基于針織的肘部彎曲傳感器傳感性能研究

劉嬋嬋　繆旭紅　李煜天

摘要：為了運用針織導電織物作為柔性傳感器來測試肘部彎曲度，對不同工藝條件下的導電織物進行了傳感性能測試，以期獲得最佳織物工藝.針對不同原料、組織和織物密度設計了三因素三水平正交實驗，在圓機上織制了9種規格的導電織物并制作成袖套，測試了人體實際穿著時肘部彎曲過程中導電織物電阻的變化，采用多指標極差法和SAS方差法綜合分析了9種導電織物的線性度、穩定性和靈敏度。實驗結果表明，影響傳感性能的因素從大到小順序為原料、組織、織物密度，地紗原料的彈性對各傳感性能影響最大，所以可以優先選擇改變原料的彈性來調整傳感器的傳感性能。

關鍵詞：緯編;柔性傳感器;導電織物;傳感性能;肘部彎曲

中圖分類號：TS184.4

文獻標志碼：A

文章編號：1001-7003（ 2019） 12-0016-06

引用頁碼：121103

隨著智能紡織品的快速發展，以紡織品為基底的可穿戴傳感器[1-2]的研究受到越來越多國內外學者的關注。根據不同的原理，將傳感器嵌入到服裝的不同部位可以檢測人體不同部位、不同狀態下的活動參數[3]，有助于穿著者感受自己活動的節奏并且找到適合自身的運動方式，在活動時肘關節是人體彎曲程度最大的關節之一[4]，因此肘關節運動信息的收集整理對人體運動健康領域的研究起著至關重要的作用。針織柔性應變傳感器感應的機理是，在外力的作用下織物變形從而引起其電阻發生相應的改變[5]。國內外許多學者已對電阻式應變傳感器的電力學性能進行了大量的研究，但其研究僅限于織物在單軸向力的作用下其電學性能的變化[6-7]。而要將導電織物嵌入到服裝中，在人體穿著服裝時，服裝所受的力多為平面多向的拉伸力或剪切力及三維方向上的彎曲或拉伸力[8]，因此僅研究導電織物在單向力作用下的電學性能并不能反映實際情況。

本文選擇鍍銀錦綸紗編織導電區域，錦氨包覆紗、錦綸、氨綸裸紗編織非導電區域，制備了設有針織柔性傳感器的袖筒。由于鍍銀錦綸紗不僅具有良好的導電性而且織成織物后人體在穿著過程中不會出現像穿著金屬絲編織而成的服裝等不適感，由于錦氨包覆紗和裸氨具有一定的彈性并且導電織物的傳感性能與其基底織物的力學性能有著密切的關系，所以選擇具有彈性的紗線來編織導電區域的底部。通過人體手臂實際穿著后進行肘關節彎曲電阻測試，針對導電織物的基底原料、組織結構、織物密度對傳感性能的影響，設計了3因素3水平的正交實驗，分別測試了線性度、靈敏度和穩定性，最后優選出各性能最佳的工藝，從而為關節柔性傳感器的設計與開發提供參考。

1 實驗

1.1 材料與設備

材料：鍍銀錦綸紗（ 83. 33 dtex/24 f）（蘇州秦克銀纖維有限公司），錦氨包覆紗（77. 78 dtex/24 f）、錦氨包覆紗（ 100. 00 dtex/24 f）、錦綸（100. 00 dtex/24 f）（海安四達線帶廠），氨綸裸絲（44. 44 dtex）（廈門力隆氨綸有限公司）。

設備：VICTOR4105A型低電阻測試儀（深圳勝利儀器），電子角度測試儀（盛泰芯電子科技有限公司），軟尺（得力集團有限公司），SM8-TOP2MP2無縫針織機（意大利Santoni公司）。

1.2樣品制備

實驗樣品選擇在E28筒徑15 inch（ 38.1 cm）的SM8-TOP2MP2無縫針織機上進行制作，而TOP2在生產織物時地紗和面紗可以同時參與編織，為避免人體穿著導電織物時與身體直接接觸所以選擇非導電紗線作為地紗，TOP2無縫內衣機分為8路，每一路分別穿有鍍銀錦綸、錦氨包覆紗和錦綸，其中僅2、6路穿有裸氨。為了探究不同原料的地紗、不同組織結構、不同織物密度的導電織物作為傳感器的傳感性能，設計了以地紗原料、組織結構、織物密度作為3個因素，各因素有3個水平安排3因素3水平的正交實驗（表1）。對不同組織結構的織物進行線圈模擬，如圖1所示。其中：紅色代表導電紗線，白色代表非導電紗線。

