針織間隔導電織物的壓力電阻傳感性能

王曉雷 繆旭紅 孫婉

摘要： 為了研究針織間隔導電織物的壓阻傳感性能，將鍍銀錦綸與錦綸/氨綸包覆紗在無縫成型內衣機上進行編織，制備了3種緯編導電織物，將其與經編間隔織物結合，測試并得到了電阻隨應變的變化規律，分析了導電區域面積及壓縮方式對電阻-應變傳感性能的影響。結果顯示：壓縮面呈平面時，壓縮過程分為電阻隨應變的增加先緩慢減小、再急速下降兩個階段;曲面壓縮時，壓縮過程分為電阻微弱減小、緩慢上升、急劇下降三個階段，其中曲面壓縮階段Ⅲ和平面壓縮階段Ⅱ均具有較好的線性度和靈敏度，且前者靈敏度優于后者;當傳感面積為35 mm×35 mm，且從織物橫列方向進行曲面壓縮電阻的測量時，傳感器的綜合傳感性能最佳。

關鍵詞： 間隔導電織物;針織;電阻傳感;壓縮;線性度;靈敏度

中圖分類號： TS181.9

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2020）04001705

引用頁碼： 041104

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.04.004（篇序）

Pressure resistance sensing properties of knitted spacer conductive fabrics

WANG Xiaolei， MIAO Xuhong， SUN Wan

（Engineering Research Center for Knitting Technology， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract：

In order to study the pressure resistance sensing properties of knitted spacer conductive fabrics， silver plating nylon and nylon/spandex covered yarns are knitted with seamless shaped underwear machine to make three types of weft knitted conductive fabrics， the weft knitted conductive fabrics are combined with warp knitted spacer fabrics for testing and figuring out the change rule of resistance with strain， and the effect of the conductive areas and compression modes on the resistance-strain sensing properties is analyzed. The results show that in the case of flat compression surface， the compression process is divided into two stages： the resistance decreases slowly with the increase of strain， and then decreases rapidly; in the case of curved compression surface， the compression process is divided into three stages： the resistance is reduced slightly， rises slowly， and falls sharply. Good linearity and sensitivity are achieved at stage Ⅲ of curved surface compression and stage Ⅱ of flat surface compression， and the sensitivity of the former is better than that of the latter. When the sensing area is 35 mm×35 mmand the compression resistance of curved surface is measured from the horizontal direction， the sensor achieves the best comprehensive sensing properties.

Key words：

spacer conductive fabrics; knit; resistance sensing; compression; linearity; sensitivity

收稿日期： 20190813;

修回日期： 20200323

基金項目： 湖北省紡織新材料及其應用國家重點實驗室資助項目（FZXCL2017013）

作者簡介： 王曉雷（1994—），男，碩士研究生，研究方向為針織智能紡織品的研究。通信作者：繆旭紅，教授，miaoxuhong@163.com。

近年來，國內外越來越多的學者開始研究智能紡織品，賦予紡織品諸多的新功能已成為一個較為熱門的課題，其中很重要的一種實現方式是將傳感器與紡織品進行柔性結合[1-2]。在壓力電阻柔性傳感器的相關研究范圍內，基本是通過機織物來實現，機織物柔性傳感器是由多層機織物和結構較為穩定的導電化學物質層復合而成的，工序繁瑣，其整體框架結構的組成不但比針織間隔織物復雜，而且所含化學物質較多，因此環保性也差。3D針織間隔織物具有優良的彈性、抗沖擊性，三明治的空間結構賦予其良好的透氣、透濕性，含有極少對環境有害的化學物質。雖然相比機織物，針織物具有諸多優勢，然而近年來的研究重點卻并不聚焦在針織柔性壓阻傳感器上[2-3]。究其原因，一是因為將傳感部位與間隔織物結合的組織設計方案具體實施起來較為復雜;二是因為針織物特殊的線圈結構，使得針織物組織的等效電阻模型的建立更為困難[4]。本文選擇針織間隔織物的另外一個重要原因是筆者后續的研究是以實現對人體坐姿、睡姿、走路狀態的監測作為最終目的，而3D針織間隔織物作為坐墊、襯墊類產品已經具有廣泛的應用市場，這對該壓阻傳感器以后的實際生產與應用有很大幫助。因此，本文希望通過參考相對成熟的機織物壓阻傳感器，來尋找針織間隔織物和壓阻傳感器結合的可行性。

