宏彎光纖應變傳感經編織物的設計

楊 昆， 王飛翔， 張 誠

(1. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387； 2. 天津工業大學 電子與信息工程學院， 天津 300387)

宏彎光纖應變傳感經編織物的設計

楊 昆1， 王飛翔1， 張 誠2

(1. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387； 2. 天津工業大學 電子與信息工程學院， 天津 300387)

為開發一種利用宏彎原理測量人體呼吸和心跳的光纖傳感織物，設計了以棉紗編織的經絨斜為地組織，以直徑為1 000 μm的聚合物光纖為襯緯紗的經編襯緯復合織物。通過光纖彎曲實驗研究了光纖彎曲曲率半徑與光信號衰減之間的關系，確定了襯緯光纖的初始彎曲曲率半徑為10 mm，選擇傳感循環單元數為2；通過比較分析雙梳經編織物組織的特點，確定了傳感織物的地組織。在此基礎上設計了織物墊紗運動圖和線圈密度，并在手動經編小樣織機上編織出傳感織物；最后對這些織物進行了測試。結果表明，傳感織物可通過電壓值變化的形式反映出拉伸過程中光信號相對于織物形狀的變化。

宏彎原理； 光纖； 經編； 襯緯紗； 傳感織物

隨著社會進步和科技發展，紡織品除了御寒、保暖和美觀的作用，其功能性和智能性得到了人們越來越多的關注[1]。智能紡織品指基于紡織基礎，結合電子、醫學、計算機、物理、化學等多學科綜合開發的紡織品，具有感知環境變化的功能性[2-4]。在過去的幾十年中，智能紡織品被廣泛應用在土木工程[5]、交通運輸[6]等工業領域，現在也越來越多地被應用到醫用領域[7]。目前，許多國家的研究人員都開展了關于可持續監測人體生理參數產品的研究，相繼開發出可通過1個或多個傳感器監測呼吸運動、心臟活動、脈搏血氧飽和度等生理指標的可穿戴智能紡織品[8-9]。這些智能紡織品的感應元件大都是電子傳感器，在具有輕薄、柔軟，可遠距離測量等優點[10]的同時，也存在著工作中放熱、放電，易產生電磁反應等弊端[11]。近些年來，光纖傳感器因其在使用時靈敏度高、動態響應范圍大、抗電磁干擾性能突出等優點[12]逐漸受到了人們的重視，其與紡織品的結合已成為研究熱點。

光纖智能紡織品將光纖傳感器與紡織品有機結合。光纖傳感器按照光波在光纖中被調制的原理可分為強度、相位、偏振態和波長調制型等形式[13]。基于宏彎原理的光纖應變傳感器屬于強度調制型傳感器，其主要優點是成本低，嵌入方式簡單，可連續監測[14]等。目前大多數宏彎傳感器采用縫紉、黏貼的方式將光纖嵌入到彈性基底織物上，光纖與織物沒有構成相對統一的整體，是2個分別獨立的部分，其制作工藝復雜，耗時大，并且穿著時舒適性較差。本文研究經編光纖宏彎應變傳感器的編織與測試，將光纖作為編織組分織入織物中，使之與織物形成一體，織物不僅起到了原有基底可拉伸的作用，還起到了固定光纖的限位作用。這種方法既可一步制成傳感織物，有利于實現產業化，還可提高穿著舒適性，滿足智能服裝對穿著的基本要求，適應其在醫用監測領域的發展。

1 研究思路和工作原理

1.1 設計思路

圖1 襯緯紗形狀Fig.1 Shape of weft insertion yarns

本文設計采用經編局部襯緯的方式實現光纖宏彎傳感織物的制作，以光纖作為襯緯紗，按照半圓接半圓(2個半圓相切)的圖案設計，形狀如圖1所示，將其襯入經編地組織中，實現織物的傳感作用。

