基于信息纖維的柔性傳感器理論與應用研究

馬明毅

摘要 本文主要分析研究基于信息纖維的柔性傳感器理論及應用，通過對信息纖維和柔性傳感器進行簡要概述作為根本出發(fā)點，分別從材料形變電阻效應、材料形變電容效應、織物線圈互感效應等方面論述基于信息纖維的柔性傳感器理論，之后嘗試以智能服裝系統(tǒng)為例，簡單探究基于信息纖維的柔性傳感器應用，以便能夠有效幫助人們加深對柔性傳感器的理解與認知。

關(guān)鍵詞 信息纖維；柔性傳感器理論；應用

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2016）14-0055-02

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展水平不斷提高，科學技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，我國也迎來智能化、現(xiàn)代化、信息化時代，在此背景之下，各行各業(yè)均朝著智能化、現(xiàn)代信息化的方向發(fā)展，服裝領(lǐng)域也不例外。為了能夠有效增強服裝的智能性，更好地滿足人們對于服裝的智能需求，科研人員加大了相關(guān)方面的研究力度，通過結(jié)合基于信息纖維的柔性傳感器理論并將其運用在服裝當中，為我國服裝行業(yè)的發(fā)展進步增添了濃墨重彩的一筆。

1信息纖維與柔性傳感器的簡要概述

1.1信息纖維

信息纖維是一種重要的信息功能材料，而所謂的信息功能材料指的就是能夠為獲取、傳輸、顯示和處理材料提供必要服務的相關(guān)材料，譬如說各種半導體材料、光電子材料、傳感器材料等等，而在信息功能材料當中其外觀呈現(xiàn)出細長纖維狀的材料也就是信息纖維。而在現(xiàn)階段的傳遞媒介當中以光、電為主，因此運用在傳感器當中的信息纖維也主要以光導纖維、導電纖維、磁性纖維為主。

1.2柔性傳感器

柔性傳感器與普通傳感器最大的區(qū)別體現(xiàn)在“柔性”二字上，即柔性傳感器具備材料柔軟容易變形，模量比較低等特性。根據(jù)不同的用途，柔性傳感器也有著多種多樣的類型和種類，比如說用于調(diào)節(jié)溫度的柔性溫度傳感器、能夠產(chǎn)生壓力的柔性壓力傳感器，材料易發(fā)生形變的柔性形變傳感器等等。從感知機理的角度出發(fā)，柔性傳感器也可分成電阻式、電容式、電感式等多種模式；而從外觀的角度出發(fā)，柔性傳感器又可以被細分為現(xiàn)狀外觀、面狀外觀、立體狀外觀等各種形態(tài)和類型的柔性傳感器。

2基于信息纖維的柔性傳感器理論

2.1材料形變電阻效應

現(xiàn)階段，在基于信息纖維的柔性傳感器理論當中材料形變電阻效應是其中一項重要的理論，具體來說指的就是吸附在基體材料當中的金屬電阻應變片，跟隨著不斷產(chǎn)生形變的機械而改變相應電阻值的現(xiàn)象，通常人們也將其稱之為電阻應變效應。在材料形變電阻效應的理論支持下，各國設(shè)計師利用信息纖維中的導電纖維相繼設(shè)計出了電阻式柔性傳感器、針織應變傳感器等。

2.2材料形變電容效應

材料的形變電容效應也是基于信息纖維的柔性傳感器常用的一種重要理論。在材料形變電容效應的理論支持下，設(shè)計師嘗試使用導電纖維設(shè)計出了電容式柔性壓力傳感器并建立了與之相對應的電容網(wǎng)絡(luò)模型。在該柔性傳感器當中，兩根纖維相互交錯此時電容將不斷變大；還有設(shè)計師嘗試使用彈性中空纖維設(shè)計出柔性電容性觸覺傳感器，利用兩根相互交叉的纖維會產(chǎn)生電容變化為基礎(chǔ)，通過測量電容的變化用于檢驗纖維之間接觸壓力的大小。

2.3織物線圈互感效應

除了材料形變電阻效應與材料形變電容效應之外，織物線圈的互感效應也是基于信息纖維的柔性傳感器經(jīng)常需要運用的一項理論。而支撐互感效應的基本原理正是磁的耦合；通常意義下，只要同時有2個電流回路存在就會產(chǎn)生互感效應，其中1個電流回路會產(chǎn)生1個磁場并對第2個電流回路產(chǎn)生一定的影響，最后兩個電流回路相互影響。在織物線圈互感效應的理論下，檢驗容積變化變得更加容易。以織物線圈互感效應為設(shè)計理論，設(shè)計師設(shè)計了一款電感式應變?nèi)嵝詡鞲衅鳎瑫r建立了與之相對應的電感計算模型。

