CN105887287B - 具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法 - Google Patents

具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法，首先选择一种弹性纱线，织造成三维中空间隔织物，作为天线的介质基片，测试并计算其介电常数和介电损耗；根据计算结果及天线所需的工作频率，计算天线辐射元的基本尺寸，选择一种导电纱线与弹性纱线一起织造天线的辐射元、馈电线、介质基板以及接地板；最后通过垂直捆绑纱，将各部分织造成一个整体的、压缩变形时频率变化明显且存在线性规律的三维间隔织物天线结构。本发明将压缩敏感的纺织结构与天线元件相结合，实现了一种同时兼具无线信号传输功能和压缩传感功能的织物；该织物结构完整性好，在外力作用下变形稳定均匀、可以预测；产品成本较低，性能稳定，有利于推广使用。

Description

具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法，属于功能纺织品以及智能纺织品技术领域。
背景技术
传感器(英文名称：transducer/sensor)是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
随着社会的进步和科学技术的发展，作为与人类密切相关的纺织品已不仅仅只具有御寒、保暖和视觉美观的功能，人们对纺织品的功能性、智能性有了更高的要求。电子智能纺织品作为智能纺织品的一种，是电子技术与现代纺织技术融合的新型智能纺织品。
电子智能纺织品是传感、通讯、人工智能等高科技手段应用于纺织品技术上而开发出的新型纺织品。目前为止，对纺织结构的传感器已经有了大量的研究。第一阶段是将传统的面料和一些普通的电子元件，如传感器、电阻、二极管、芯片等通过对面料和服装结构的设计把电子元件附加在纺织品或服装上。该种传感器不能折叠，不能清洗，且无法大规模生产。第二阶段电子智能纺织品发展到把传感器、处理器、存储器等电子元件微化，将其与纤维结合，制作成特种纤维，如导电纤维等，再用这些特种纤维编织成面料，制作成服装。这种传感器克服了早期传感器不能折叠、不能清洗的缺点，但是这种结构仍是将单一功能的传感元件，收发信号元件嵌入到纺织品中。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何制备一种兼具无线信号传输功能和压缩传感功能的压缩传感织物。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法，其特征在于，该方法由以下3个步骤组成：
步骤1：选择一种弹性纱线，织造成三维中空间隔织物，作为天线的介质基片，测试并计算其介电常数和介电损耗；
步骤2：根据天线所需的工作频率和所得到的介电常数、介电损耗，计算天线的辐射元的基本尺寸，选择一种导电纱线，与所述弹性纱线一起织造天线的辐射元、馈电线、介质基板以及接地板；
步骤3：通过垂直捆绑纱，将介质基片、辐射元、馈电线、介质基板以及接地板依次织造成为一个整体的、压缩变形时频率变化明显且存在线性规律的三维间隔织物天线结构；
所述三维间隔织物天线结构的厚度为1mm-2cm。
优选地，所述步骤1中，弹性纱线的介电性能为：介电常数2-8，介电损耗角正切0.00001-0.01。
更优选地，所述步骤1中，弹性纱线为弹性氨纶、涤纶弹性纱线或弹性橡胶纱线等高弹纤维，也可选用高性能纤维、普通的化学纤维等其它类型的纤维。
进一步地，所述弹性纱线密度为40-2000dtex。
优选地，所述步骤1中，三维间隔织物天线结构为三维正交织物、三维角联锁织物或三维间隔织物。
优选地，所述步骤2中，导电纱线的电导率为103-108s/m。
更优选地，所述步骤2中，导电纱线为金属线、碳纳米管纱线、石墨烯纤维、碳纤维或导电涂层纱线。
优选地，所述步骤3中，垂直捆绑纱为间隔纱线。
更优选地，所述柱纱或间隔纱线为涤纶单丝、丙纶、锦纶或维纶单丝，可以通过调整柱纱的模量来调整织物的压缩传感灵敏度。
优选地，所述三维间隔织物天线结构基于微带天线结构、对称振子天线结构或相控阵天线结构。
优选地，所述三维间隔织物天线结构为单辐射元天线结构或阵列天线结构。
优选地，当三维间隔织物天线结构发生压缩变形时，天线的工作频率发生变化；通过对天线信号的监测反推三维间隔织物天线结构的压缩变形情况，从而实现三维间隔织物天线结构压缩传感监测功能。
优选地，所述天线的工作频率可选用L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段等，可按照实际需求的工作频率来设计织造天线的尺寸。
优选地，所述压缩变形包括三维间隔织物天线结构整体压缩变形实现传感功能，以及三维间隔织物天线结构各部分局部压缩变形实现传感功能。
