基于导电纤维针织物的柔性传感器研究

本文以 4 种镀银纱纬编针织物为试样，测试了其单向拉伸时的导电性能，考察了拉伸性能对其电阻的影响。研究结果表明，在小应变的情况下，电阻与其应变成线性关系；竖条纹双罗纹针织物的灵敏度最大，横条纹双罗纹针织物的次之，镀银纱纬平针织物的最小；纱线间接触电阻的变化是引起纬平针织物电阻变化的最关键因素；将双罗纹织物重复拉伸来模拟心跳信号，结果显示电阻能基本稳定在一个值上，可以满足传感器稳定性的要求。

Four kinds of weft knitted fabrics made of silver-plating yarn were taken as samples and their conductivities were tested under weft tensile to investigate the relationships between tensile property and resistance. The results are the following: the resistance of fabric has a linear relationship with strain within a definite range; as for strain sensitivity, vertical stripe interlock with silver-plating and wool yarn, horizontal stripe interlock fabric with silver-plating and wool yarn fabric is the most remarkable one, plain fabrics with silver-plating and spandex comes second, and plain fabric with silver-plating yarn is the least; the change of contact resistance among yarns during stretching caused different fabric sensitive to strain; when the interlock fabrics were stretched repeatedly to simulate the heartbeat signals, their resistances remained stable at a value, so they can satisfy the stability requirement.

目前，对于人类身体状况的监测已不再局限于体力活动水平，而是扩展到各个方面和多种数据，如监测心率及呼吸周期可以反映人体的心肺功能是否正常。穿戴式的主动感应器正在向多功能集成化方向发展，从而形成一种家庭智能健康监测系统。通过互联网可以将多个移动设备连接到一起，并连接到一个特定的监控中心。生命衫就是采用了这种方式向病人提供服务的。

在过去，被监控者佩戴的专用监控器不仅累赘、影响正常生活，而且无法长时间的佩戴。随着感应器的小型化、计算机技术以及各种相关技术的发展，旧式监控器逐渐被抛弃，出现了新式的可穿戴智能监控器，导电纤维在其中扮演了重要的角色。现在存在多种导电纤维制造技术，如可以在尼龙线上金属镀层，或者将银丝、铜丝等混纺到天然或人造纤维织物中。并且，由此得到的导电纤维可以使用标准设备进行纺织、刺绣、编织等多种加工。

本文旨在研发一种可穿戴柔性传感器，实现对人体的心肺功能进行舒适和不分昼夜的监测。针织内衣具有穿着舒适、可灵活衬入传感器等多项优点，因此适宜作为传感器的载体。鉴于人体呼吸、心跳时，皮肤扩张最大能达 30%，所以本文主要考察导电纤维针织物在 1% ～ 30% 应变下的电阻变化情况以及影响因素。

1实验

1.1试样制备

本文采用电导率为 516 Ω/m、细度为 110 dtex的镀银导电纤维制备纬平针和双罗纹针织物，确定织物拉伸与电阻的关系。其中，纬平针织物用袜机编织，双罗纹针织物用电脑横机编织，编织过程非常顺利。下机后的织物如图 1 和图 2 所示，其中A为镀银纱纬平针织物，B为镀银纱与氨纶双纱交织纬平针织物；C为镀银纱与羊毛纱横条纹双罗纹针织物（双罗纹出针，第 1 路和第 2 路编织羊毛纱，第 3 路和第4 路编织镀银纱），D为镀银纱与羊毛纱竖条纹双罗纹针织物（双罗纹出针，第1路和第3路编织羊毛纱，第 2 路和第 4 路编织镀银纱）。织物的结构参数如表 1 所示。

1.2实验内容及结果

对于 4 种织物，均沿纬向拉伸，使用VC9805A＋数字万用表测量其电阻，确定其电阻与应变之间的关系，求传感器的灵敏度，探讨是否满足传感器灵敏性需求。传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度K。传感器的灵敏度越高，传感器性能越好。

静态灵敏度的计算方法为：，ΔR为电阻变化量，ΔL为织物拉伸长度变化量。

心脏接收和泵出血液时，由心脏产生电脉冲，从而使心跳发生。心率（HR）是单位时间（通常是 1 min）心跳的次数。由于脉搏是心跳的结果，所以心率可以通过穿戴于脉搏的织物柔性传感器来监测，但是要确保传感器的稳定性。因此本研究对织物试样进行了反复拉伸，测量其电阻值是否变化，以确定是否满足传感器稳定性要求。

1.2.1纬平针织物

图 3 显示长度均为 10 cm、宽度分别为 4、4.5 和 6.4 cm的镀银纱纬平针织物电阻与应变的关系。从这 3 块针织物电阻与应变的关系图可以看出，针织物电阻随着织物宽度的增加而减小；在应变比较小的情况下，电阻与应变成线性关系；在应变比较大的情况下，电阻变化并不明显。

根据测量有：，即对于不同宽度的织物的K值均是 10 Ω/m，可以认为针织物传感器的灵敏度与织物宽度没有关系，只与织物的材料、组织结构有关。由R4＞R4.5＞R6.4可知，宽度越小的针织物，其电阻越大，有利于人体小部位信号采集。因此，在选择织物尺寸时，只需考虑其满足人体所测部位的大小即可。

