CN103654793B - 用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器及其制备方法，包括上传感器层区域、下传感器层区域和连接区域，上传感器层区域由传感器横列区域和非传感器横列区域组成，两个横列区域在纵行方向没有连接；下传感器层区域由传感器纵行区域和非传感器纵行区域组成，两个纵行区域在横列方向没有连接；传感器横列区域与传感器纵行区域由导电纱线构成；上传感器层区域和下传感器层区域之间没有纱线连接；连接区域分别与上、下传感器层区域连接。具有结构整体性、延伸性、弹性回复性、重现性良好，制备方法简便的优点，可以编织在服装上分别测量双向拉伸条件下纵、横方向的应变，监测人体的姿势与动作以及心跳、呼吸等生理指标。

Description

用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种针织柔性传感器及其制备方法，具体地说，是涉及一种用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器及其制备方法。

背景技术

针织柔性传感器可编织或集成在服装上，形成可穿戴应变式传感器，用以监测人体的心跳、呼吸等生理指标。

现有技术中，中国专利号200610147211.3公开了一种用于电子织物的应变式柔性呼吸传感器及其应用，所述的传感器包括具有弹性的导电纤维和绝缘纤维机织或针织的织物形式的传感器敏感元件，并具有用于电连接的引线或接头。当传感器敏感元件受到拉力（例如呼吸引起的胸廓运动）作用而产生应变时，由导电纤维组成的导电网络的电阻值将发生变化，对其电阻值进行测量即可获得应变的大小。上述传感器的不足之处在于：当传感器敏感元件受到纵横双向拉伸产生双向应变时，由导电纤维构成的导电网络只能反映一个电阻值的变化，因此无法区分与测量分别在纵向和横向发生的应变。而人们在呼吸及运动时，人体一些部位的皮肤除了单向延伸外还存在双向延伸。

发明内容

本发明的目的是克服了现有技术中的缺点，提供了一种能够测量双向拉伸应变的针织柔性传感器以及制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

该用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器，包括上传感器层区域、下传感器层区域和连接区域；上传感器层区域由一个测量水平方向拉伸应变的传感器横列区域和两个非传感器横列区域组成，传感器横列区域位于其上侧和下侧的两个非传感器横列区域之间，传感器横列区域和非传感器横列区域在交界处纵行方向没有连接；下传感器层区域由一个测量垂直方向拉伸应变的传感器纵行区域和两个非传感器纵行区域组成，传感器纵行区域位于其左侧和右侧的非传感器纵行区域之间，传感器纵行区域与非传感器纵行区域在交界处横列方向没有连接；上传感器层区域和下传感器层区域之间没有纱线连接；连接区域分别与上传感器层区域和下传感器层区域连接。

本发明所述的上传感器层区域中，传感器横列区域由导电纱线和弹性纱线编织形成平针添纱组织，导电纱线是面纱位于上传感器层的外表面，弹性纱线是地纱位于上传感器层的内表面；两个非传感器横列区域由普通纱线和弹性纱线编织形成平针添纱组织，普通纱线是面纱位于上传感器层的外表面，弹性纱线是地纱位于上传感器层的内表面。

本发明所述的下传感器层区域中，传感器纵行区域由导电纱线和弹性纱线编织形成平针添纱组织，导电纱线是面纱位于下传感器层的外表面，弹性纱线是地纱位于下传感器层的内表面；两个非传感器纵行区域由普通纱线和弹性纱线编织形成平针添纱组织，普通纱线是面纱位于下传感器层的外表面，弹性纱线是地纱位于下传感器层的内表面。

本发明所述的连接区域的组织结构为1+1罗纹组织，由普通纱线编织而成；连接区域与上、下传感器层区域在左、右侧交界处的线圈纵行重叠，从而形成左、右侧的横向连接；连接区域与上、下传感器层区域在上、下侧交界处的线圈横列串套，从而形成上、下侧的纵向连接。

