CN101017114A

CN101017114A - 以布料为基底的应变规

Info

Publication number: CN101017114A
Application number: CN 200610023820
Authority: CN
Inventors: 杨章民
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2007-08-15

Abstract

本发明提供一种应变规，其包含一布料基底以及至少一束导电纱。该布料基底为由多束非导电纱所织成，并且该布料基底其上定义一感测方向。而该至少一束导电纱中的每一束导电纱为藉由一纺织制程缠绕该等非导电纱中的一束非导电纱并且沿着该感测方向织贯通该布料基底。此外，该至少一束导电纱为能加载一电力，当一外力施加在该布料基底上时，该至少一束导电纱的几何性质改变，致使关于该加载电力的一电气性质的一变化量被感测到，进而指示出该应变规受该外力施加时沿着该感测方向的一伸长量。

Description

以布料为基底的应变规

技术领域

本发明涉及一种应变规(Strain gauge)，特别涉及一种以布料为基底的应变规。

背景技术

习知技术的应变规(Strain gauge)，或称为应变计，为由一固定电阻值，如120、350以及1000欧姆等的电阻所组成，通常为一金属导线。而应变规便是应用电阻的电阻值与其长度的改变成正比的原理，当该金属导线受到一外来物理量，如一拉力、一压力、一张力以及其它作用力等，而产生长度变化时，其电阻值的变化与长度变化成正比，藉由测量其电阻值的变化便可推算出该物理量的大小。

由于原理简单且使用方便，应变规已被大量应用于习知技术中的各种物理量的测量，举例而言，美国专利号第5,199,519号为提供一种用于测量或侦测力量的应变规；美国专利号第4,920,806号所揭露的一种用于测量荷重的应变规；中国台湾专利申请号第094200558号所揭露的一种包含有应变规的力量测量装置；以及中国台湾专利申请号第094205393号所提供的一种运用多个应变规的扭力扳手等。

通常，应变规为以惠斯通电桥(Wheatstone Bridge)的电路形式固定于如建筑、机械、工具等固体结构上，用以测量该等物体的受力大小，或是形变量。由于上述的应变规通常以黏贴方式固定，因此若要使用于生物体，如人体、动物肢体等活动的测量将有一定难度。

另一方面，随着社会年龄结构的改变，越来越多老年人口需要照护医疗，各式生理机能监测装置也成为医疗器材产业发展的重点。近年来，已有许多此类装置/系统被开发以监测生理机能如呼吸、心跳、身体动作…等。例如，中国台湾发明专利第125438号所揭露的一种无线医疗监控方法及监控系统；中国台湾新型专利第179015号所揭露的一种结合行动电话的生理机能侦测装置；以及中国台湾专利申请号第091110321号所揭露的一种用以监测生理机能状态的装置及该装置的监测处置方法等。

然而，上述各文献所揭露的生理机能监测装置/系统中，大部分须要在固定地点进行监测，因此较无机动性，并且可能因监测者或受测者的疏忽而未确实进行监测。此外，上述习知监测装置中的某些装置可以穿戴在受测者身上，而达到随时随地监测的效果，但却因为装置的重量以及体积，而容易造成受测者荷重的负担或是行动上的不便。

综上所述，可穿戴式(Wearable)生理机能监测装置，甚至可舒适穿戴的生理机能监测装置的发展确有其必要性。同时，若能结合应变规简单实用的特性，实为相关产品的一大进步。

发明内容

因此，本发明的一目的为提供一种应变规，并且特别地，该应变规为以布料为基底，致使该应变规具有极佳的可挠性(Flexibility)，并且能与任何型态的织物结合，适合于直接穿戴于任何对象上。

根据本发明的一较佳具体实施例的应变规包含一布料基底以及至少一束导电纱。

该布料基底为由多束非导电纱所织成，并且该布料基底其上定义一感测方向。

而该至少一束导电纱中的每一束导电纱为藉由一纺织制程缠绕该等非导电纱中的一束非导电纱并且沿着该感测方向织贯通该布料基底。

此外，该至少一束导电纱为能加载一电力。当一外力施加在该布料基底上时，该至少一束导电纱的几何性质改变，致使关于该加载电力的一电气性质的一变化量被感测到，进而指示出该应变规受该外力施加时沿着该感测方向的一伸长量。