1.3傳感性能的測試與表征

1.3.1測試方法

針織柔性傳感器傳感性能的好壞評價標準主要取決于靈敏度、線性度、穩定性[9]等。為了優選出傳感性能較好的針織柔性傳感器，本實驗采用人體穿著導電織物進行測試不同的工藝參數編織正交實驗設計的9種不同的針織柔性傳感器，然后選擇靈敏度、線性度和穩定性綜合評價其傳感性能，最后選擇最合適的工藝搭配來制備可以檢測肘關節運動的針織柔性傳感器（圖2）。

實驗步驟如下：

1）由于針織柔性傳感器較為靈敏，為盡可能保證實驗的精確性，選擇溫度（23±2）℃、相對濕度（65%±3%）、風速小于1m/s的安靜室內進行實驗。

2）以女性為研究對象，選擇身高162～167 cm、體重50—58 kg、年齡22～ 27歲的30位女性為被測試者。被測者穿著設有導電區域的無縫袖筒在室內休息10 min以適應實驗環境。

3）被測者直立坐在凳子上，實際測試如圖2所示，手臂完全伸直，用VICTOR4105A型低電阻測試儀和軟尺分別測試此角度下的電阻值和導電織物尺寸。為保證測試的準確性，軟尺在人體表面進行測試松緊度適量并盡量保持一致，讀數時視線應垂直刻度線，不可斜視，每個人每個角度下數據測試3次，取平均值。

4）用電子角度測試儀測試手臂能彎曲的最大角度為140°。

5）隨著手臂外側從完全伸直完全彎曲，以20°為增量測試每一對應角度下導電區域的電阻值和尺寸變化。

6）測試手臂完全伸直一完全彎曲1次電阻差值與第100次完全伸直完全彎曲電阻差值。

1.3.2線性度表征

根據以上實驗測試結果，做出手臂從0°彎曲到140°的角度 電阻之間的關系，然后對函數進行線性擬合，得出相應的線性度R2，其數值越大說明擬合的函數線性度越好。

1.3.3穩定性表征

測試手臂完全伸直一完全彎曲1次電阻差值與第n次完全伸直完全彎曲電阻之間的關系來表示導電織物的穩定性。本文測試手臂穿著針織柔性傳感器彎曲100次電阻差值與第1次彎曲電阻差值之間的關系用δ表示穩定性，δ越小說明傳感器的穩定性越好。式中：ARn為第100次完全彎曲與完全伸直電阻差值，AR為第1次完全彎曲與完全伸直電阻差值。

1.3.4靈敏度表征

從各種實際應用的角度來看，靈敏度是傳感器的一個重要問題，為了全方位地檢測人體運動，傳感器應該足夠敏感，以檢測微小的應變。測試了導電織物拉伸到50%時，電阻的變化情況。GF通常是定量評價傳感器的拉伸敏感度[10]，其定義是電阻的變化與長度的變化率之比，即式中：ε為應變：R為拉伸狀態下電阻;Ro為自由狀態下電阻。

GF值越大說明織物的靈敏度越好，反之GF越小織物的靈敏度越差。

2結果與分析

2.1 正交實驗直觀結果分析

采用實驗方案制作的樣衣進行實驗，測試結果和多指標正交實驗極差法分析見表2。

通過以上9組實驗直觀結果可知，不同水平不同因素的工藝編織而成的導電織物其線性度、穩定性和靈敏度之間存在較大的差異。實驗1和2線性擬合度較差，實驗1、2、7穩定性較差，實驗1的靈敏度與其他8組試驗差距較大。表2體現了正交實驗極差分析結果，其中R代表線性度、穩定性、靈敏度的極差值。通過極差分析得到不同因素水平對不同結果的影響趨勢，做出了線性度，穩定性和靈敏度的效果圖如2.2中的圖3、圖4、圖5所示。正交實驗的效果圖均以A、B、C三個因素作為橫坐標，A1、A2、A3;B1、B2、B3;C1、C2、C3分別代表表l中不同因素下的水平。

2.2傳感性能分析

2.2.1線性度分析

根據表2正交實驗直觀結果，做出正交實驗各指標在不同因素條件下的線性度效果圖，如圖3所示。

由圖3可以看出，在給定的參數范圍內，隨著導電織物地紗原料彈性的增加導電織物的線性度也隨之增大，這是由于紗線彈性的增大使得線圈之間的串套更緊密，賦予了線圈接觸點處更大的摩擦力，在彈性范圍內導電織物拉伸變形中電阻的變化量較均勻，從而呈現出較好的線性度：對于組織結構而言，隨著線圈之間的覆蓋越來越緊密其線性度越好，并且平針添紗結構與假羅紋結構的線性度差異較大，電阻的變化引起了線性度的變化。導電針織物在拉伸過程中引起電阻變化主要包括2部分：首先是彎曲部分紗線被拉伸成直線導致電阻的變化，接下來直線部分開始伸長引起的電阻變化。而假羅紋組織存在線圈的覆蓋，受到外力時首先是隱藏的線圈被露出然后是串套的線圈圈柱、圈弧、沉降弧之間的相互轉移，最后才由紗線本身來承擔外力的作用。因此對于假羅紋結構而言，引起電阻變化主要發生在彎曲線圈被拉伸成直線部分不會引起其電阻的突變，假羅紋結構的導電織物其線性度相對較好。隨著織物縱橫密的增加，線性度呈現先增大然后下降的趨勢。從圖3還可以看出，不同因素對線性度影響的主次順序為：B>C>A，當采用A2B3C2工藝時傳感器的線性擬合度最好。

