應(yīng)變來(lái)表征。如圖6(b)所示，以針織物為例，在視場(chǎng)中下方隨機(jī)選取10段引伸計(jì)，包含縱向和橫向各5段，長(zhǎng)度分別對(duì)應(yīng)線(xiàn)圈的圈高和圈寬，機(jī)織物的引伸計(jì)則是對(duì)應(yīng)平紋單胞的長(zhǎng)、寬。

圖6 引伸計(jì)選取示意圖Fig.6 Options of extensometers.(a) Selection of extensometers on yarn; (b) Selection of extensometers on loop

3 結(jié)果與分析

3.1 紗線(xiàn)線(xiàn)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果分析

通過(guò)DIC-3D軟件進(jìn)行坐標(biāo)重構(gòu)后可以獲得紗線(xiàn)試樣各段引伸計(jì)每幀的線(xiàn)應(yīng)變。單根紗線(xiàn)從上往下各段引伸計(jì)編號(hào)為0～7，其中1#平紋機(jī)織物3次經(jīng)紗實(shí)驗(yàn)的線(xiàn)應(yīng)變變化曲線(xiàn)如圖7所示。

如圖7(a)所示，紗線(xiàn)1#-A1在拉伸至第51 s時(shí)斷裂，其中引伸計(jì)6的線(xiàn)應(yīng)變最大為13.72%，引伸計(jì)4線(xiàn)應(yīng)變最小為9.34%，并且各段引伸計(jì)的應(yīng)變數(shù)值都存在一定程度的波動(dòng)。散斑質(zhì)量是造成數(shù)據(jù)波動(dòng)的主要原因，部分散斑邊緣存在墨水暈染的效果，導(dǎo)致引伸計(jì)迭代計(jì)算過(guò)程中捕捉的關(guān)鍵點(diǎn)位置出現(xiàn)跳動(dòng)。結(jié)合圖7(b)、(c)，織物1#經(jīng)紗的3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，各段引伸計(jì)應(yīng)變曲線(xiàn)都呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)且沒(méi)有明顯的重復(fù)性，說(shuō)明紗線(xiàn)試樣單向拉伸至斷裂的過(guò)程中，各個(gè)位置處的變形并不一致。根據(jù)纖維集合體力學(xué)分析，紗線(xiàn)在單向拉伸過(guò)程中纖維的應(yīng)變是不同的，不同位置的纖維在拉伸過(guò)程中對(duì)強(qiáng)力的貢獻(xiàn)也不同。各段引伸計(jì)的變化不一也反映出紗線(xiàn)拉伸的上述特征，為了更好地量化紗線(xiàn)各段位置的伸長(zhǎng)趨勢(shì)，將引伸計(jì)變化曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合來(lái)比較其應(yīng)變速率。紗線(xiàn)試樣的引伸計(jì)應(yīng)變速率極值如表2所示。

圖7 織物1#經(jīng)紗引伸計(jì)變化曲線(xiàn)Fig.7 Variation curve of extensometers in warp yarn 1#

表2 紗線(xiàn)引伸計(jì)應(yīng)變速率范圍Tab.2 Range of extensometers’ strain rate in yarn

由表2可知，同一種織物的紗線(xiàn)試樣在拉伸過(guò)程中，軸向各段會(huì)呈現(xiàn)出較大的應(yīng)變速率差異?；跀M合后的數(shù)據(jù)結(jié)果，提取各段引伸計(jì)在不同拉伸時(shí)刻的應(yīng)變值，可以更直觀地顯示出紗線(xiàn)各位置處的應(yīng)變趨勢(shì)，其中試樣1#-A1～1#-A3的應(yīng)變趨勢(shì)曲線(xiàn)如圖8所示。

如圖8(a)，可以發(fā)現(xiàn)在拉伸的初始階段，紗線(xiàn)1#-A1各段位置的應(yīng)變沒(méi)有較大差異，而隨著拉伸進(jìn)行，引伸計(jì)3和引伸計(jì)6的應(yīng)變明顯突出，最終紗線(xiàn)將在應(yīng)變最大處產(chǎn)生斷裂。如圖8(c)，同樣有2段位置的伸長(zhǎng)速率較快；而圖8(b)中，引伸計(jì)3的伸長(zhǎng)速率明顯大于其它位置，這表明紗線(xiàn)中應(yīng)變速率較大的位置呈隨機(jī)性分布。紗線(xiàn)在拉伸過(guò)程中應(yīng)變最大處的纖維斷裂和滑脫最為明顯，在斷裂的一瞬間纖維應(yīng)力集中并不均勻，且纖維斷裂在紗線(xiàn)截面中是隨機(jī)的。