关于本发明的优点与精神可以藉由以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

附图说明

图1A是根据本发明的一应变规1的结构示意图，以绘示出该至少一束导电纱中的每一束导电纱，为藉由一平织制程缠绕该等非导电纱中的一束非导电纱。

图1B是根据本发明的一应变规1的结构示意图，以绘示出该至少一束导电纱中的每一束导电纱，为藉由一针织制程缠绕该等非导电纱中的一束非导电纱。

图2是根据本发明的一具体实施例的应变规的立体显微镜影像。

图3是根据本发明的一实际应用的衣物示意图。

图4是绘示根据图3中的该衣物处在不同状态下该衣物上应变规的电压变化。

具体实施方式

以下将详述本发明的较佳具体实施例以及实际应用案例，藉以充分说明本发明的特征、精神及优点。

该布料基底为由多束非导电纱所织成，并且该布料基底其上定义一感测方向。在一具体实施例中，该等非导电纱具有弹性，致使该应变规能与服贴在各种表面，如胸部、手肘、以及膝盖等，提升感应的灵敏度与准确度。

而该至少一束导电纱中的每一束导电纱，为藉由一纺织制程缠绕该等非导电纱中的一束非导电纱，并且沿着该感测方向，如一水平方向或一垂直方向，织贯通该布料基底。

此外，该至少一束导电纱为能加载一电力。当一外力施加在该布料基底上时，该至少一束导电纱的几何性质，例如，伸长量、宽度等，改变，致使关于该加载电力的一电气性质，如一阻抗(Impendence)或一磁通量(Magnetic flux)，的一变化量被感测到，进而指示出该应变规受该外力施加时沿着该感测方向的一伸长量。

请参阅图1A，在一具体实施例中，如前述，该应变规1包含一布料基底11以及至少一束导电纱13。并且该布料基底11其上定义一感测方向L。该至少一束导电纱13中的每一束导电纱13，为藉由一平织制程(Weavingprocess)沿着该感测方向L缠绕该等非导电纱113中的一束非导电纱113。

此外，请参阅图1B，在另一具体实施例中，该至少一束导电纱23中的每一束导电纱23，为藉由一针织制程(Knitting process)沿着该感测方向L缠绕该等非导电纱213中的一束非导电纱213。

进一步请参阅图2，图2为根据本发明的一具体实施例的应变规的立体显微镜影像。如前述，该应变规1包含一布料基底11以及至少一束导电纱13。此外，该布料基底为由多束非导电纱213所织成，并且该布料基底11其上定义一感测方向L。

特别地，该应变规的结构如图1A所示，该至少一束导电纱13中的每一束导电纱13，为藉由一针织制程缠绕该等非导电纱113中的一束非导电纱113，并且沿着该感测方向L织贯通该布料基底11。

同样请参阅图2，该至少一束导电纱13中的每一束导电纱13为由至少一根超细金属线(Ultra-fine metal wire)131与多根纺织纤维(Textilefibers)133所捻成。

在实际应用中，上述每一根超细金属线131可以由一不锈钢(Stainlesssteel)、一镍-铬合金(Ni-Cr alloy)或一铜-铬合金(Cu-Cr alloy)所制成。此外，每一根超细金属线131具有范围从10微米至80微米的直径。

并且，在实际应用中，上述该多根纺织纤维133可视应用环境而选择，通常为一般的天然纤维或人造纤维，例如，棉纤维，或PET纤维，或Aramid纤维等各式纺织纤维。

此外，根据习知技术，该等导电纱在该布料基底上的密度以及分布范围可以有弹性地改变，以符合不同的应用需求。另一方面，由于前述该具体实施例中的应变规为以超细金属线作为该导电纱的材料，因此较耐用、耐洗涤，并且不容易断裂，更能防止因断裂所造成的失效或污染。

在一具体实施例中，该至少一束导电纱中的每一束导电纱大体上为由纺织纤维以及金属纤维(Metal fibers)所组成，并且每一束导电纱所含金属纤维为占其本身体积比的1％至100％。