本发明采用三维织物制造技术，将导电纱线与弹性纱线织造成为三维间隔织物天线结构，其辐射元、接地板以及馈电线由导电纱线构成，介质基片由介电性能优良的弹性纱线构成，各个部件通过三维织造工艺织造成为一个整体。当织物发生压缩变形时，天线的工作频率发生变化。通过对天线信号的监测可反推织物的压缩变形情况，从而实现织物压缩传感监测功能。为功能纺织品以及智能纺织品提供了一种新的设计思路。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、将压缩敏感的纺织结构与天线元件相结合，实现了一种同时兼具无线信号传输功能和压缩传感功能的压缩传感织物；
2、该压缩传感织物具有结构完整性好，在外力作用下变形稳定均匀、可以预测的特点，从而可以通过反推天线工作频率的偏移来感知织物的压缩变形，实现织物压缩传感监测功能；
3、该压缩传感织物具有柔性的纺织结构，能够与曲面共形；
4、采用中空间隔织物，中空度高，介电常数小，介电损耗小，制成的微带天线性能更好；
5、采用自动化三维机织工艺，产品成本较低，性能稳定，有利于推广使用，在军工国防、人体运动监测、智能服装与智能结构领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为单辐射元压缩传感织物天线侧视图；
图2为辐射元压缩传感织物天线正视图；
图3为压缩传感织物天线整体压缩的频率变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
结合图1，涤纶间隔织物天线压缩传感织物的制备，具体方法如下：
(1)选用普通涤纶纤维作为经纬纱，细度为200tex；选用紫铜丝作为导电纱线，直径为0.6mm；选用涤纶单丝作为间隔纱，细度为20tex。
(2)设计天线工作频率为2.4GHz，天线的设计厚度为5mm，制备的三维间隔涤纶织物的介电常数为2，根据微带天线设计公式(参见《天线理论与技术》第六章，钟顺时编著)，可计算得到微带天线尺寸参数。如图2所示，其中w和L分别为辐射元宽和长，WG和LG为成品微带天线的宽和长FL为微带线的长度，FD为微带线的宽度。
(3)织造单辐射元微带天线预制件。设计基本结构预制件包括三层，最上层为导电纤维1织造的辐射元5结构层；其下层为经纬纱织物层3，经纬纱织物层3起到支撑辐射元5的作用；最下层为导电纤维织造的接地板层6；经纬纱织物层4与接地板层6之间为间隔纱线4构成的中空结构。每引纬一次，经纬纱织物层3、接地板层6与间隔纱线4分别交织一次，形成“8”字形结构。在沿织造方向达8.4mm时，开始使用梭子织造天线的辐射元5，选取最上层面纱，使用一个绕有铜绞线的梭子来引纬，穿过提起的经纱2，梭子每引一次纬，打纬一次，完成辐射元前半部分的36.2mm后，到达馈电网络7时，继续织造后半部分辐射元以及天线结构，织造工作完成。将同轴连接器(JSMA-KFD40)的探针与辐射元的馈电点处焊接，同轴连接器的底座与天线预制件的下层铜线相焊接，即得到涤纶间隔织物天线压缩传感织物。
(4)该织物在压缩0-3mm的过程中，其工作频率由2.4GHz减小至1.85GHz；如图3所示。通过对工作频率变化与压缩距离的拟合即得到两者之间的对应关系，利用该对应关系可以通过监测无线信号的变化情况感知织物的受压缩情况。
实施例2
芳纶间隔织物天线压缩传感织物的制备，具体方法如下：
(1)选用杜邦公司凯夫拉129芳纶纤维作为经纬纱，细度为167tex；选用锦纶镀银纱线为导电纱线，细度为100tex；选用涤纶单丝作为间隔纱，细度为20tex。
(2)设计天线工作频率为1.5GHz，天线的设计厚度为5mm，制备的三维间隔芳纶织物的介电常数为1.8，根据微带天线设计公式，可计算得到微带天线尺寸参数。其中W和L分别为辐射元宽和长，WG和LG为成品微带天线的宽和长FL为微带线的长度，FD为微带线的宽度。
(3)织造单辐射元微带天线预制件。设计基本结构预制件包括三层，最上层为导电纤维1织造的辐射元5结构层；其下层为经纬纱织物层3，经纬纱层织物层3起到支撑辐射元的作用；最下层为导电纤维织造的接地板层6；经纬纱织物层3与接地板层6之间为间隔纱线4构成的中空结构。每引纬一次，经纬纱织物层3、接地板层6与间隔纱线4分别交织一次，形成“8”字形结构。在沿织造方向达9.2mm时，开始使用梭子织造天线的辐射元5，选取最上层面纱，使用一个绕有铜绞线的梭子来引纬，穿过提起的经纱2，梭子每引一次纬，打纬一次，完成辐射元前半部分的40.8mm后，到达馈电网络7时，继续织造后半部分辐射元以及天线结构，织造工作完成。将同轴连接器(JSMA-KFD40)的探针与辐射元的馈电点处焊接，同轴连接器的底座与天线预制件的下层铜线相焊接，即得到芳纶间隔织物天线压缩传感织物。
(4)该织物在压缩0-3mm的过程中，其工作频率由1.5GHz减小至1.15GHz。通过对工作频率变化与压缩距离的拟合即得到两者之间的对应关系，利用该对应关系可以通过监测无线信号的变化情况感知织物的受压缩情况。