圖8 紗線(xiàn)各段引伸計(jì)應(yīng)變趨勢(shì)Fig.8 Strain trend of extensometers in yarn

3.2 織物微觀測(cè)量結(jié)果分析

為了觀察微觀視場(chǎng)中織物單元結(jié)構(gòu)的形態(tài)變化，導(dǎo)出不同位置處的引伸計(jì)應(yīng)變曲線(xiàn)，其中織物1#的平紋單胞結(jié)構(gòu)在縱向拉伸和橫向拉伸后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如圖9、10所示。

圖9 縱向拉伸引伸計(jì)應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.9 Variation curve of extensometers by warp tensile

由圖9、10可知，引伸計(jì)0～4代表拉伸方向，引伸計(jì)5～9代表收縮方向，在小變形下平紋單胞的變化趨勢(shì)較為一致，但不同位置處的變形量仍存在一定差異。圖9中織物1#在縱向的延展性要優(yōu)于橫向，在伸長(zhǎng)率接近5%時(shí)橫向收縮應(yīng)變均小于1%，呈現(xiàn)出明顯的各向異性；緯向與經(jīng)向拉伸相比織物1#在橫向拉伸時(shí)平紋單胞的整體變形量更大。如圖10(a)和圖10(c)，應(yīng)變只計(jì)算至40～50 s區(qū)間，因?yàn)榭椢?#在橫向拉伸時(shí)經(jīng)緯紗之間的滑動(dòng)更劇烈，導(dǎo)致觀察區(qū)域的引伸計(jì)應(yīng)變曲線(xiàn)非線(xiàn)性程度較大，且數(shù)據(jù)波動(dòng)明顯，誤差增大。

圖10 橫向拉伸引伸計(jì)應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.10 Variation curve of extensometers by weft tensile

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從微觀角度觀察，織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈不均勻變形。為比較另外3種針織物線(xiàn)圈變形的不均勻程度，將每種試樣3次實(shí)驗(yàn)下同一方向的共15段引伸計(jì)取最后一幀的應(yīng)變數(shù)值，并計(jì)算其應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 引伸計(jì)應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差Tab.3 Standard deviation of extensometers’ strain

表3中，機(jī)織物1#的應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差相較其他3種緯編針織物偏小，說(shuō)明平紋機(jī)織物的組織結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。比較后3種試樣可以發(fā)現(xiàn)，緯編針織物在橫向拉伸時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值偏小，說(shuō)明此時(shí)線(xiàn)圈變形相比縱向拉伸更為均勻和穩(wěn)定。其中織物2#的標(biāo)準(zhǔn)差較大，數(shù)據(jù)離散程度較高。觀察圖2(b)后發(fā)現(xiàn)該種織物雖然紗線(xiàn)直徑大結(jié)構(gòu)緊湊，但是織物表面毛羽過(guò)多，尤其在縱向拉伸過(guò)程中線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)性較差。此外由于散斑顆粒較多地附著在毛羽上，拉伸過(guò)程中引伸計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)隨著毛羽發(fā)生跳動(dòng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差增大。

織物單元結(jié)構(gòu)的拉伸變形表明，對(duì)于織物型的應(yīng)變傳感器，由于微觀結(jié)構(gòu)變形的不均勻性，在同種激勵(lì)下設(shè)計(jì)成平紋結(jié)構(gòu)并且采用織物后整理技術(shù)控制表面毛羽，將獲得更為穩(wěn)定的信號(hào)響應(yīng)。

4 結(jié) 論

本文基于數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)提出了一種織物微觀尺度下的測(cè)量方法，研究了紗線(xiàn)和織物單元結(jié)構(gòu)在單向拉伸工況下的變形情況，得到如下結(jié)論。

1) 紗線(xiàn)在拉伸過(guò)程中，軸向不同位置處在初始階段變形均勻，隨著拉伸進(jìn)行應(yīng)變差異將逐漸增大，其中應(yīng)變速率較大的位置呈隨機(jī)分布且數(shù)量不一。

2) 在小變形范圍的拉伸情況下，DIC技術(shù)能完整地捕捉織物微觀結(jié)構(gòu)的變形過(guò)程，其中平紋機(jī)織物的細(xì)觀結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，變形差異較?。痪暰庒樋椢镌跈M向拉伸時(shí)線(xiàn)圈變形較為均勻，縱向拉伸時(shí)非均勻變形更明顯。

3) DIC方法可以有效地定量描述微觀尺度下材料的變形歷程，通過(guò)提高散斑質(zhì)量，控制紗線(xiàn)和織物表面毛羽，將實(shí)現(xiàn)更加精確全面的變形測(cè)量，能為考慮微觀形變的智能可穿戴電子紡織品設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。