图 4 为镀银纱与氨纶交织的纬平针织物，织物均选择 3 cm宽度，方点线为单层针织物选取长度为 10 cm的电阻与应变关系，圆点线为双层针织物选取长度为 8 cm的电阻与应变关系。从这两种针织物来看，电阻与针织物伸长基本成线性关系；与镀银纱纬平针织物不同的是，当镀银纱与氨纶交织时，线圈的排列更加紧密，线圈针编弧、沉降弧均小于纬平针织物，圈柱大于纬平针织物，纱线间接触电阻增加，使得织物等效电路与镀银纱纬平针织物等效电路不同，当织物拉伸时，织物电阻随着织物长度的增加而增加。

根据测量有：

式中，K方1与K方2分别表示单层镀银纱与氨纶交织纬平针织物在应变为 0 ～ 20% 和 20% ～ 30% 时的灵敏度； K点1与K点2分别表示双层镀银纱与氨纶交织纬平针织物在应变为 0 ～ 20% 和 20% ～ 30% 时的灵敏度。在添加氨纶后，双层针织物的灵敏度是单层针织物灵敏度的 3 倍。在较小应变下，单层针织物的灵敏度可以达到 20 Ω/m；在超出弹性范围后，该织物的灵敏度和纬平针织物相同。由于贴身内衣均衬有氨纶，在较小应变情况下，氨纶使得织物的灵敏度增加，这增加了贴身内衣作为柔性传感器的可行性。

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1.2.2双罗纹针织物

图 5 为镀银纱与羊毛纱编织的两种双罗纹针织物的电阻与应变关系，试样均为长 10 cm、宽 5 cm的长方形。从图 5 可以看出，两种针织物的电阻均先随着织物伸长而增加，后随伸长而减小。由于双罗纹织物的弹性特别是横向弹性较好，在较小应变情况下，电阻变化表现出图 4 所示的弹性针织物的特性；在超出织物的弹性范围后，电阻变化表现出图 3 所示的纬平针织物的特性。

式中，K方1与K方2分别表示横条纹双罗纹针织物在应变为 0 ～ 20% 和 20% ～ 30% 时的灵敏度；K点1与K点2分别表示竖条纹双罗纹针织物在应变为 0 ～ 10% 和 10% ～ 30% 时的灵敏度。通过比较灵敏度K值可以看出，两种织物在较小应变的情况下，竖条纹双罗纹针织物的灵敏度比横条纹针织物大，而在下一个阶段，竖条纹双罗纹织物的灵敏度比横条纹针织物小。双罗纹织物具有较好的弹性和保暖性，是贴身内衣常见的组织结构。测量结果表明，两种织物灵敏度均比较高，可以作为柔性传感器。

基于双罗纹针织物自身的弹性特性，为了模拟心跳信号，测量了两种织物从 10 cm拉伸到 13 cm时以及回复时的电阻值，重复几次以观察传感器的测量重复性，结果如图 6所示。从图 6 可以看出，两种织物的电阻在拉伸回复后还能恢复到原始大小，能够满足传感器重现性和稳定性的要求，可以用于心跳、呼吸等信号的测量。

2纬平针织物电阻影响因素分析

织物的电阻受纱线电阻、线圈纱段的转移、纱线间接触电阻等 3 种因素的影响。

纱线电阻随拉伸应变增加而增加，这与金属导体电阻定律相一致，纱线长度和横截面都为拉伸应变的函数，当应变增加时，纱线长度增加、横截面减小，相应地电阻增加。

图 7 表示由线圈转移引起的电阻变化，图 7（a）表示未受力拉伸时线圈的状态，图 7（b）表示横向拉伸后线圈的状态，图 7（c）表示纬平针织物的等效电路。RC表示纱线间接触电阻，RL表示线圈电阻。导电纤维针织物电路可以等效成各小段纱线电阻和接触电阻组成的串并联复杂电路，以下分别探讨线圈转移和线圈间接触电阻对织物电阻的影响。

探讨线圈转移对织物电阻影响时，可以先不考虑RC因素，则电路可等效为图 8，由于圈弧和圈柱在计算时可以近似相等，在图 8 中均用RLa表示。此时若横向拉伸，线圈中的圈柱部分向针编弧和沉降弧部分转移，针编弧和沉降弧电阻RLa将增大，而圈柱电阻RLb将会减小。由于镀银纱线的电阻为 0.516 Ω/mm，圈柱及针编弧和沉降弧的长度本身很短，因此线圈转移引起各纱段长度的变化非常小，经过复杂的串并联电路后，其结果将会很小，对织物电阻变化的影响不明显。

由于受外加张力影响，线圈间摩擦力f增加，纱线间接触面积变大，接触压力也变大。根据接触电阻理论，影响接触电阻的因素可用公式来表达；式中为材料的电阻率，n为接触点的数目，P为接触压力，H为接触材料的硬度。当织物受到拉伸时，材料的电阻率和硬度H可视为常数，接触点的数目n和接触压力P都增大，因此接触电阻RC将随应变的增加而下降，由此可推断织物的传感机理主要是由于拉伸过程中纱线间接触电阻的变化引起。

3结论

比较这 4 种导电织物的灵敏度可以看出，竖条纹双罗纹针织物最大，横条纹双罗纹针织物次之，镀银纱纬平针织物最小。在弹性织物中，织物的电阻先随伸长的增加而增加，在超过织物的弹性范围后，表现出非弹性织物的特性，随着伸长的增加而减小。比较双罗纹织物电阻重复性可以看出，在拉伸回复后电阻还能恢复到原始大小，可以满足传感器重现性和稳定性的要求，用于心跳、呼吸等信号的测量，开发对人体的心肺功能进行长时间、高舒适、不分昼夜监测的传感器。

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注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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