间隔织物压力电容传感器设计与性能研究

发布时间：2020-04-08 13:50

【摘要】：随着纺织技术的升级进步,以及纺织技术与材料、通信、电子、计算机等技术的交叉融合,越来越多的学者研究基于纺织结构的柔性传感器。柔性压力电容传感器是利用柔性电容器受力时极板间距、极板面积或中间介质的改变而引起电容值变化的原理,将被测压力转化为与之有一定关系的可输出电信号的一类传感器。柔性压力电容传感器应用广泛,可应用在触觉感应、姿态监测和安全防护等多个领域。本课题基于采用柔性传感器实现监测坐垫压力分布这一目进行了一系列研究,希望通过以下几点研究,为设计与制备性能优越的柔性压力电容传感器奠定基础。首先,设计与制备压力电容传感器的介质层、电极及粘接胶。在双针床经编机上编织了八种经编间隔织物作为电容传感器的介质层。设计并织制高密导电机织物、纬编导电织物和经编导电织物作为电容传感器的电极极板。为了将电极极板和介质层固定在一起,而又不能硬化电极和介质,同时涂覆固化简单方便,从而选取三种胶水作为粘接剂。并且设计了实验方案,采用压缩仪器和电容仪器测量,间隔织物压力电容传感器的电-力学性能。其次,介绍了间隔织物压力电容传感器原理,然后进行电-力学性能测试实验,研究间隔织物压力电容传感器的力学性能、电学性能,绘制应力-应变曲线、电容-应变曲线及电容-应力曲线。利用SPSS软件对间隔织物压力电容传感器的应力及初始相对介电常数进行线性回归分析,研究间隔织物规格参数对其力学性能及电学性能的影响。然后,对电容-应力曲线和电容变化率-应力曲线进行分段处理,对不同介质层、不同粘接胶以及不同电极形式的间隔织物压力电容传感器的线性度、灵敏度、重复性误差和迟滞性进行研究分析,探究介质层、粘接胶和电极对传感器静态性能的影响,为设计性能较优的压力电容传感器做基础。最后,基于单个压力电容传感器的性能研究,设计与制备压力传感器阵列,搭建压力监测系统,制备智能坐垫,进行硬件调试及优化,最后进行坐姿压力监测测试,得到不同坐姿下压力分布图,从而验证本课题设计的智能坐垫实现了监测压力分布的功能。通过以上研究发现,间隔织物的规格、粘接胶种类、涂覆方式、电极织物性能、应变变化范围都对压力电容传感器的传感特性产生影响。采用间隔丝密度较小、间隔丝直径较小、间隔长度较大的间隔织物作为介质层,传感器的灵敏度和重复性较好;采用双面胶、部分涂覆粘接胶间隔织物压力电容传感器的线性度和灵敏度较好;采用纬编织物做电极的间隔织物压力电容传感器的灵敏度最高;在较小形变范围内的压缩,传感器的重复性误差和滞环率可大大降低。
【图文】：

（a）电镀法[20]（b）相纸原位固化法[25]（c）化学聚合反应法[26]图 1-1 涂覆方式形成柔性电极示意图涂覆方式生产工艺简单，条件易控制，，导电性能相易选择，成为近年来导电织物热点，也是制作压力电容传感器导电电极的常用方式。但是，通过涂覆方式形成也有一些缺点：导电物质的均匀性较难控制，从而影响其导电性能；涂层的牢固，随着使用的摩擦洗涤，导致导电物质的脱落；涂层的延展性较差，从而影响织性。2）刺绣方式

主要为瑞典 JanMeyer 等[21]采用镀银纱线为导电纱线，利用刺绣方式在织物上形成矩阵导电区域，如图1-2；美国 M. McKnight 等[29]将 3D 打印的导电纱线、多层碳纳米管纤维和不锈钢导电线，采用刺绣的方式，缝入多层棉织物中，制成多模态传感器。图 1-2 刺绣方式形成电极[21]图 1-3 织造方式形成电极[31]（3）织造方式织造方式是将导电纱线织制成机织物、针织物，形成导电区域。这种方式形成的电极，比涂覆方式和刺绣方式形成的电极，其弹性延展性更好，人体触感舒适度更高，对用于人体监测的智能传感器来说是形成电极的最好方式。但是，织造方式形成电极时，一般要经过络筒或整经、穿纱等工序，工序繁琐，所需时间较长，而且形成电极的位置和图案，需配合一定的工艺设计。采用织造方式形成电极的多为压阻式压力传感器[30]，采用织造方式形成压力电容传感器的电极的的研究还比较少，瑞士 JanMeyer[31]采用导电纱线与非导电织物相隔做为纬向纱线，织成横条机织物，将交错放置的机织物作为压力电容传感器的上下电极，如图 1-3。1.2.2 柔性压力电容传感器的介质结构压力电容传感器由上下电极和中间介质层三部分组成，中间介质层的结构对压力传感器的基本性能，如灵敏度等有着重要的影响。目前，国内外柔性压力电容传感器的介质结构主要有三种，分别为多微孔弹性体介质层、聚合物薄膜介质层和织物结构介质层。（1）多微孔弹性体介质土耳其 OzgurAtalay[32]、韩国 DongukKwon[24]都制作了一种三维的多微孔的弹性聚合物作为压力电容传感器的介质。这种结构的介质层在较小应力下可以产生大的形变，有效的提高了传感器的灵敏度。Ozgur Atalay 博士将 Ecoflex 30 硅胶弹性体分别和糖颗粒、盐结晶体按照重量为 4：1 的比例制成溶液，将其在模?
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS106;TP212

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本文编号：2619423