1.2 原 理

宏彎指的是光纖彎曲的曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲，其引起的附加損耗為宏彎損耗，在實際應用中表現為纏繞、曲折等宏觀彎曲導致的損耗[15]。宏彎傳感器是利用光纖中傳播模全反射條件因待測物理量而受到影響，部分能量在彎曲段從側面逸出，使光纖中的光通量減少。通過檢查光能量的變化，測出相應的物理量，即環境影響的調制可轉化為光纖宏彎損耗的形式。如果光纖的彎曲曲率半徑小于臨界值，傳輸信號的損耗會急劇增加，這樣就可得到相對敏感的宏彎光纖傳感器。

當光纖在織物中被拉伸時，發生如圖2所示的弧a→弧b形變。(O0為弧a圓心，O為弧b圓心)對于一個傳感單元來說其在織物中的總長度不變，即傳感單元的弧長不變。

圖2 傳感單元形狀變化Fig.2 Change in shape of sensing unit

由此可得到

(1)

式中：R0為初始傳感循環單元半徑；R為拉伸后傳感循環單元半徑；β為拉伸后傳感循環單元的弧對應的圓心角。

在△AOB中，

(2)

式中：△L為拉伸變化量。

由式(1)、(2)聯立可得

(3)

通過式(3)可得出拉伸長度變化量與初始傳感循環單元半徑和拉伸后傳感循環單元半徑之間的關系。

按照D.Marcuse的理論[16]，當彎曲半徑為R時，光纖的彎曲損耗系數α為

(4)

式中：μ、W分別為徑向歸一化相位常數和徑向歸一化衰減常數；λ為軸向傳播常數；V為歸一化頻率；km為m階修正貝塞爾函數；a為纖芯半徑；em=2(m=0),em=1(m≠0)。

通過式(4)可看到，光纖彎曲引起的損耗依賴于彎曲半徑、纖芯半徑和芯層、包層折射率。本文實驗在光纖種類相同的前提下，主要研究彎曲半徑對彎曲損耗的影響，彎曲半徑隨光纖拉伸長度發生變化，測試電路中彎曲損耗的直觀表現為電壓值的改變，實驗通過比較一定拉伸長度下電壓值的變化來對光纖損耗做出評價。

2 傳感織物的準備

2.1 紗線準備

2.1.1 襯緯紗原料

由于聚合物光纖與傳統玻璃光纖相比，具有良好的柔韌性和彎曲性[17-18]，所以選擇聚合物光纖作為襯緯紗線。本文實驗選用江西大圣有限公司生產的D1000、D750、D500 3種型號光纖，具體參數如表1所示。

表1 襯緯紗參數

2.1.2 地組織編織紗線原料

地組織選擇普通棉紗原料，前梳采用白色棉紗，線密度為20.0 tex，針數為40針；后梳采用粉色棉紗，線密度為25.0 tex，針數為40針。

2.2 織物準備

2.2.1 地組織選擇

為編織簡便，地組織在經編常用組織結構中選擇，經絨斜組織為雙梳組織，織物較單梳織物厚實，穩定性好[19],前梳進行經斜墊紗運動，后梳進行經絨墊紗運動，避免了雙經平組織脫散的缺陷，且該組織織物比經絨平、經平斜織物柔軟，具有良好的延伸性，前后梳反向墊紗時，織物結構較為穩定，適宜作為襯入光纖的地組織，所以選取經絨斜組織為地組織。

2.2.2 編織方案

1)經絨斜地組織墊紗數碼為前梳4-5/1-0//，后梳1-0/2-3//，在經編上紗線排列方式見2.1.2小節。

2)根據測試，該傳感單元半徑范圍為10～18 mm，由于織物在測試過程中只能被拉伸，不能被壓縮，所以選擇10 mm作為光纖的初始彎曲半徑。

3)將傳感單元量化到織物中，具體的計算方法為：測量并計算織物的橫密為7縱行/cm，縱密為6橫列/cm；按照織物橫密縱密畫出網格，在其中取半徑為10 mm的圓，對于以曲線襯入織物中的光纖，應盡量使每半個傳感循環的曲線接近半圓，根據其所占網格確定光纖的墊紗數碼為8-8/15-15/16-16/17-17/18-18/19-19/19-19/18-18/17-17/16-16/15-15//。

