經編光纖傳感織物結構變化對光纖彎曲損耗的影響

楊 昆， 李美奇， 張 誠， 郭 溪

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

隨著新型材料與紡織技術的不斷發展和融合，用于監測生理參數[1-3]、壓力[4]和應變[5]等信號的智能傳感織物，在生物醫學、通信和航空等領域有著越來越廣泛的應用。其中，光纖傳感織物因具有抗電磁干擾、靈敏度高、安全和柔韌性好等特點，在可穿戴領域占有一定的優勢且受到許多研究人員的青睞[6-8]。機織結構挺括密實、透氣性和彈性較差，而針織結構具有良好的彈性、回復性和柔軟性等特點[9]，因此針織結構更適合作為光纖傳感織物的載體。目前，國內外關于針織結構光纖傳感織物的研究主要集中在實現光纖傳感器和紡織結構的整合方式上[10-12]，且大都基于緯編結構，對經編結構的研究較少。另外，傳感織物在實際使用的過程中會受到拉伸力或者其他外力作用，光纖也會受其影響發生彎曲，從而產生彎曲損耗[13-15]，直接影響了其傳感性能。

本文利用經編技術，將光纖作為襯緯紗線織入雙梳經編結構中，形成經編光纖傳感織物。分析織物在受到縱向拉伸力時，其織物結構變化的規律及其對光纖彎曲損耗的影響，并通過測試電壓值的變化來表征光纖中光信號的傳輸效果。

1 實驗部分

1.1 材 料

傳感織物由編織紗織造的地組織和光纖襯緯紗組成。襯緯紗選用江西大圣有限公司生產的直徑為1 000 μm的聚合物光纖，其最小彎曲半徑為 25 mm，傳輸損耗為210～230 dB/km。編織紗參數如表1 所示。

表1 編織紗參數

Tab.1 Parameters of knitting yarns

紗線編號種類顏色線密度/tex排列位置工作針數Y1棉紗紅色36.67前梳8Y2棉紗粉色33.33前梳34Y3棉紗黃色36.00前梳4Y4棉紗白色35.00后梳46

1.2 織 物

地組織為經平絨組織(前梳經絨墊紗，后梳經平墊紗)。采用粉色和白色紗線分別編織織物的主體，紅色紗線標示光纖襯緯紗的橫移范圍，黃色紗線標示布邊，各色紗線在每把梳櫛上的穿紗方式參見圖1。

圖1 編織紗的穿紗方式

Fig.1 Threading of knitting yarns

光纖以2個半徑為10 mm的半圓反向連接的形式(見圖2)襯入到地組織中，與地組織一起構成了傳感織物[16]。

圖2 傳感單元形狀

Fig.2 Shape of sensing unit

依據襯緯光纖的墊紗軌跡要求，結合織物線圈形態系數(線圈寬度和高度的比值，在數值上等于織物縱密和橫密的比值)，計算得出光纖襯緯紗的墊紗數碼:0-0/0-0/2-2/3-3/4-4/5-5/6-6/7-7/7-7/6-6/5-5/4-4/3-3/2-2/0-0/0-0//。

本文的傳感織物在實驗室的經編小樣織機[17]上編織。該機為單針床，機號E12，采用舌針。傳感織物樣品如圖3所示。可以看出襯緯光纖的墊紗軌跡，織物的上機寬度為95 mm，下機寬度為70 mm，橫向收縮率為26.3%，橫密值為7根/cm，縱密值為8根/cm。

圖3 經編光纖傳感織物成品(反面)

Fig.3 Warp knitted optical fiber sensing fabric(back side)

1.3 性能測試

1.3.1 線圈結構測量

將試樣織物水平放置，設置試樣初始夾持長度為2.5 cm，參照FZ 70002—1991 《針織物線圈密度測量法》，利用Z16APOA型Leica超景深三維顯微系統測量在縱向拉伸率為0%、10%、15%、20%和25%時試樣的線圈高度和寬度，選擇8個不同的位置測量，取平均值。

1.3.2 織物厚度測量

參照GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，利用YG141LA型織物厚度儀和42BYG250Bk-B型電動平移臺測量試樣厚度。設置電動平移臺拉伸總長度為20 mm，每次拉伸距離為2 mm，利用織物厚度儀測量每次縱向拉伸后的織物厚度，共5次，取平均值。壓腳面積為 2 000 mm2，加壓壓力為2 kPa，加壓時間為30 s。

1.3.3 傳感織物光性能測試

利用IF E91D型光源為試樣提供光信號，利用IF D91 PIN型光電探測器將檢測到的光信號轉化為電信號，并通過Lab View數據采集卡采集數據。利用dp1308a型電源為光源和光電探測器提供電壓。設置電源電壓為5 V，設置電動平移臺的額定工作頻率為3 000 Hz，拉伸總長度為20 mm，拉伸和回復總時間為60 s，分別采集拉伸回復60 s和拉伸回復20 mm過程中的電壓。

