织物基温度传感器的制备与性能研究

发布时间：2020-05-03 19:25

【摘要】：对体温实时、准确的监测在人体健康监护、疾病诊断及治疗等方面有着重要的应用。目前,成功用于人体温度监测的装置多是将传统的硬质传感器以较小的体积封装起来。虽然可以实现对体温的实时、准确的监测,但硬质物体与人体结合会给人体活动带来不便,并且影响舒适性。鉴于这些问题,织物基可穿戴温度传感装置受到广泛关注。现有很多学者研究的将传感器通过缝合及包埋的方式与织物结合的方法虽然将传感器集成到了织物中,但是并没有实现真正的柔性,依然存在穿着舒适性及影响外观等问题。利用纺织产品自身织物材料来实现感温性能才是制备柔性织物传感器较理想的方式。将感温金属纤维作为部分纱线织入到织物中不仅可以实现纺织产品自身的感温性能,不影响穿着和外观,而且可以保持感温金属纤维良好的性能。目前已有利用针织结构将感温金属纤维织入织物中实现织物自身感温性能的研究,但还存在易受环境影响、针织结构稳定性差带来的信号稳定性差等缺点,性能也有待提升。针对上述问题,鉴于机织结构优良的稳定性,本文采用机织的方法制备织物基温度传感器,综合考虑静态温度系数及动态响应时间两方面性能,对传感器进行选材及设计制备;在理想条件及实际应用两种情况下分别对传感器的静态及动态感温性能进行测试评价,并用包缠结构进一步改善感温元件的实用性。具体研究内容如下:(1)采用机织的方法实现感温金属纤维与织物较好的融合,实现织物自身的感温性能,基本不影响织物的外观及舒适性,与普通纺织品穿着基本无差异。并综合考虑静态温度系数及动态阶跃响应时间两方面性能,通过选材及设计实现目标性能。铂(Pt)纤维因其较高的电阻率和温度系数,及较小的比热,最适合用来做感温元件。较高的电阻率及温度系数有利于实现较高的灵敏度,较小的比热有利于实现快速响应。对响应时间的减小,还体现在传感区域的大小,快速响应需要较小的传感面积。因此,综合传感面积与初始电阻的考虑,设计传感面积为1cm×1cm。在半自动小样织机上,将感温元件Pt纤维作为一种纬纱与经纱交织制备出机织结构温度传感器。并在相邻感温元件Pt纤维之间织入棉纱,避免相邻Pt纤维接触带来的影响。(2)探究模拟实际应用条件下对织物基温度传感器温敏性能的影响。通过在理想油浴条件与接近实际应用条件下温敏性能测试结果的对比,发现环境对传感器的性能有影响,但其性能仍能保持一个较好的水平。感温元件Pt纤维的电阻随温度的升高而增大,采用油浴逐步升温法对多点温度下的阻值进行测量以获得线性度、温度系数、滞后性等性能,采用投入法实现阶跃温度的改变测试响应时间。结果表明,在理想环境油浴中,具有机织结构的温度传感器其线性度的相关系数值为0.99975,温度系数为0.00362/°C,静态误差为±1.51%,迟滞为4.20%。静态性能的测试结果说明此温度传感器具有良好的传感性能。为了探究传感器在接近实际应用时的传感性能,利用加热平台搭建接近实际应用的测试系统。测试结果显示,其线性度相关系数为0.99915,温度系数为0.00338/°C,静态误差为±2.78%,迟滞为3.26%。从此测试结果与上述油浴中的测试结果相比可得,由于在加热平台受空气环境的影响,线性度、温度系数、静态误差都有一定程度的影响,但总体来说影响不大。且空气环境有利于降温过程,因此迟滞性有所减小。(3)探究测试条件对动态性能响应时间的影响,结果表明,加热条件、浮长线长度、施加压力及温度范围都对响应时间有一定的影响。对比油浴与模拟实际应用的加热台两种加热条件;利用织物正反两面Pt纤维不同浮长线长度;测试时对织物施加不同压力;选用两种导热系数不同的纱线作为基体材料;通过加热台调节不同的阶跃温度。结果表明,在油浴及加热台上测得的响应时间分别为1.032s及2.275s;在服装舒适压力范围内适当增大压力可加快响应时间,本文所制备的温度传感器提供约200Pa的压强即可。在感温金属纤维长度一定的情况下,增长感温纤维与热源的直接接触长度有利于加快响应时间。在满足需求的条件下,降低温度范围,感温元件Pt纤维热导率高,响应快。基体材料对响应时间几乎没有影响。(4)在实际应用中,传感器可能会受到外界弯曲、扭转等机械作用,为进一步改善传感器的实用性,利用包缠结构的优势,对感温元件进行包缠保护,同时可以增强Pt纤维的力学性能。将感温Pt纤维作为芯纱,探索了外包材料及不同包缠捻度对Pt纤维力学性能的影响,并对包缠后制备的传感器的温敏性能进行了测试评价。测试结果表明,捻度为1000捻/m的较低捻度时Pt纤维在包缠纱中有屈曲,对伸长率有一定改善;外包材料为全拉伸锦纶时可分担拉力,大幅提高Pt纤维的断裂强力。对于传感器的温敏性能,感温Pt纤维包缠后制备的织物基温度传感器的温度系数为0.00314/°C,相较于以裸Pt纤维为感温元件时降低了7.10%;响应时间为3.317s,相较于以裸Pt纤维为感温元件时增加了约1s。综上所述,本文以机织的方法实现了纺织品自身的温敏性能,基本保持了织物原有的外观及穿着舒适性。感温金属纤维织入织物后,虽然在一定程度上受环境因素的影响,仍基本保持了自身良好的传感性能。总结的测试条件方面对响应时间的影响及对感温元件的包缠都为其实用性进一步奠定了基础。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH789

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