2.2.3 編織設備

編織設備采用實驗室自制的經編小樣機[20]，機號E12，手動操作。

2.3 測 試

2.3.1 襯緯紗測試

2.3.1.1 單圈彎曲測試 首先對3種光纖分別作單圈彎曲測試。由于1個傳感單元為2個半圓弧，在實驗具體操作過程中，用一個圓弧即光纖彎曲1圈來表示1個傳感單元。在光纖未彎曲之前，利用數 字萬用表測試了初始輸出電壓作為參考電壓，然后每次將光纖以不同的半徑彎曲成圓圈狀并固定在亞克力測試平臺上，使用IF E91D為光纖提供光源，利用如圖3 所示的實驗裝置，再次測量輸出電壓，每種光纖做3次實驗，取平均值作圖，通過對比結果，找到最適合做襯緯紗的光纖。

2.3.1.2 襯緯紗彎曲半徑確定 針對實驗所用光纖，測試其在拉伸應變時反應最敏感的半徑范圍。由以上實驗確定其初始曲率半徑值，選擇的步長值小于之前實驗的步長值(步長為1 mm)，測量其在不同曲率半徑下的電壓損耗，以確定最敏感半徑范圍。

2.3.1.3 傳感單元個數的確定 以1個光纖彎曲圓圈作為一個傳感單元，利用如圖4所示的測試裝置，增加傳感單元個數，分別重復上述實驗3次，取平均值，得到傳感單元個數與傳感器靈敏度之間的關系，確定傳感單元個數。

圖4 確定傳感單元循環數的實驗裝置Fig.4 Test equipment for determining number of sensing unit

2.3.2 織物拉伸測試

光纖宏彎傳感織物編織完成后，對其進行拉伸，測試傳感信號的變化，檢測光纖作為襯緯紗織入織物后的傳感特性。在圖3所示的測試裝置的基礎上，將2個方形亞克力測試平臺換成平移臺，將織物兩端分別夾持在固定平移臺和電動平移臺的的兩側，對織物進行拉伸測試(如圖5所示)，用Lab View數據卡收集拉伸過程中的動態電壓。

圖5 動態電壓測試裝置Fig.5 Test equipment for dynamic voltage

3 結果及分析

3.1 光纖襯緯紗測試結果

圖6示出單圈光纖在不同彎曲曲率半徑的電壓值，圖7示出由彎曲引起的損耗隨不同曲率半徑的變化關系。由于D1000光纖較粗，抗彎剛度大，當半徑為2.5 mm時，會發生不可恢復性的破壞，因此圖6中D1000的起點為5 mm。從圖6、7可知，在相同彎曲曲率半徑變化范圍內，D1000所測電壓的絕對數值和電壓損耗值較D750和D500更明顯，所以本研究選擇D1000作為襯緯紗原料。

圖6 單圈光纖在不同彎曲半徑下電壓Fig.6 Output voltages at different curvature radius of single sensing unit

圖7 單圈光纖隨曲率半徑變化引起的電壓損耗Fig.7 Voltage loss resulting from change of curvature radius of single sensing unit

由圖7可知，D1000彎曲曲率半徑在5～20 mm之間引起的電壓損耗明顯，實驗選擇對拉伸應變反應最敏感的半徑范圍，所以初始半徑從20 mm開始逐漸減小，步長為2 mm，測量其在不同曲率半徑下的電壓損耗，測量結果如圖8所示。由此可知傳感單元曲率半徑在10～18 mm時，電壓變化最明顯，因此實驗選擇的傳感單元半徑為10～18 mm。