2.2.2穩定性分析

根據表2正交實驗直觀結果，做出正交實驗各指標在不同因素條件下的穩定性效果圖，如圖4所示。

由于穩定性的指標越小對于傳感器而言其穩定性越好，從圖4可以得出，不同因素對穩定性影響的主次順序為：A>C>B。隨著導電織物地紗原料彈性的增加導電織物的穩定性也越來越好，主要是因為彈性較大的紗線編織的織物在多次穿著過程中不易變形，相比于彈性較小的紗線而言在變形后能較快地恢復，所以其電學性能也較穩定。隨著織物密度的增加，穩定性先是變好然后變差，說明在一定范圍內增大織物的密度可以改善傳感器的穩定性。從圖4還可以看出，當傳感器采用A2B2C2的工藝來編織傳感器時其穩定性最好。

2.2.3靈敏度分析

根據表2正交實驗直觀結果，做出正交實驗各指標在不同因素條件下的靈敏度效果圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，不同因素對靈敏度影響的主次順序為：B>A>C，因素A和因素B對傳感器靈敏度影響較大，織物密度對傳感器靈敏度影響較小。并且使用彈性最小的紗線編織而成的密度最小的平針添紗結構的靈敏度最好（A1B1C1），這是因為彈性和密度較小的平針添紗結構在拉伸過程中易變形，由紗線本身變形來承擔外力的作用較大從而引起相應的電阻變化也較大，所以傳感器表現最靈敏。

2.3正交實驗綜合分析

采用極差分析法雖然可以得到每個指標的影響次序，但是無法得到不同因素不同水平對各指標的綜合影響，故利用SAS編程對正交實驗各因素下各指標進行方差分析結果，如圖6所示。

從圖6結果可以看出，A、B、C各因素對各指標均有影響，影響因素順序從大到小為原料>組織結構>織物密度，即導電織物地紗原料的選擇對針織柔性傳感器各傳感性能有較大的影響，所以后續編織針織柔性傳感器時，導電織物地紗原料的選擇尤為重要。從以上對正交實驗效果圖的分析結果得出，A因素對δ屬于主要因素，對R2、GF屬于次要因素?？疾炱鋵2、δ、GF指標的影響可知，因素A對R2、δ取第2水平最佳，對GF取第1水平最佳，若因素A取第1水平，R2、δ的數值變化率為530. 26%，若取第2水平GF的數值變化率為42. 40%，所以因素A應該選擇第2水平：因素B對R2、GF屬于主要因素，對δ屬于次要因素，考察其對R2、GF的影響，因素B對R2取第3水平最佳，對GF取第1水平最佳，若因素B取第1水平，R2的數值變化率為41. 78%，若因素B取第3水平，GF的數值變化率為14. 28%，所以因素B應該選擇第1水平最佳。因素C對R2、δ、GF屬于次要因素，顯然其選擇第2水平最佳，所以經正交實驗計算所得最優的上機工藝參數為：A281 C2。

3結論

根據不同工藝制備的針織柔性傳感器袖筒的測試結果得出，可將導電織物作為柔性傳感器來測試肘關節的彎曲狀態。通過多因素的正交實驗得出，不同工藝參數制作的導電織物其線性度、靈敏度、穩定性存在一定的差異。實驗結果表明，針對本實驗試樣肘關節處的針織柔性傳感器地紗原料采用77. 78 dtex/24 f的錦氨包覆紗和44. 44 dtex裸氨組合編織作為導電織物的基底，鍍銀錦綸紗采用平針添紗組織編織橫密85×縱密110的傳感織物其線性度、穩定性、靈敏度均較好。且影響各指標的因素從大到小的順序為原料、組織結構、織物密度。其中地紗原料的彈性對各傳感性能影響最大，即改變這個參數對傳感器的傳感性能將會產生顯著的影響，所以在其他條件一定的情況下，可以優先選擇改變原料的彈性來調整傳感器的傳感性能。

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收稿日期：2019-03-05;修回日期：2019-11-05

基金項目：江南大學白主科研重點項目（ JUSRP51625B）：中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目（ JUSRP51727A）

作者簡介：劉嬋嬋（ 1993—），女，碩士研究生，研究方向為針織產品設計與開發。

通信作者：繆旭紅，教授，miaoxuhong@163.com.