“感測技術”課程中智能紡織品傳感器及其教學設計

徐瓏婷， 田娩鑫， 陸小辰， 趙 萍

(東華大學 信息科學與技術學院， 上海 201620)

智能硬件的迅猛發展賦予了感測技術新的活力?！案袦y技術”為高校自動化專業的一門主要專業課程，其教學目標是使學生了解傳感器技術和檢測系統領域的研究現狀與方法，能夠理解研究應具備的知識和能力；了解常見傳感器和檢測技術，掌握其基本概念及原理，并熟悉其測量方法；能夠基于工程相關背景知識進行合理分析，評價專業工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。目前感測技術廣泛應用于各個領域，例如文獻[1]運用光纖感測技術對隧道內的管片接縫變形、道床變形進行監測，一旦發現隧道內出現異常情況即可及時處理，以保障人民的生命財產安全。

隨著紡織學科以及電子信息學科的持續發展，人們對智能紡織品的期待越來越高。將自動化、生物、材料等新興技術融入傳統紡織品，在保留傳統紡織品柔軟、耐水洗、易變形等特性的基礎上，賦予其新的特性和功能，例如感知、反饋、自診斷等功能，其中最關鍵的感知功能是通過傳感器實現的。傳感器與紡織品結合后可用于監測壓力、溫度、濕度、相對位移、脈搏等參數變化，把感測到的信號變化轉變為電信號傳送給嵌入紡織品的控制器，控制器及時做出反饋和相應的動作，既給個人生活帶來了便利，又滿足了多種專業領域的需求。

一、“感測技術”課程概況

“感測技術”是我校(東華大學)電子工程專業的一門專業基礎課程，開設在第二學期，共32學時，2學分。課程內容包括：現代傳感器與檢測技術概述及發展趨勢，測量數據的誤差分析，電參量檢測技術的方法與原理，常用溫度傳感器，壓力、視覺、光纖等檢測技術的原理，各類傳感器及其應用實例。

我校是一所以紡織服裝為特色的高等院校，具有雄厚的紡織學科基礎，紡織科學與工程學科是首批國家“雙一流”建設學科。多學科的融合創新是未來研究的一大趨勢，將紡織技術和感測技術進行深度融合創新，共同推進兩門學科的發展與建設是值得研究的課題。傳感器是智能紡織品的關鍵組成部分，在“感測技術”課程教學中引入智能紡織品傳感器相關知識是十分必要的。教學內容如圖1所示。

圖1 “感測技術”課程教學內容

二、智能紡織品傳感器分類及特點

智能紡織品是將微電子、電子信息、生物等學科知識進行創新融合并應用于紡織品而形成的一種新型紡織品[2]。智能紡織品既保留了傳統紡織品柔軟、舒適等特點，又能對外界環境的變化做出動態感應和反應[3]。常見的智能紡織品有保濕控溫、隨機變色、電子智能等紡織品。目前智能紡織品在很多高新技術領域得到廣泛應用，例如醫療健康、航空航天、運動、通信、消防等。

智能紡織品的主要組成部分為導電纖維、傳感器及控制單元。智能紡織品的感知功能是由傳感器實現的，傳感器與導電纖維結合，用于檢測壓力、濕度、溫度、pH等參數，把感知到的信息轉換成相應的電信號，通過導電纖維將電信號傳遞給控制單元，控制單元根據信號及時做出反應。

智能紡織品常采用柔性導電纖維和柔性傳感器作為基本材料，例如運用鍍膜、印刷等工藝將柔性電子元件與柔性導電材料進行組合配置，由于兩者本身具有良好的材料特性，使得柔性智能紡織品具有安全舒適、輕薄、可水洗等特點，能夠很好地滿足人們對智能紡織品的需求。目前用于智能紡織品的柔性傳感器主要有光纖、電感式、壓電式、電容式及壓阻式等傳感器[3]。

1. 柔性光纖傳感器

柔性光纖傳感器是利用光纖的敏感特性把被測物理量轉換成光波的振幅、相位、波長變化的傳感器[3]。相較于電傳感器，光纖傳感器具有質量輕、精度高、穩定性好等優點，因此在醫療領域的高磁場環境具有明顯的應用優勢，例如心率測量和呼吸頻率監測等。柔性光纖傳感器除了能感知壓力、溫度、振動等信號外，還可感知拉伸力以及位置的變化，比如測量肌膚與衣物的相對位移或者隨呼吸變化的微小應變信號。

2. 柔性電感式傳感器

電感式傳感器利用電磁感應將非電量的變化量轉化為線圈的互感系數變化，實現由物理參數到電參數的轉換[4]。柔性電感式傳感器的傳感線圈常采用電阻率低的導電纖維材料，相比金屬材質的線圈，導電纖維材料使人的體感更加舒適。柔性電感式傳感器具有靈敏度高、結構簡單等優點，監測人體動態參數時有其獨特的優勢。但在高磁場環境中電感傳感器會失靈，因此不宜用于高頻動態測量。