2 結果與討論

2.1 線圈結構和織物厚度

圖4 不同拉伸率下線圈高度、線圈寬度和延展線長度

Fig.4 Stitch height(a) and stitch width(b) at different stretch rates

光纖通過局部襯緯的形式襯入地組織中，實現了光纖與經編織物的結合，這樣既能將光纖“編入”織物中，又能獲得較為穩定的織物結構。圖4、5分別示出傳感織物縱向拉伸過程中地組織受到縱向拉伸時線圈結構和織物厚度的測量結果。可見，在對經平絨織物進行縱向拉伸時，隨著拉伸距離增大，織物線圈高度增大，而線圈寬度減小。織物厚度在拉伸過程中呈減小趨勢，回復過程中呈增大的趨勢。

圖5 織物厚度與拉伸長度的關系

Fig.5 Relationship between fabric thickness and stretch length

2.2 傳感織物光性能

圖6示出60 s內拉伸長度與輸出電壓的關系。可見，傳感織物在拉伸回復60 s的過程中電壓表現為先減小后增大的周期性循環。電壓值波峰波谷出現的時間和拉伸回復時間基本吻合。進一步分析拉伸回復20 mm過程中電壓值變化規律(見圖7)發現：傳感織物在拉伸過程中電壓呈減小的趨勢，當電壓減小到一定程度后趨于平穩；在回復過程中，電壓呈先增大后減小的趨勢。

Fig.6 Relationship between stretch length and output voltage within 60 s

Fig.7 Relationship between stretch length and output voltage within 20 mm. (a)Stretch;(b)Recovery

假設在拉伸過程中，光纖只產生了宏彎損耗[18]，那么隨著拉伸距離增大，光纖彎曲半徑增大，宏彎損耗減小[19]，電壓應呈現逐漸增大趨勢，這與實際測試結果不符，因此推斷在拉伸回復過程中，光纖所產生的損耗不僅只有宏彎損耗。

當傳感織物受到縱向拉伸力時，織物結構改變，由于受到拉力和線圈的擠壓，襯緯光纖隨之會在織物水平方向和厚度方向發生彎曲變形。水平方向表現為光纖彎曲半徑隨織物拉伸而增大，宏彎損耗減小。厚度方向上，為便于分析，將光纖在織物中的形態進行簡化處理，并假設光纖未被拉伸時不受外力作用為直線狀態，光纖和棉紗橫截面為均勻光滑的圓形。對于一個線圈單元來說，光纖在織物中的狀態如圖8所示。當拉伸傳感織物時，假設襯緯光纖和編織紗的直徑不變，從織物截面方向(見圖9)可看出，襯緯光纖受到來自織物正面線圈(F1，F2)和反面延展線(F3)的外力作用，由原來的直線狀態變成微彎狀態。

圖8 光纖在織物中的形態模擬

Fig.8 Morphology simulation of optical fiber in fabric

圖9 拉伸時織物截面圖

Fig.9 Sectional view of fabric during stretching.(a)Unstretched; (b) Stretched

當傳感織物在受到縱向拉伸力時，織物厚度減小，擠壓光纖，造成光纖產生極小的微彎。根據微彎損耗理論可知，微彎個數和微彎凸起的高度與微彎損耗成正比[20]。地組織延展線和圈干交叉點越多，微彎個數越多；拉伸作用力越大，織物對光纖的擠壓作用越大，微彎凸起的高度越大，因此拉伸過程中產生的微彎損耗越大，電壓越小。由此可知，在對傳感織物進行縱向拉伸時，宏彎和微彎相互作用，若宏彎作用大于微彎作用，電壓則呈現增大趨勢；若微彎作用大于宏彎作用，電壓則表現為減小趨勢。對于本文傳感織物，拉伸回復過程中，電壓先減小后增大，說明拉伸時產生的微彎作用大于宏彎作用。這是由于經平絨地組織較為厚實，延展線較長，對光纖的束縛力較大，產生的微彎損耗也越大。

3 結 論

本文將光纖作為襯緯紗線織入以經平絨為地組織的經編織物中，形成了經編光纖傳感織物，并對其施加縱向拉伸力，分析了織物結構變化規律和光纖彎曲損耗對傳感織物光信號傳輸效果的影響。傳感織物在縱向拉伸過程中，織物厚度減小，織物對光纖產生擠壓從而造成光纖微彎。拉伸時，宏彎和微彎損耗相復合，若宏彎損耗起主導作用，則表現為電壓增大；若微彎損耗起主導作用，則表現為電壓減小。光纖的彎曲損耗還受很多因素的影響，同時這些因素也影響了光纖的其他性能，本文雖然簡化這些影響因素，但在實際應用和研究中應該統籌考慮各種影響因素，使光纖傳感織物達到更好的效果。

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