Claims (10)

1.一种具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法，其特征在于，该方法由以下3个步骤组成：
步骤1：选择一种弹性纱线，织造成三维中空间隔织物，作为天线的介质基片，测试并计算其介电常数和介电损耗；
步骤2：根据天线所需的工作频率和所得到的介电常数、介电损耗，计算天线的辐射元的基本尺寸，选择一种导电纱线，与所述弹性纱线一起织造天线的辐射元、馈电线、介质基板以及接地板；
步骤3：通过垂直捆绑纱，将介质基片、辐射元、馈电线、介质基板以及接地板织造成为一个整体的、压缩变形时频率变化明显且存在线性规律的三维间隔织物天线结构；
所述三维间隔织物天线结构的厚度为1mm-2cm。
2.如权利要求1所述的一种具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，弹性纱线的介电性能为：介电常数2-8，介电损耗角正切0.00001-0.01。
3.如权利要求1或2所述的一种具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，弹性纱线为弹性氨纶、涤纶弹性纱线或弹性橡胶纱线。
4.如权利要求1所述的一种具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，三维间隔织物天线结构为三维正交织物、三维角联锁织物或三维间隔织物。
5.如权利要求1所述的一种具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，导电纱线的电导率为103-108s/m。
6.如权利要求1或5所述的一种具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，导电纱线为金属线、碳纳米管纱线、石墨烯纤维、碳纤维或导电涂层纱线。
7.如权利要求1所述的一种具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，垂直捆绑纱为间隔纱线。
8.如权利要求1所述的一种具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法，其特征在于：所述三维间隔织物天线结构基于微带天线结构、对称振子天线结构或相控阵天线结构。
9.如权利要求1所述的一种具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法，其特征在于：当三维间隔织物天线结构发生压缩变形时，天线的工作频率发生变化；通过对天线信号的监测反推三维间隔织物天线结构的压缩变形情况，从而实现三维间隔织物天线结构压缩传感监测功能。
10.如权利要求1或9所述的一种具有无线信号传输功能的压缩传感织物的制备方法，其特征在于：所述压缩变形包括三维间隔织物天线结构整体压缩变形，以及三维间隔织物天线结构各部分局部压缩变形。
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