圖8 光纖傳感單元半徑與傳感電壓的關系Fig.8 Relationship between curvature radius of sensing unit and output voltage of optical fiber

在確定傳感單元個數實驗中，得到圖9所示結果，由此可知隨著傳感單元個數的增加，電壓變化也隨之變大，增加傳感單元個數，可增加光纖宏彎傳感器靈敏度。

圖9 不同傳感循環數與傳感電壓的關系Fig.9 Relationship between number of sensing unit and output voltage of optical fiber

3.2 傳感織物測試結果

在經編小樣機上編織襯緯經絨斜織物，得到的編織成品如圖10所示。織物拉伸長度與傳感電壓的關系如圖11所示。

圖10 織物成品Fig.10 Fabric sample. (a) Face side; (b) Reverse side

圖11 拉伸長度與傳感電壓的關系Fig.11 Relationship between fabric elongation and output voltage

3.3 測試結果分析

通過上述實驗可知，在纖芯半徑和芯層、包層折射率固定時，光纖的彎曲損耗主要與曲率半徑有關，曲率半徑在一定范圍內增加，光纖的彎曲損耗會減小，曲率半徑在一定范圍內減小，光纖的彎曲損耗會增加。隨著傳感循環個數在一定范圍內的增加，光纖的彎曲損耗相應增加。

經絨斜襯緯宏彎傳感織物中，通過改變襯緯紗的墊紗數碼可改變宏彎結構單元的曲率半徑，在拉伸過程中，隨著拉伸長度的變化，地組織產生形變，傳感單元的半徑發生改變，從而導致傳感電壓發生明顯變化，由此可知經編宏彎傳感器所測電壓值與拉伸長度正相關。

4 結 論

本文研究通過采用經編局部襯緯組織(經絨斜作為地組織，光纖作為襯緯紗線)設計，實現了宏彎傳感器與織物的一體成型，并通過了拉伸測試，證明該傳感器對拉力敏感。該設計不僅兼具光纖的傳感特性和織物的性能特點，而且加工制作工藝簡單，便于實現量產。

經編光纖宏彎應變傳感織物有利于將光纖集成到服裝中，從而制作成智能服裝，用于人體生理指標的檢測。在此研究的基礎上，還可將人體生理監測進一步完善，實現對呼吸、肘部彎曲、膝部彎曲等生理參數的監測，為人體健康監測工作和智能服裝領域提供更多的方法。

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Design of warp knitted strain sensing fabric based on optical macro-bending sensor

YANG Kun1， WANG Feixiang1， ZHANG Cheng2

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China；2.SchoolofElectronicandInformationEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to develop an optical macro-bending sensing fabric to detect respiration and heartbeat of human body, a warp knitted sensing fabric was designed by using a combined structure in which locknit stitches were knitted with cotton yarns and adopted as a ground structure, and optical fiber with a radius of 1 000 μm was used as the inlay yarn. The relationship between the bending curvature radius of the optical fiber and the loss of its optical signal output was investigated by experimental method. 10 mm and 2 cycles were determined as the initial curvature radius of the optical fiber and the number of sensing unit, respectively. Then, the properties of two guide bar warp knitted structures were compared and analyzed, and the modified Sharkskin structure was chosen as the ground structure of sensing fabrics. Based on them, lapping diagram and stitch density were designed, and the sensing fabrics were produced on a hand driven warp-knitting machine. Finally, these fabrics were tested, and the results show that the optical signal changes can effectively reflect the change of the fabric shape by means of voltage changes in the stretching process.

macro-bending sensor; optical fiber; warp knitting; weft insertion; sensing fabric

10.13475/j.fzxb.20160904806

2016-09-20

2017-03-21

國家自然科學基金青年基金項目(61307094)；天津市高等學校科技發展基金項目(20140713)

楊昆(1967—)，男，副教授。主要研究方向為智能紡織品、新型紡紗技術和針織物。E-mail:tjkyang@126.com。

TS 186.9； TS 106.5

A