本发明所述的上传感器层区域和下传感器层区域两者大小相等、彼此重合；上传感器层区域弹性纱线编织的内表面与下传感器层区域弹性纱线编织的内表面相接触，而上传感器层区域由导电纱线编织的位于外表面的传感器横列区域与下传感器层区域由导电纱线编织的位于外表面的传感器纵行区域没有接触。

本发明所述的导电纱线为镀银锦纶丝，电导率为0.516Ω/mm；弹性纱线为锦纶/氨纶包芯纱；普通纱线为棉、羊毛、粘胶、涤纶、锦纶中的一种纯纺纱或几种混纺纱。

本发明所述的传感器横列区域和传感器纵行区域分别与外部导电引线相连。

本发明还提供一种上述针织柔性传感器的制备方法，该传感器在双针床电脑横机上编织，其特征在于：前、后针床的织针分别在电子选针装置的选针和对应导纱器的分区垫纱的配合下进行编织，形成上传感器层区域、下传感器层区域和连接区域。

本发明在编织上传感器层区域时，前针床被选中的织针，经对应添纱导纱器的分区垫纱，将导电纱线和弹性纱线编织成圈形成传感器横列区域，将普通纱线和弹性纱线编织成圈形成上、下侧非传感器横列区域；在传感器横列区域与位于其上侧和下侧的两个非传感器横列区域的交界处，前针床织针不垫入新纱线但正常脱圈使线圈纵行中断。

本发明在编织下传感器层区域时，后针床被选中的织针，经对应添纱导纱器的分区垫纱，将导电纱线编织成圈形成传感器纵行区域，将普通纱线和弹性纱线编织成圈形成左、右侧非传感器纵行区域；在传感器纵行区域与位于其左侧和右侧的两个非传感器纵行区域的交界处，导纱器的分区垫纱使导电纱线和弹性纱线编织的线圈与普通纱线编织的线圈之间没有重叠，使线圈横列中断。

本发明前、后针床被选中的织针，经对应导纱器的垫纱，将普通纱线编织成圈形成连接区域；在连接区域与上、下传感器层区域的交界线圈纵行处，相邻分区的两个导纱器之间重叠垫纱形成双线圈纵行，使连接区域分别与上、下传感器层区域在横向连接；在连接区域与上、下传感器层区域的交界线圈横列处，相邻的两线圈横列在纵行方向穿套使连接区域分别与上、下传感器层区域在纵向连接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：该针织柔性传感器结构设计合理，当传感器受到双向拉伸载荷时，上传感器层区域中的传感器横列区域只感应横向载荷产生横向应变，下传感器层区域中的传感器纵行区域只感应纵向载荷产生纵向应变，因此可以分别测量横向和纵向的应变；其次，该传感器是通过连续编织并加入了弹性纱线制成，结构整体性、延伸性、弹性回复性、重现性良好；此外，该传感器可以编织或集成在针织服装上，制成可感知人体姿势与动作的监测服；再者，该传感器可以在电脑横机上制备，生产工艺简单、自动化程度高。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的线圈结构示意图；

图2是本发明导纱器的排列方式示意图；

图3是本发明所述的连接区域局部编织示意图；

图4是本发明所述的非传感器横列区域局部编织示意图；

图5是本发明所述的传感器横列区域局部编织示意图；

图6是本发明传感器横列区域与非传感器横列区域在交界处纵行中断的编织示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