通過總結前人的相關研究工作，發現柔性壓力電阻傳感器主要是以較小傳感單元組成的傳感器矩陣陣列的電阻變化為基礎，來反應生理活動的相關信息，因此需要設計不同的傳感單元的面積[5]，以確定合理有效的傳感尺寸。大部分學者在進行柔性傳感器的壓力電阻測試實驗時，采用了平板壓頭，但實際上球形壓頭才能更好地模擬人體部位與織物發生弧面接觸的日常情況。有學者將單根的導電紗線編結在經編間隔織物的表面，利用導電紗線自身的電阻-應變關系來反應經編間隔織物的表面形變程度，但是沒有將導電紗線編織成織物，并非直接利用織物結構組織的變化來測試織物的壓力電阻[6-7]。此外，針織物線圈橫列與縱行呈現出不同的電阻串、并聯的關系，因此有必要考慮橫列、縱行兩個不同的方向對傳感性能產生的影響。

基于以上的綜合考慮，本文選取了導電性能較好的鍍銀錦綸與錦包氨綸紗在單面無縫成型內衣機上進行編織[8-9]，并將其與經編間隔織物進行結合，制得具有不同導電區域面積的針織間隔織物。采用橫列、縱行兩種電阻測量方向和平面、球形曲面的壓縮形式，對織物在壓縮過程中的電阻進行測量，從柔性壓阻傳感器的靈敏度和線性度[10-11]來探究針織柔性導電織物的壓阻傳感特性，希望為針織間隔導電織物柔性應變傳感器的研發與應用提供參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

材料：針對柔性導電傳感器的基材，實驗選取上下面具有網孔結構、16 mm厚的經編間隔織物（常熟源碩織造公司），如圖1（a）（b）所示。組織結構為：GB1/GB5：0-0-0-0/2-2-2-2/1-1-1-1/3-3-3-3/1-1-1-1/2-2-2-2∥;GB2：0-1-1-1/1-0-0-0∥;GB3：1-0-1-2/2-3-2-1∥;GB4：0-0-0-1/1-1-1-0∥，其中GB3穿直徑為0.12 mm的滌綸單絲，其他梳櫛穿165 dtex的滌綸紗，橫密5.11 wpc，縱密9.8 cpc，平方米質量690.32 g/m2。針對

導電區域的織造，實驗選取22.22 dtex/55.55 dtex的錦包氨綸紗，44 dtex/12f的FDY鍍銀錦綸紗線（北京潔爾爽高科技有限公司）。其中，錦綸基鍍銀紗線的導電性能良好，且具有一定的強度、延伸性和均勻的細度，以滿足針織用紗的織造要求，具體的導電性和力學性能指標，如表1所示。

儀器：VICTOR 4105A型低電阻測試儀（深圳市驛生勝利科技有限公司），SM8-TOP2 MP2圣東尼單面無縫成型內衣機（圣東尼（上海）針織機器有限公司），YF-900系列材料試驗機（揚州市源峰試驗機械廠）。

1.2 針織間隔織物壓阻傳感器的制備

基于正方形傳感區域單元設計的方便性和面積大小的易控性，實驗選擇將鍍銀錦綸與錦包氨綸紗在SM8-TOP2 MP2圣東尼單面無縫成型內衣機上編織全部添紗緯平針組織[6]，共設計了3種不同面積大小傳感區域的緯編導電織物，每種試樣設計8塊，供后續不同實驗的測試使用。在試樣織造完畢以后，用毫米刻度尺測量實際傳感區域面積、橫密和縱密，所制備試樣的部分相關規格如表2所示。

