智能服装柔性传感器的结构设计与性能研究

发布时间：2017-12-19 05:04

  本文关键词：智能服装柔性传感器的结构设计与性能研究

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【摘要】：服装是生活中至关重要的产品。人们对于服装的需求早已不限于遮丑和保暖,而是追求穿着品的功能化、个性化及智能化。穿戴式智能服装是指将电子检测系统集成在服装及其附件上,在日常穿着使用中即可实现人体生理信号的检测。服装作为“第二皮肤”与人体接触密切,具有轻薄舒适、移动便携、覆盖面大等优点,是获取人体信号的最佳媒介。而针织服装,由于其特殊的结构,表现出柔软舒适、弹性贴身及灵活便于衬入导电传感材料的特点,因此常常用作智能柔性传感器的研究载体,可检测使用者的体温、心跳、呼吸等人体生理参数,也能实现对肌肉群活动情况及人体运动状态的监测。目前,全球范围内已经有不少研发机构在研究智能服装,但要真正实现智能服装产业化还有许多问题有待解决,例如织物柔性传感器的灵敏度和稳定性、耐久性以及规模化生产等,并且对于不同编织结构、针织线圈、穿着压力、洗涤条件等因素对生理参数检测的影响也还没有系统的理论研究。本课题从智能导电材料入手,研究了成熟化的导电纤维的结构及性能,并选择适当的导电纱线结构性嵌织于无缝针织产品中制备成导电织物,然后重点从原料、结构、尺寸等因素对针织物的导电性能展开研究,分析了织物洗涤后的导电稳定性,并以织物电阻为特征值,通过正交试验分析,优化了针织电阻柔性传感器的制备工艺。具体研究内容如下:1、分析7种导电纤维的微观结构及导电原理,测试导电纤维的力学性能和导电性能,并择选出适宜上机编织的导电纱线原料。2、选择镀银纤维和碳黑纤维作为导电添纱,在无缝内衣机上完成柔性传感器试样编织,导电织物结构为1+1、2+2、2+1三种假罗纹组织,设计尺寸为纵向10、20、30横列,横向40、60、80纵行。3、设计织物等效电阻测定方法,分别测试自然状态和穿着拉伸状态下导电织物的等效电阻,分析纱线原料、组织结构、织物尺寸等因素对柔性导电针织物等效电阻值的影响。4、探究洗涤对针织柔性传感器表观结构和导电性能的影响,重点研究了30次洗涤处理后,镀银和碳黑导电织物的电阻稳定性,通过分析织物耐洗涤性能,寻找性能稳定的柔性传感器。5、设计混合正交试验,对影响镀银织物导电性能的各因素展开研究,确定柔性传感器导电性及洗涤稳定性优化的组合工艺参数。通过一系列的实验、分析和研究得到:铜丝、不锈钢微丝和腈毛导电纱受限于无缝织机对纱线的要求,铜纤维和碳灰导电纤维受限于电阻测量稳定性,而镀银导电纤维和碳黑导电纤维以良好的导电连续性和可编织性能被选用于导电织物的编织。对导电织物测试发现,随导电添纱纵行数的增加,横列数相同的织物电阻增加,而横列数越少,电阻变化的程度越大;随导电添纱横列的增加,纵行数相同的织物电阻减小,且纵行数越少,电阻变化的程度越小。在穿着状态下,导电织物受到低应力拉伸,等效电阻有所下降,但100D镀银织物电阻下降程度小于70D镀银织物,且织物结构对100D镀银织物的电阻稳定性影响更小。经过30次洗涤处理,镀银导电纤维出现不同程度的氧化,在拉伸状态织物的电阻有所增大,但电阻离散性较小,镀银导电纱线和织物结构耐洗涤性能较好。洗涤后,碳黑织物导电稳定性能有所提升,但碳黑导电织物的等效电阻仍在MΩ数量级,且导电织物在穿着拉伸状态下,织物等效电阻变化较大且分散。不同组织结构的导电织物耐洗涤性都比较好,洗涤前后1+1假罗纹织物的电阻稳定性最佳。利用综合平衡法对镀银导电织物的四个因素进行分析选择。洗涤前后,织物在自然和拉伸状态下各因素影响程度相同:添纱横列数纵行线圈数纱线细度线圈配比。添纱横列数和纵行线圈数是对柔性导电织物电阻关系影响最大的两个因素,纱线细度对织物导电性能有一定影响,线圈配比对织物导电性能影响程度最低。通过极差分析得到,利用100D的镀银导电纱线,以2+1假罗纹组织编织30横列40纵行的添纱导电织物作为柔性传感器,这种组合有利于减小柔性传感器自身电阻值,降低导电功耗。本课题所做的实验分析研究能为后续研究开发提供一定的理论参考依据,对智能服装柔性传感器的开发具有重要的现实意义。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TS941.7;TP212

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本文编号：1306960