参见图1，图1中实际的该传感器织物线圈结构紧密，上传感器层区域将下传感器层区域覆盖，不能同时看到这两个区域，为此该图绘制的较稀松，以说明问题，本发明包括正面传感器层区域102、103、104、反面传感器层区域106、107、108和连接区域101（为了减小线圈结构图的大小并说明问题，上下传感器层区域与连接区域只画出了少量线圈纵行与横列）。正面传感器层区域由测量水平方向拉伸应变的传感器横列区域103、位于其上下侧的非传感器横列区域104及102组成；传感器横列区域103与其上、下侧的非传感器横列区域104及102之间在纵行方向没有连接，纵行中断区域105分别位于传感器横列区域103与非传感器横列区域102及104之间，这样当双向拉伸时传感器横列区域只能感测横向拉伸应变。反面传感器层区域由测量垂直方向拉伸应变的传感器纵行区域107、位于其左右侧的非传感器纵行区域106及108组成；传感器纵行区域107与其左、右侧的非传感器纵行区域106及108之间在横列方向没有连接，即第12、14纵行之间、第20、22纵行之间在横列方向中断，这样当双向拉伸时传感器纵行区域只能感测纵向拉伸应变。连接区域101与正反面传感器层区域102、103、104、106、107、108在第4和第29纵行形成双线圈，分别实现左侧及右侧的横向连接；连接区域101与正反面传感器层区域102、106、107、108在横列2（图中左侧的字符，横线之前的数字表示线圈横列序号，横线之后的字符表示编织该横列时电脑横机机头横移的顺序，以下同）与横列3的线圈串套，实现下侧纵向连接；连接区域101与正反面传感器层区域104、106、107、108在横列26与横列27的线圈串套，实现上侧纵向连接。正面传感器层区域和反面传感器层区域之间大小相等、彼此重合，两者之间没有纱线连接。

上、下传感器层区域均为平针添纱组织，其中传感器横列区域103和传感器纵行区域107由电导率为0.516Ω/mm的镀银锦纶丝与锦纶/氨纶包芯弹性纱添纱编织而成，非传感器横列区域102与104及非传感器纵行区域106与108由普通纱线与锦纶/氨纶包芯弹性纱构成；上传感器层区域中由锦纶/氨纶包芯弹性纱编织的内表面与下传感器层区域中由锦纶/氨纶包芯弹性纱编织的内表面相接触，而均位于外表面的由镀银锦纶导电纱编织的传感器横列区域103与传感器纵行区域107之间没有接触，不会造成这两个传感器的短路。连接区域101为1+1罗纹组织，由普通纱线构成。锦纶/氨纶包芯弹性纱可以赋予上、下传感器层区域良好的拉伸弹性回复性，使传感器保持良好的重现性。

这种针织柔性传感器的工作原理如下：当传感器受到纵横双向拉伸力作用而产生应变时，由导电纱线组成的传感器纵行区域及传感器横列区域的导电网络电阻值将分别发生变化，通过引线203、204和201、202以及万用电表等，分别对两个传感器的电阻值进行测量，即可获得纵横双向各自的拉伸应变。

参见图2，在双针床电脑横机上编织上述针织柔性传感器时，需要采用多个导纱器并分区垫纱，各个导纱器分别配置在相应的导轨上，横机机头往复横移时可以控制各个导纱器的横移动程。其中：导纱器111穿普通纱线，用于编织连接区域101的上、下边缘若干横列和左边缘若干纵行；导纱器112为添纱导纱器，穿普通纱线与锦纶/氨纶包芯纱，用于编织非传感器横列区域102和104；导纱器113为添纱导纱器，穿镀银锦纶丝与锦纶/氨纶包芯纱，用于编织传感器横列区域103；导纱器114为添纱导纱器，穿普通纱线与锦纶/氨纶包芯纱，用于编织非传感器纵行区域106；导纱器115为添纱导纱器，穿镀银锦纶丝与锦纶/氨纶包芯纱，用于编织传感器纵行区域107；导纱器116为添纱导纱器，穿普通纱线与锦纶/氨纶包芯纱，用于编织非传感器纵行区域108；导纱器117穿普通纱线，用于编织连接区域101右边缘的第3到26横列。

参见图3，横机机头第一次右移1R和第一次左移1L并配合导纱器111的垫纱，完成连接区域101下边缘第1、2横列的编织，连接区域其它横列的编织原理相似；图中第1至第4枚针表示连接区域101的左边缘纵行，最后4枚针表示连接区域101的右边缘纵行。

