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基于信息纤维的柔性传感器理论与应用研究

李龙飞  
【摘要】:智能服装系统的信息感知功能离不开柔性传感器。本研究通过探讨基于信息纤维的柔性传感器的感知机理、输入输出关系和传感器参数取值范围,为面向智能服装的心电、呼吸、体温和压力等个人生理信息与状态的检测提供理论与物质基础。 首先,汇总了纤维形成模型、信息纤维和柔性传感器设计等相关领域的理论、技术和应用现状。 根据物理学定律,建立了时域纤维形成模型,分析了时域纤维形成模型与空间域纤维形成模型的关系。 设计了由导电弹性纤维组成的柔性机织电阻式应变传感器。建立了并联式应变传感器(PSS)和串联式应变传感器(SSS)的等效电路模型。在等效电路模型和物理学定律基础上推导了PSS和SSS的应变电阻关系和输入输出特性。分析了PSS和SSS的尺寸、纤维半径和电阻率等的参数域(有效取值范围)。结果表明,PSS和SSS的参数域为由一个曲面和五个平面所包围的三维空间;PSS可选用电阻率适中或较低的导电弹性纤维,理论上可适用于任意尺寸的应变检测;SSS只能选用电阻率较低的导电弹性纤维,仅适用于较小尺寸的应变检测。 设计了由导电纤维组成的柔性机织电阻式温度传感器。建立了并联式温度传感器(PTS)和串联式温度传感器(STS)的等效电路模型。在等效电路模型和物理学定律基础上推导了PTS和STS的温度电阻关系和输入输出特性。分析了PTS和STS的尺寸、纤维半径和电阻率等的参数域(有效取值范围)。结果表明,PTS和STS的参数域为由一个曲面和五个平面所包围的三维空间;PTS可选用电阻率适中或较低的导电纤维,理论上可适用于任意尺寸的温度检测;STS只能选用电阻率较低的导电纤维,仅适用于较小尺寸的温度检测。 设计了由导电纤维组成的柔性机织电阻式压力传感器。建立了并联式压力传感器(PPS)和串联式压力传感器(SPS)的等效电路模型。在等效电路模型和物理学定律基础上推导了PPS和SPS的压力电阻关系和输入输出特性。对压力随机分布条件下PPS和SPS的输出特性进行仿真;分析了压力检测范围;分析了PPS和SPS的尺寸、纤维半径和纤维电阻率等的参数域(有效取值范围)。仿真结果表明,可以忽略压力随机分布的影响作用;PPS比SPS具有更高的精确度。分析结果表明,PPS和SPS都适合工作于一个较小“压力范围”内,以及一个“较小压力”范围内;PPS和SPS的参数域为由一个曲线和三个直线所包围的二维区域;PPS的纬线可选用电阻率适中的导电纤维;SPS的纬线只能选用电阻率较低的导电纤维。 设计了由导电纤维组成的柔性机织电阻式穿透传感器及其信号转换电路。建立了穿透传感器的输入输出模型。分析了穿透传感器输入输出特性讨论了典型应用下由穿透传感器的输出状态来判断可能的输入状态的准则。 设计了由导电纤维组成的柔性机织电极。分别建立了机织电极的分布式等效电路模型和基于机织电极的心电信号检测模型。对心电信号检测模型的影响因素进行仿真;分析了机织电极的尺寸、纤维半径和电阻率等的参数域(有效取值范围)。仿真结果表明,机织电极电阻适中且接触电阻较小,或机织电极电阻和接触电阻都较小时,最有利于心电信号检测;存在 一个最佳位置使得心电信号最强,且该最佳位置和心电信号最大值都随着机织电极尺寸增大而变化。分析结果表明,机织电极的参数域为由一个曲面和五个平面所包围的三维空间;机织电极可选用电阻率适中或较低的导电纤维。 探讨了智能服装系统的组成,提出了柔性传感器在智能服装系统中应用的总体框架。从应用角度探讨了柔性机织电极、柔性电阻式应变传感器、柔性电阻式压力传感器、柔性电阻式温度传感器和柔性穿透传感器的技术方案。分别探讨了应用柔性机织电极、柔性电阻式应变传感器和柔性电阻式温度传感器的健康监护服装的技术方案;应用柔性电阻式温度传感器的电热服装的技术方案;应用柔性电阻式压力传感器的睡姿监护服装的技术方案;应用柔性穿透传感器的监护军服的技术方案。 最后,总结全文,从深度和广度两个方面展望下一步的研究工作


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