3基于信息纖維的柔性傳感器應用

3.1健康監(jiān)護服裝

健康監(jiān)護服裝主要是用于監(jiān)測人體以呼吸、脈搏、體溫、心跳等為代表的生命特恒和生理信息，以便隨時隨地了解人的身體和生理健康。健康監(jiān)護服裝主要由兩大部分組成，其一為緊身背心作為基體；另一部分則是在基體之上具有可拆卸性質(zhì)的生理信息檢測系統(tǒng)。其中生理信息檢測系統(tǒng)又被細分為3個部分，分別用于完成信息輸入、信息處理以及信息輸出。在信息輸入部分當中主要由兩個設(shè)置在基體內(nèi)側(cè)，與人體左胸和右胸相對應的柔性機織電極和同樣設(shè)置與基體內(nèi)側(cè)與人體胸部和腹部位置相對應的電阻式柔性應變傳感器以及一個位于基體腹部為止電阻式柔性溫度傳感器組成；而輸出和處理信息則交由一個能夠集獲取、轉(zhuǎn)換、發(fā)射傳感器信號等功能于一身的電路完成。

3.2電熱服裝

電熱服裝主要用于為服裝提供加熱和保溫功能，其主要設(shè)置包括一個馬甲基體以及一個可以對溫度進行有效控制的系統(tǒng)。其中溫度控制系統(tǒng)主要有由基體之上與人體左右前胸及后背位置相對應的3個電阻式柔性溫度傳感器和面狀電熱元件、一個與人體左前腹位置相對應的微控制器、以及一個電源構(gòu)成。為考慮人體的舒適程度和穿戴方便性，微控制器需要盡量控制其體積以及耗能情況，而在面狀電熱元件當中通常可以將電熱布作為元件。

3.3睡姿監(jiān)護服裝

睡姿監(jiān)護服裝顧名思義主要是用于監(jiān)測人體的睡姿情況并及時將其反饋給使用者。在睡姿監(jiān)護服裝當中主要由一個衣物基體和位于基體之上分別于人體前、后、左、右4個位置相對的電阻式柔性壓力傳感器組合而成。導電經(jīng)緯線相互交錯，同時緯線和經(jīng)線之間均使用并聯(lián)的連接方式，導電經(jīng)緯線之間的總體電阻也會隨著電阻式柔性壓力傳感器產(chǎn)生的壓力變化而變化。當人體穿著睡姿監(jiān)護服裝入睡并出現(xiàn)俯臥、側(cè)臥等睡眠姿勢時，對應部位的電阻式柔性壓力傳感器將會受到一定的壓力作用進而發(fā)生電阻變化，此時產(chǎn)生的電阻信號將通過信號轉(zhuǎn)換電路變?yōu)殡妷盒盘枺妷盒盘栐俳?jīng)由微控制器該轉(zhuǎn)換為睡姿信息，最后人體將由用于報警的電路、天線等獲知自身的睡姿信息。

3.4監(jiān)護軍服

監(jiān)護軍服主要用于軍事作戰(zhàn)當中，其主要由一個背心基體和位于基體之上具有可拆卸性質(zhì)的能夠用于檢測穿透信息的系統(tǒng)這兩大部分組成。其中可用于檢測穿透信息的系統(tǒng)主要是由位于基體之上且分別與人體的前、后兩大部位相對應的柔性穿透傳感器以及分別用于處理和輸出信息的部分組成。其中輸出和處理信息則交由一個能夠集獲取、轉(zhuǎn)換、發(fā)射傳感器信號等功能于一身的電路完成。當柔性穿透傳感器感受到子彈、刀片外力作用并被穿透時，與之相對應的導電經(jīng)緯線將直接變?yōu)閿嗦窢顟B(tài)；此時由信號轉(zhuǎn)換電路負責對全部導電經(jīng)緯線的狀態(tài)進行檢測，以便能夠準確得知處于通路狀態(tài)下的導電經(jīng)緯線對應區(qū)域是否全部為非穿透區(qū)域，處于斷路狀態(tài)下的導電經(jīng)緯線對應區(qū)域是否全部為穿透區(qū)域；最后能夠依據(jù)穿透區(qū)域的具體情況，對因外力作用產(chǎn)生的穿透區(qū)域的具體對應位置、面積大小等進行詳細確定。

4結(jié)論

總而言之，目前基于信息纖維的柔性傳感器在我國剛剛起步發(fā)展，還缺乏大量的知識理論作為重要的基礎(chǔ)保障，本文只挑選其中比較重要的3種理論進行簡單介紹。同時結(jié)合智能服裝系統(tǒng)，分別從健康監(jiān)護服裝、電熱訴狀、睡姿監(jiān)護服裝以及監(jiān)護軍服等方面對基于信息纖維的柔性傳感器的應用進行簡要分析。相信在不久的將來，柔性傳感器還將得到進一步的發(fā)展，屆時基于信息纖維的柔性傳感器也將得到更加深入廣泛的應用。endprint