在黏合方式的選擇上，有尼龍膠、普通膠帶、雙面膠等可供選擇，尼龍膠固化會使織物變硬且由于表面的網眼組織導致施膠位置不宜控制、普通膠帶在壓縮時存在黏合不牢的問題，兩者均無法較為真實地模擬單面導電間隔織物的壓阻傳感性能，最終選擇在上述制備的導電緯編織物的下表面四周的一圈布置雙面膠帶和紗線，將其與上述經編間隔織物緊密黏合即可，最終形成了三種不同區域面積大小的針織間隔織物壓阻傳感器，如圖1（c）所示。

1.3 針織導電間隔織物的壓感性能測試

分別沿著織物的線圈的橫列和縱行的方向將導線縫制在導電區域，研究橫、縱向的測量的方式對壓阻傳感性能的影響。將織物導電的傳感部位放置在YF-900系列材料試驗機傳感壓縮頭的正中央位置，最大板間距設置為間隔織物的厚度16 mm。

實驗步驟如下：

1）使用絕緣膠帶對壓縮儀的金屬壓板進行絕緣處理，以減小對電阻的干擾。

2）分別采用平面的壓縮頭和球體半徑R=10.61 cm的曲面壓縮頭進行壓縮，將導電區域放置在壓縮頭的正中心的位置，并調整初始壓縮距離為織物的厚度16 mm，然后將兩端的導線分別加持在VICTOR 4105A型低電阻測試儀的夾頭上，如圖2所示。

3）打開電阻測試儀的開關，結合配套軟件：微機控制電子萬能試驗機測控系統;設置壓縮方案：啟動壓縮儀，使織物的厚度減小，織物壓縮2 cm，待電阻穩定時讀取此時的電阻值，繼續壓縮，每次設置壓縮厚度為2 mm或1 mm，并分別記錄相應的電阻值，直至織物達到極限壓縮。

4）每種面積的樣布有8塊，平均分配給4種壓縮方案：平面橫向、平面縱向、曲面橫向、曲面縱向;每種方案可分配2塊，為了盡可能地減小實驗的誤差，每塊樣布在進行完成第一

次的壓縮實驗完成后，靜置72 h，待其恢復為初始狀態時，按照上述相同的步驟，再次進行測試。因此可以得到2×2=4個測試結果，并計算標準偏差值和平均值。

2 結果與分析

2.1 導電織物的應變電阻特性

將測得的壓縮電阻的平均值和標準偏差值輸入軟件Origin 9.0，并進行繪圖，結果如圖3所示。

2.1.1 平面壓縮特性

采用平板壓縮時，該柔性傳感器的電阻隨著壓縮高度的應變而變化過程如圖3（a）（b）所示，觀察可知，無論是從橫向還是從縱向來測量，壓縮電阻隨應變的變化過程大致可分為兩個階段。

1）階段Ⅰ：當壓縮厚度的應變ε<60%時，電阻減小的速率平緩，說明此時該柔性傳感器的靈敏度較差。因為在此階段，織物才剛剛開始受力，較小的力值使得織物表面組織的上

下層紗線間的接觸面積有微弱增加，而紗線的自身線電阻和線圈形成的列與列、行與行的同層接觸電阻幾乎沒有發生變化。

2）階段Ⅱ：當壓縮厚度的應變ε≥60%時，電阻的降低速率較大，電阻變化明顯，說明該柔性傳感器的靈敏度要高于階段Ⅰ。因為織物的導電區域不僅受到壓板向下的壓力，而且還受織物間隔絲向上的支持力，兩者對傳感器產生相互劇烈擠壓，這使得織物表面組織的上下層紗線間的接觸面積快速增大。

2.1.2 曲面壓縮特性

采用曲面壓縮時，該柔性傳感器的電阻隨應變而變化過程如圖3（c）（d）所示，觀察可知，該變化的過程與平面壓縮實驗有所不同，無論是從橫向還是從縱向來測量，壓縮電阻隨應變的變化過程大致可分為三個階段。