参见图4，机头第二次右移2R时，导纱器111及117分别对左侧及右侧各4枚针垫纱进行连接区域编织；添纱导纱器112对前针床中间12枚针以及12枚针左、右侧各1枚连接区域的针垫纱，编织非传感器横列区域102的第3横列，并在第4枚针和第29枚针上形成双线圈（同心圆所示），使得非传感器横列区域102与连接区域101在横向连接。

机头第二次左移2L时系统不编织，为了避免导纱器的纱线在进行下一次编织时产生浮线。

机头第三次右移3R时，后针床中间的12枚织针从左到右分为三组，每4枚针为一组，添纱导纱器114、115和116分别对这三组织针垫纱，形成非传感器纵行区域106、传感器纵行区域107和非传感器纵行区域108；由于导纱器115与相邻的导纱器114及116在垫纱范围上不重合，因此使得传感器纵行区域107与非传感器纵行区域106和108在横列方向上不连接。

机头第三次左移3L时，导纱器117及111分别对右侧及左侧各4枚针垫纱进行连接区域编织；添纱导纱器116、115和114分别对后针床三组织针垫纱形成非传感器纵行区域108、传感器纵行区域107和非传感器纵行区域106，同时导纱器116和114还分别对第29枚针及第4枚针垫纱，在这两枚针上形成双线圈，使得非传感器纵行区域108及106与连接区域101在横向连接。

机头第四次右移4R时系统不编织，为了避免导纱器的纱线在进行下一次编织时产生浮线。

机头第四次左移4L时，添纱导纱器112对前针床中间12枚针垫纱，编织非传感器横列区域102的第4横列。

因此，机头经过三次往复横移，编织出了两个完整的线圈横列3和4。非传感器横列区域102及104其它横列的编织原理与之相似。

参见图5，表示传感器横列区域103的编织原理。与图4不同的是，机头在10R和12L横移时，添纱导纱器113对前针床中间12枚针以及12枚针左右侧各1枚连接区域的针垫纱，编织传感器横列区域103的第9、10横列，并在第4枚针和第29枚针上形成双线圈（同心圆所示），使得传感器横列区域103与连接区域101在横向连接。传感器横列区域103的其它横列的编织原理与之相似。

参见图6，机头在8R和9L横移时，添纱导纱器114、115和116对后针床中间三组各4枚针垫纱，形成非传感器纵行区域106、传感器纵行区域107和非传感器纵行区域108。

机头9R横移时，前针床中间12枚针不垫入新的纱线，但正常脱圈，使得传感器横列区域103与非传感器横列区域102在纵行方向断开连接。

机头8L横移时系统不编织，为了避免导纱器的纱线在进行下一次编织时产生浮线。

传感器横列区域103与非传感器横列区域104在纵行方向断开连接的编织原理与之相似。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器，其特征在于：包括上传感器层区域、下传感器层区域和连接区域；上传感器层区域由一个测量水平方向拉伸应变的传感器横列区域和两个非传感器横列区域组成，传感器横列区域位于其上侧和下侧的两个非传感器横列区域之间，传感器横列区域和非传感器横列区域在在交界处纵行方向没有连接；下传感器层区域由一个测量垂直方向拉伸应变的传感器纵行区域和两个非传感器纵行区域组成，传感器纵行区域位于其左侧和右侧的非传感器纵行区域之间，传感器纵行区域与非传感器纵行区域在交界处横列方向没有连接；上传感器层区域和下传感器层区域之间没有纱线连接；连接区域分别与上传感器层区域和下传感器层区域连接。

2.根据权利要求1所述的用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器，其特征在于：所述的上传感器层区域中，传感器横列区域由导电纱线和弹性纱线编织形成平针添纱组织，导电纱线是面纱位于上传感器层的外表面，弹性纱线是地纱位于上传感器层的内表面；两个非传感器横列区域由普通纱线和弹性纱线编织形成平针添纱组织，普通纱线是面纱位于上传感器层的外表面，弹性纱线是地纱位于上传感器层的内表面。