在实际应用中，该等金属纤维可以为不锈钢纤维(Stainless steelfibers)、镍-铬合金纤维(Ni-Cr alloy fibers)或铜-铬合金纤维(Cu-Cralloy fibers)。此外，上述每一根金属纤维具有范围从1微米至30微米的直径。

在另一具体实施例中，该至少一束导电纱中的每一束导电纱大体上为由纺织纤维以及金属化纤维(Metallic fibers)所组成，并且每一束导电纱所含金属化纤维为占其本身体积比的1％至100％。

在实际应用中，该等金属化纤维可以由天然纤维(Natural fibers)、合成纤维(Synthetic fibers)、碳纤维(Carbon fibers)或玻璃纤维(Glassfibers)披覆铜、铝或银金属而成。

在实际应用中，根据本发明的应变规可以藉由习知的纺织技术，如拼接、车缝、黏贴、扣合等，与各种形式的织物，如衣物、护肘、护膝、枕头、床垫等紧密结合，以应用于不同领域的监测。

举例而言，当该应变规与一枕头结合时，可用于监测受测者的睡眠状态，当受测者在睡眠时移动或转动头部，将致使该枕头上不同部位的应变规的受力改变，造成其电气性质改变。藉由记录并分析该等应变规的电气性质变化，可归纳出受测者在睡眠时头部的移动或转动模式以及频率，作为改善睡眠品质的参考。

举例而言，当该应变规与一护肘结合时，可用于监测受测者，如运动员的手肘动作状态。当该受测者穿戴该护肘并且进行手部动作时，如挥棒、挥拍、投篮等，该护轴上的应变规的电气性质变化频率可反映出其动作的频率；而其电气性质变化的强度，能反映出该受测者动作的力道大小以及速度。

请参阅图3，图3为根据本发明的一实际应用的示意图。在该实际应用中，一种生理机能监测系统3被揭露，该生理机能监测系统3包含一衣物31、根据本发明的一应变规33以及一监测模块35。根据本具体实施例的该衣物31可穿著在一受测者身上，致使该应变规33恰好位于该受测者腹部的位置，以监测受测者的呼吸。该应变规33具有一感测方向L，并且该应变规中的该等导电纱331为藉由一平织制程沿着该感测方向L贯通该应变规的布料基底333。

此外，该应变规33为电连接至该监测模块35。而该监测模块35可进一步包含一电力供应组件、一记录组件、一处理组件以及一显示组件。该电力供应组件，如一电池，为用以提供一电力加载于该等导电纱331；该记录组件为用以记录呼吸时，该导电纱311的电气性质的改变；该处理组件为用以处理该记录组件所记录的讯息，并且将处理后的讯息藉由该显示组件呈现。

在一实施例中，一受测者穿著如图3中的衣物进行呼吸监测。并且，该受测者为在正常状态下在室温中接受呼吸监测。请参阅图4，该图具体分为A、B、C和D四部分。图4中A部分为该衣物放置在桌面上，并且不受到任何外力作用时，该应变规的电压变化，其中，横轴代表时间，而纵轴代表电压大小；图4中C部分为该衣物穿著在一受测者身上，监测该受测者呼吸时，该应变规的电压变化，同样地，横轴代表时间，而纵轴代表电压大小；图4中B部分则显示根据C部分中的原始波形经由放大器放大并且过滤之后，显示该受测者呼气时，该衣物上的应变规的电压变化；而图4中D部分则显示根据C部分中的原始波形经由放大器放大并且过滤之后，显示该受测者吸气时，该衣物上的应变规的电压变化。请注意，在本测试过程中，电压的变化与电阻的变化成正比。

由图4中B部分以及D部分中可清楚发现，当该受测者随着时间在正常状态下进行监测时，由于呼吸规律，因此电压/电阻变化的周期也很规律。请注意，电压/电阻的增减原理仍需进一步科学验证，然其并不在本发明的讨论范畴内，因此在此不作赘述。此外，进一步比较图4中A部分至D部分可发现，根据本发明的应变规能清楚地反映出拉伸/收缩的变化，表现出极佳的灵敏度，可确实表现出其受力状态。