1）階段Ⅰ：當壓縮厚度的應變ε<28%時，電阻微弱減小，因為此過程中，傳感區域的上下紗線的層間接觸電阻的減小量略大于同層的接觸電阻的增加量，使得總電阻有較為不明顯的減小。

2）階段Ⅱ：當壓縮厚度的應變28%≤ε<64%時，電阻緩

慢增加并逐漸趨于穩定，因為在此過程中，織物在球形曲面的壓力作用下，傳感區域的相鄰線圈列與列、行與行大部分進行分離，使得同層之間的接觸電阻增大較多，且起到了主要的作用，當分離完成后，整體電阻便趨于穩定。

3）階段Ⅲ：當壓縮厚度的應變ε≥64%時，電阻減小的速率較大。發生此變化的原因為：線圈的行與行、列與列的同層之間接觸電阻已經全部進行分離，幾乎不再進行變化，而織物導電層受到曲面壓板的壓力和間隔絲向上的支撐力的相互劇烈擠壓，線圈結構上下層間的接觸電阻急劇減小，由于球形曲面壓縮頭曲率的存在，織物的形變程度更大，因此在該階段傳感器的靈敏度也較高。

2.2 柔性傳感器的傳感性能

從線性度和靈敏度進行思考，通過觀察圖3可以發現，平面壓縮時的階段Ⅱ和球形曲面壓縮時的階段Ⅲ的電阻變化具有較強的線性變化規律。重點研究這兩個階段，將這兩個階段在軟件Origin 9.0中進行線性擬合，采用擬合直線的斜率k表征該柔性壓阻傳感器的靈敏度，擬合的決定系數R2表征該柔性壓阻傳感器的線性度，結果如表3所示。

2.2.1 壓縮形式的確定

由表3可知，所有擬合方程的決定系數R2均趨向于1，擬合優度高，表明該傳感器的線性度較好。通過觀察表3可以發現，無論是沿著橫列還是縱行的方向進行電阻測量，采用球形曲面壓縮頭的傳感器靈敏度都要明顯高于相應的平面壓縮的靈敏度，故選擇靈敏度較高的曲面壓縮形式。

2.2.2 測試方向和傳感面積的確定

在上述已經選擇曲面壓縮頭的基礎上，只需觀察曲面壓縮階段Ⅲ的擬合斜率，在測試方向和傳感面積的綜合影響作用下，可以發現試樣3在橫向測量時的電阻-應變的靈敏度最高。因此，選擇橫列的測量方向和試樣3的傳感區域面積，即35 mm×35 mm作為最終的最小傳感矩陣單元面積。

3 結 論

1）采取兩種不同的壓縮形式時，導電織物呈現出不同的電阻-應變特性。壓縮面呈平面時，應變電阻特性分為兩個階段：電阻隨應變的增加先緩慢減小，再急速下降;壓縮面呈球形曲面時，應變電阻特性可分為三個階段：電阻呈現出先略微減小，然后緩慢上升，最終急劇下降的趨勢。

2）處于平面壓縮過程的階段Ⅱ和曲面壓縮過程的階段Ⅲ時，該針織間隔柔性壓阻傳感器能夠具有較好的線性度，球形曲面壓縮時的傳感器靈敏度要明顯高于相應的平面壓縮時的靈敏度，傳感性能良好。

3）實驗證明利用針織間隔織物壓阻傳感器來反應人體活動信息的思路是完全可行的：采取曲面的壓縮形式，一是因為曲面壓縮可以更好地模擬在實際生活中人體部位對于坐墊的弧形接觸情況，二是采用球形曲面壓縮頭時，傳感器的靈敏度更高;通過比較曲面壓縮形式下的靈敏度，可確定橫列的測量方向和35 mm×35 mm傳感面積。

后續研究中，將集中于傳感器的進一步改進，使傳感單元形成矩陣及相關電路平臺的搭建，且以走向市場為目的，達到真正的實用性。

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