3.根据权利要求1所述的用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器，其特征在于：所述的下传感器层区域中，传感器纵行区域由导电纱线和弹性纱线编织形成平针添纱组织，导电纱线是面纱位于下传感器层的外表面，弹性纱线是地纱位于下传感器层的内表面；两个非传感器纵行区域由普通纱线和弹性纱线编织形成平针添纱组织，普通纱线是面纱位于下传感器层的外表面，弹性纱线是地纱位于下传感器层的内表面。

4.根据权利要求1所述的用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器，其特征在于：所述的连接区域的组织结构为1+1罗纹组织，由普通纱线编织而成；连接区域与上、下传感器层区域在左、右侧交界处的线圈纵行重叠，从而形成左、右侧的横向连接；连接区域与上、下传感器层区域在上、下侧交界处的线圈横列串套，从而形成上、下侧的纵向连接。

5.根据权利要求1、2或3所述的用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器，其特征在于：所述的上传感器层区域和下传感器层区域两者大小相等、彼此重合；上传感器层区域弹性纱线编织的内表面与下传感器层区域弹性纱线编织的内表面相接触，而上传感器层区域由导电纱线编织的位于外表面的传感器横列区域与下传感器层区域由导电纱线编织的位于外表面的传感器纵行区域没有接触。

6.根据权利要求2、3或4所述的用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器，其特征在于：所述的导电纱线为镀银锦纶丝，电导率为0.516Ω/mm；弹性纱线为锦纶/氨纶包芯纱；普通纱线为棉、羊毛、粘胶、涤纶、锦纶中的一种纯纺纱或几种混纺纱。

7.根据权利要求1、2或3所述的用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器，其特征在于：传感器横列区域和传感器纵行区域分别与外部导电引线相连。

8.根据权利要求1所述的用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器的制备方法，该针织柔性传感器在双针床电脑横机上编织，其特征在于：前、后针床的织针分别在电子选针装置的选针和对应导纱器的分区垫纱的配合下进行编织，形成上传感器层区域、下传感器层区域和连接区域。

9.根据权利要求8所述的用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器的制备方法，其特征在于：编织上传感器层区域时，前针床被选中的织针，经对应添纱导纱器的分区垫纱，将导电纱线和弹性纱线编织成圈形成传感器横列区域，将普通纱线和弹性纱线编织成圈形成上、下侧非传感器横列区域；在传感器横列区域与位于其上侧和下侧的两个非传感器横列区域的交界处，前针床织针不垫入新纱线但正常脱圈使线圈纵行中断。

10.根据权利要求8所述的用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器的制备方法，其特征在于：编织下传感器层区域时，后针床被选中的织针，经对应添纱导纱器的分区垫纱，将导电纱线编织成圈形成传感器纵行区域，将普通纱线和弹性纱线编织成圈形成左、右侧非传感器纵行区域；在传感器纵行区域与位于其左侧和右侧的两个非传感器纵行区域的交界处，导纱器的分区垫纱使导电纱线和弹性纱线编织的线圈与普通纱线编织的线圈之间没有重叠，使线圈横列中断。

11.根据权利要求8所述的用于测量双向拉伸应变的针织柔性传感器的制备方法，其特征在于：前、后针床被选中的织针，经对应导纱器的垫纱，将普通纱线编织成圈形成连接区域；在连接区域与上、下传感器层区域的交界线圈纵行处，相邻分区的两个导纱器之间重叠垫纱形成双线圈纵行，使连接区域分别与上、下传感器层区域在横向连接；在连接区域与上、下传感器层区域的交界线圈横列处，相邻的两线圈横列在纵行方向穿套使连接区域分别与上、下传感器层区域在纵向连接。