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导电针织柔性传感器的电—力学性能及内衣压力测试研究

王金凤  
【摘要】:随着科技的进步,特别是信息技术的迅猛发展,智能纺织品已成为纺织技术领域的研究热点,它将纺织、服装、信息、计算机及微电子技术融合在一起,通常包含传感器、信息传输与处理及存储系统,能够按照不同的需求实时地采集与人体生理参数和舒适性相关的信号,并对信号进行相应地处理与反馈。其中传感器是智能纺织品实现智能化和舒适化的关键因素。 目前,国内外穿戴式柔性传感器的研究正处于起步探索阶段,测试精度、灵敏度及重现性无法满足商业应用的要求,需要进一步的研究与开发。迄今为止,国内外研究的织物结构电阻式应变传感器基本上都是基于针织结构,但对于导电针织物的电-力学性能并没有系统的理论研究。作为贴身服装,特别是针织无缝内衣,一般都含有氨纶或其他弹性纱线,更需要按照人体不同部位的舒适压力来设计结构与加工工艺。但是无论采用哪种仪器测试内衣对人体的压力,压力传感器使内衣与皮肤之间总存在间隔,降低了测试的准确性和舒适性。 本文以研制导电针织结构柔性传感器、分析与表征其电-力学性能、对集成该柔性传感器的针织无缝内衣压力进行测试为最终目标。建立了导电纬平针织柔性传感器的电阻模型并分析拉伸情况下影响其等效电阻的因素;选择合适的针织柔性传感器结构并优化参数设计;分析服装压力模型,确定针织柔性传感器等效电阻与服装压力的关系;采用局部添纱技术设计制作了集成多个针织柔性传感器的针织无缝内衣,测试了不同宽裕量的内衣穿着在模特身上各针织柔性传感器等效电阻的变化,评价了人体主要部位的内衣压力分布以及服装宽裕量对内衣压力的影响。 本论文主要包括以下三部分工作。 一、导电纬平针织柔性传感器的电-力学性能分析 基于纬平针织物线圈结构,建立导电纬平针织物的电阻六角模型,并根据基尔霍夫定律和电流回路定律求解电路网得到其等效电阻。制备导电纬平针织柔性传感器,实测其等效电阻来验证此理论模型的可行性。研究结果表明:导电纬平针织物电路是综合串联和并联的复杂电路网;沿纵行方向,它是一个并联电路;沿横列方向,它是一个串联电路。为了简化计算过程,只需计算m横列×1纵列线圈的等效电阻。这一理论分析为可穿戴式传感器的设计提供理论基础。 分别分析影响导电纬平针织物等效电阻的三个因素:纱线电阻、线圈纱段转移电阻及纱线间接触电阻。基于导线电阻定理分析纱线自身电阻与拉伸应变的关系;分析拉伸过程中针织物的几何形状变化对线圈纱段转移的影响,根据导电纬平针织物的电阻六角模型,并利用基尔霍夫电压定律和电流回路定律求解线圈纱段转移的影响;采用Kawabata和Popper针织力学模型探索线圈间接触力与拉伸应变的关系,并根据Holm接触电阻理论求解接触电阻与接触力的关系,从而探索接触电阻与拉伸应变的关系。研究结果表明:纱线电阻随拉伸应变的增加而增加;线圈纱段转移电阻影响了导电纬平针织物的等效电阻,使其等效电阻随横向拉伸应变的增加而线性增加;接触电阻随拉伸张力的增加而呈幂函数减小。 依据忽略及考虑接触电阻对导电纬平针织物等效电阻的影响和导电纬平针织物电阻六角模型,分别设计了计算机程序预测横向拉伸变形下针织物的等效电阻变化情况,并实测等效电阻和应变关系,验证了分析计算的正确性。 二、导电针织柔性传感器的选择及优化设计 采用镀银导电锦纶丝与其它纱线编织了五种纬编针织结构柔性传感器,测试其单向拉伸时的导电性能,并比较其灵敏系数及电阻重现性,选择合适的针织物组织结构作为柔性传感器。通过对线圈长度l,单位长度纱线电阻ρ1,圈距w,线圈纵行数n及横列数m等参数的研究,分析应变灵敏系数的主要影响因素并选择最优参数水平组合来优化设计针织柔性传感器。为了系统地分析针织柔性传感器结构参数对应变灵敏系数的影响,我们采用响应曲面法(RSM)进行了实验设计。研究发现:对于针织柔性传感器,圈距和线圈长度是设计模型的显著因素。在一定范围内,较小的圈距和较大的线长度能够设计出应变灵敏系数较大的针织柔性传感器;另外,较高的单位长度纱线电阻率,较多的线圈纵行数和较少的线圈横列数能够设计出较大等效电阻的针织柔性传感器。因此,为了设计敏感度高且测量简易方便的针织柔性传感器,在一定范围内,应该选择较小的圈距、较大的线圈长度、较高的单位长度纱线电阻率、较多的线圈纵行数和较少的线圈横列数。此参数的研究可以指导针织柔性传感器的设计 三、针织柔性传感器的电-压力性能分析及内衣压力测试 由于直接在人体上测试服装压力比较困难,本文基于人体形态分析,建立了内衣在围度方向上的椭圆力学模型,分析了人体任意围度任意点的曲率半径;并以Laplace方程为基础建立内衣压力模型,依据针织面料在人体围度上的拉伸变形,分析了内衣对人体各部分的压力。为了模拟测试针织无缝内衣在穿着过程中的静态压力和动态压力,本文采用LLY-56B模拟人体内衣着力试验仪,测试了集成针织柔性传感器的无缝内衣针织物三维变形中的服装压力。其中,针织柔性传感器正对内衣着力试验仪的压力传感器,测试不同顶压深度、顶压速度及循环次数对所选集成柔性传感器无缝内衣针织物的静态、动态接触压力的影响,并分析静态压力疲劳度和动态压力疲劳度两个指标。同时,测试在压力变化过程中针织柔性传感器等效电阻的变化情况,确定传感器等效电阻与服装压力的关系,为进一步研究针织无缝内衣压力舒适性及宽裕量提供参考依据。 采用局部添纱技术设计制作了集成多个针织柔性传感器的针织无缝内衣,测试了不同宽裕量情况下该内衣穿着在模特身上各传感器等效电阻的变化,评价了人体主要部位的内衣压力分布以及服装宽裕量对内衣压力的影响。通过分析针织柔性传感器等效电阻与拉伸应变的关系,并综合服装压力与针织物拉伸应变关系,探索针织柔性传感器等效电阻与服装压力的关系。 本论文的研究结果首次比较系统而且清晰地分析了导电纬平针织物的电阻模型,探讨了影响拉伸情况下导电纬平针织物等效电阻的三个因素及变化规律;根据人体形态结构分析了服装压力模型,并确定了针织柔性传感器等效电阻与服装压力的关系;测试了不同宽裕量的针织无缝内衣穿着在模特身上各针织柔性传感器等效电阻的变化,评价了人体主要部位的内衣压力分布以及服装宽裕量对内衣压力的影响。此项研究为针织柔性传感器的设计提供理论依据,并使柔性传感器与服装融为一体,为内衣压力的测试与评价做出了新的尝试。


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