进一步，根据本发明的应变规受到外力作用时，会产生几何性质改变，因而产生电压/电阻的改变。如图4中A部分至D部分所示，当电压/电阻改变时，会产生一脉冲(Pulse)。在实际应用中，该脉冲可作为一触发讯号(Trigger signal)，用以激活/关闭一电子组件，如，声光警示器、台灯、蜂鸣器…等。因此，在实际应用中，根据本发明的应变规可被应用作为一触碰式开关。

显而易见地，根据本发明的以布料为基底的应变规可与各种织物结合，致使其能服贴于受测者肢体，而具有极高的灵敏度以及准确性。更重要地，根据本发明的以布料为基底的应变规能发展成为一种可舒适穿戴的生理机能监测装置，以解决习的生理机能监测装置的问题。并且，根据本发明的应变规除了医疗照护的应用外，更能被广泛运用于许多不同的领域中。

虽然本发明是结合它的具体的实施例进行说明的，但对于熟悉本技术领域的人员来说其他的变化和修改和其他的使用是显而易见的。因此本发明要保护的范围并不受到上述说明的限制，而仅受本发明权利要求的限制。

Claims

1、一种应变规(Strain gauge)，其特征在于，包含：

一布料基底(Fabric base)，该布料基底为由多束非导电纱(Non-conductive yarn)所织成，该布料基底其上定义一感测方向(Sensed direction)；以及

至少一束导电纱(Conductive yarn)，该至少一束导电纱中的每一束导电纱为藉由一纺织制程(Textile process)缠绕该等非导电纱中的一束非导电纱并且沿着该感测方向织贯通该布料基底；

其中该至少一束导电纱能加载一电力，当一外力施加在该布料基底上时，该至少一束导电纱的几何性质改变，致使关于该加载电力的一电气性质的一变化量被感测到，进而指示出该应变规受该外力施加时沿着该感测方向的一伸长量(Elongation)。

2、如权利要求1所述的应变规，其特征在于，其中关于该加载电力的该电气性质为一阻抗(Impendence)。

3、如权利要求1所述的应变规，其特征在于，其中关于该加载电力的该电气性质为一磁通量(Magnetic flux)。

4、如权利要求1所述的应变规，其特征在于，其中该等非导电纱具有弹性。

5、如权利要求1所述的应变规，其特征在于，其中该纺织制程为一平织制程(Weaving process)或一针织制程(Knitting process)。

6、如权利要求1所述的应变规，其特征在于，其中该至少一束导电纱中的每一束导电纱大体上为由纺织纤维(Textile fibers)以及金属纤维(Metalfibers)所组成，并且每一束导电纱所含金属纤维为占其本身体积比的1％至100％。

7、如权利要求6所述的应变规，其特征在于，其中该等金属纤维为不锈钢纤维(Stainless steel fibers)、镍-铬合金纤维(Ni-Cr alloy fibers)或铜-铬合金纤维(Cu-Cr alloy fibers)。

8、如权利要求7所述的应变规，其特征在于，其中每一根金属纤维具有范围从1微米至30微米的直径。

9、如权利要求1所述的应变规，其特征在于，其中该至少一束导电纱中的每一束导电纱大体上为由纺织纤维(Textile fibers)以及金属化纤维(Metallic fibers)所组成，并且每一束导电纱所含金属化纤维为占其本身体积比的1％至100％。

10、如权利要求9所述的应变规，其特征在于，其中该等金属化纤维为由天然纤维(Natural fibers)、合成纤维(Synthetic fibers)、碳纤维(Carbonfibers)或玻璃纤维(Glass fibers)披覆铜、铝或银金属而成。

11、如权利要求1所述的应变规，其特征在于，其中该至少一束导电纱中的每一束导电纱为由至少一根超细金属线(Ultra-fine metal wire)与多根纺织纤维所捻成。

12、如权利要求11所述的应变规，其特征在于，其中每一根超细金属线具有范围从10微米至80微米的直径。

13、如权利要求12所述的应变规，其特征在于，其中每一根超细金属线为由一不锈钢(Stainless steel)、一镍-铬合金(Ni-Cr alloy)或一铜-铬合金(Cu-Cr alloy)所制成。