3. 柔性壓電式傳感器

壓電式傳感器是利用敏感元件受力產生電荷的原理制成的傳感器，其電荷量與所受力的大小成正比關系。偏聚氟乙烯(PVDF)作為性能良好的敏感元件，其壓電系數高且耐磨耐熱，常作為柔性壓電傳感器的敏感元件[4]。其他敏感元件包括陶瓷纖維、復合導電薄膜等，它們具有靈敏度高、質量輕、加工性能良好、動態性能優良等特性，在工程力學、電聲學等領域得到廣泛應用。

4. 柔性電容式傳感器

電容式傳感器的傳感元件由各類電容器構成，將測得的物理量轉換為電容存量，外界物理量的變化使得電容器起始狀態發生改變。柔性電容式傳感器通常采用柔性材料作為電容器的兩個平行極板，間隔層常以橡膠等彈性材料填充[4]。將柔性傳感器嵌入智能紡織品中，制作成能感知外界壓力或剪切力變化、柔軟易變形、空間分辨率高的智能紡織品，以便實現對微小靜態外力的檢測。

5. 柔性壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是利用壓阻效應與集成電路技術制成的傳感器。傳感材料在受到壓力的情況下具有導電性，其緣由是內部金屬粒子的轉移，通過測量電阻的變化從而推斷壓力變化的大小[5]。傳統柔性壓阻式傳感器常由半導體硅和鍺構成，隨著材料科學、化學等領域的發展，開發出許多靈敏系數大、分辨率高、柔軟的壓阻材料，例如碳系材料和石墨烯構成的復合型材料，用于感知外界的壓力、加速度等參數，被廣泛用于航空航天、生物醫學等領域[6]。

三、智能紡織品傳感器的教案設計

為了更好地將智能紡織品傳感器的相關知識引入“感測技術”課程教學，我們根據上述智能紡織品傳感器的分類與特點進行教案設計。下面從教師準備、學生準備、教學目標、主要學習內容、教學重點難點、教學方法等方面介紹教案的設計及應用。

1.教師準備

教師選擇合適的教學媒體并制作柔性傳感器的課件；設計智能紡織品的概念圖；深入學習并理解柔性傳感器相關知識，在此基礎上進行備課；合理安排柔性傳感器的教學內容及應用案例，提高學生的學習興趣和學習體驗。

2.學生準備

學生課前預習智能紡織品相關內容，大致了解柔性傳感器知識；及時完成教師布置的作業和任務。

3.教學目標

通過本課程的學習，讓學生了解智能紡織品的概念，知悉智能紡織品的主要應用領域及所發揮的作用；了解柔性傳感器種類及其特性，分析比較傳感器特性，并推斷其適合的應用領域；激發學生的創造性思維，在學習柔性傳感器知識的過程中，結合現有最新的傳感器研究成果和已有的認知水平，對未來傳感器的研究方向提出大膽設想，對柔性傳感器的物理特性提出改進方法。

4.教學內容

主要教學內容包括：智能紡織品的概念，以及相比于普通紡織品所具有的優勢和特點；智能紡織品的發展、現有成果和主要應用領域；智能紡織品的組成以及柔性傳感器；柔性傳感器的種類，各類柔性傳感器的原理、特點以及主要應用場景。

5.教學重點

柔性傳感器的種類，包括各類柔性傳感器的特性及主要應用領域；智能紡織品的種類，包括各類智能紡織品所涉及的專業領域及其發展前景。

6.教學難點

調動學生對柔性傳感器的學習積極性，激發其創造性思維；對未來柔性傳感器性能提出改進，啟發學生暢想未來發展前景。

7.教學方法

PPT課件介紹各類傳感器的相關知識，包括各類傳感器的定義和相關應用場景。在教學過程中，為了活躍課堂氣氛，教師針對傳感器知識提出問題，讓學生回答，提升學生注意力。把學生分成幾個小組，引導小組進行討論，如傳感器還適合應用于哪些場景，還能對傳感器的哪些特性進行改進，激發學生的學習熱情和動力。

四、結語

柔性傳感器功能的創新和升級賦予了智能紡織品巨大潛力，使其具有廣闊的應用前景和發展空間。各類柔性傳感器除了要滿足人們日?；顒拥幕疚锢砹繙y量外，還要進一步拓寬其測量的范圍，并及時反饋到攜帶的可移動設備上，滿足消費者對智能紡織品的進一步要求。智能紡織品的技術日新月異，在“感測技術”課程教學中引入智能紡織品傳感器相關知識，有助于學生學習最新的傳感器技術，拓寬知識面，提高新技術應用能力。