CN109000829A - 一种电容式压力分布监测材料和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式压力分布监测材料和方法，属于力学测试技术领域。所述材料包括：两组导电物质，两组导电物质之间可形成电容阵列；两组导电物质中其中一组导电物质所在的平面与另一组导电物质所在的平面之间包含非导电物质；通过两组导电线之间形成电容阵列，在受到外界压力时，两组导电线之间的距离在外界压力的作用下距离发生改变，导致电容值发生变化，将导电线接入外电路即可对该电容式压力分布监测材料受到的外界压力进行监测；而导电纱的距离或排布密度，决定了电容数量的密度，也决定了压力分布监测的分别率，该电容式压力分布监织物无需附加传感器器件，所以具有轻便柔软，回弹性高，非常适于人体应用环境中，且检测分辨率高。

Description

一种电容式压力分布监测材料和方法

技术领域

本发明涉及一种电容式压力分布监测材料和方法，属于力学测试技术领域。

背景技术

压力分布监测的应用领域非常广泛，例如医疗康复领域和人体运动科学领域，特别是对足部压力分布及其大小检测进行定量分析，结合专家系统作各种手术前后评估、损伤检测、药物研究评估、特殊人群步态评估，运动医学科研评估等等；还可以应用在工业测量领域，用来测量两个接触面的压力/印迹分布图、检测密封垫、轮胎纹路、坐垫、床垫或椅子舒适度等。

目前，压力分布监测的传感器多数是基于金属、半导体应变片、柔性导电聚合物等材料制作而成，压力分布监测的原理也多数基于压阻式传感器；也有电容式传感器，但其主要利用简单的柔性导电薄膜贴附于弹性介质的两侧，形成电容来进行压力分布的监测；

由于现有的压力分布监测技术都是将传感器镶嵌在载体中，所以存在以下问题：考虑到电路设计复杂度的原因导致电容传感器的数量小，例如脚底压力分布测试的鞋垫或袜子等，(何昱蓉等，基于压力分布测试的电容式压力传感器，微纳电子技术，2018,55(8),563-569)，电容传感器数量小就会带来压力分布监测结果粗糙，且因为弹性介质的存在，导致可以进行压力分布监测的鞋垫或袜子缺乏柔韧性，舒适性差；然而，对于人体健康、康复矫正、体育训练、运动生物学等领域均对传感器有柔软性和精密度性检测的要求，所以上述基于金属、半导体应变片、柔性导电聚合物或者是将柔性导电薄膜等材料贴附于弹性介质的两侧形成电容的压力分布传感器在这些领域的应用受到限制，从而需要开发具有舒适、压力分布检测精准、耐疲劳次数高等特点的柔性传感器。

发明内容

为了解决目前存在的因现有压力分布传感器本身的特点带来的使用领域受限的问题，本发明提供了一种电容式压力分布监测材料和方法，所述技术方案如下：

本发明的第一个目的在于提供一种电容式压力分布监测材料，所述材料包括：

两组导电物质，所述两组导电物质之间可形成若干电容；所述两组导电物质中其中一组导电物质所在的平面与另一组导电物质所在的平面之间包含非导电物质。

可选的，所述导电物质包括导电线、条状导电薄膜、表面沉积或印涂有导电层的条带。

可选的，若所述导电物质为导电线时，每组导电物质之间平行排布；若所述导电物质为导电薄膜或表面沉积或印涂有导电层的条带时，每组导电薄膜或表面沉积或印涂有导电层的条带处于同一平面且平行排布。

可选的，所述导电线包括导电柔性纤维、导电纱线、金属导线。

可选的，所述导电柔性纤维包括：不锈钢长丝、碳纤维长丝、镀银尼龙丝、纯银长丝、镀有导电金属的化纤长丝；所述导电纱线包括：不锈钢短切纱、碳纤维短切纱；所述金属导线包括漆包导线和裸露型金属导线；所述导电层包括：磁控溅射、化学镀、真空镀、电镀或涂层的金属、碳黑墨水、导电银浆；所述导电薄膜为热压的条状的导电薄膜，包括：聚吡咯导电薄膜、石墨烯薄膜或原位聚合法形成的导电薄膜。

所述化学镀包括络合发、银渗固法、沉积法。

可选的，所述导电物质的电阻≤10⁴Ω/m。

可选的，所述非导电物质包括：空气层、聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、EVA弹性泡沫或TPE弹性材料。

可选的，两组导电物质中的一组或两组的外侧排布有非导电物质。

可选的，所述导电物质中每根/条导电物质均能够接入外电路中，根据外电路发送的电压指令，实时记录两组导电物质之间形成的电容阵列的容抗值的变化。

可选的，所述电容式压力分布监测材料为织物材料时，所述导电物质包括：包覆型导电纱和裸露型导电纱；当导电纱线为包覆型导电纱时，所述两组导电物质中每组包覆型导电纱为连续或者非连续排布；当导电纱线为裸露型导电纱时，每组导电物质中相邻两根裸露型导电纱之间间隔的非导电线的根数≥5。

本发明的第二个目的在于提供一种电容式压力分布监测方法，所述方法包括：将上述的电容式压力分布监测材料中的导电物质接入外电路中，外电路通过发送电压指令，进行预订频率的指令扫描，实时记录两组导电物质之间形成的电容阵列的容抗值的变化，进而对电容式压力分布监测材料进行压力分布监测，所述预定频率≥150Hz。

本发明有益效果是：

通过两组导电线之间形成电容阵列，在该电容式压力分布监测材料收到外界压力时，两组导电线之间的距离在外界压力的作用下距离发生改变，导致电容值发生变化，将导电线接入外电路即可对该电容式压力分布监测材料受到的外界压力进行监测；本发明提供的电容式压力分布监测材料，不需要附加传感器器件，在该材料为织物材料时，轻便柔软，回弹性高，非常适于人体应用环境中，且检测分辨率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的导电线结构排布示意图；

图2是本发明实施例中涉及的织物材料的侧视图；

图3是本发明实施例中涉及的织物材料的俯视图；

图4是本发明实施例中涉及的织物材料的实物结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种电容式压力分布监测材料，所述材料包括：

两组导电物质，所述两组导电物质之间可形成电容阵列；所述两组导电物质中其中一组导电物质所在的平面与另一组导电物质所在的平面之间包含非导电物质。导电物质包括导电线、条状导电薄膜、表面沉积或印涂有导电层的条带。若所述导电物质为导电线时，每组导电物质之间平行排布；若所述导电物质为条状导电薄膜或表面沉积或印涂有导电层的条带时，每组导电薄膜或表面沉积或印涂有导电层的条带处于同一平面且平行排布。

本实施例以电容式压力分布监测材料为电容式压力分布监测织物为例进行说明；其中导电物质为导电柔性纤维、导电纱线、金属导线，两组导电柔性纤维或导电纱线或、金属导线为异面直线；本实施例以两组导电纱线为例且两组导电纱线成异面垂直位置关系为例进行说明，如图1所示；

电容式压力分布监测织物可以应用于人体健康、康复矫正、体育训练、运动生物学等领域；

其中，所述导电柔性纤维包括：不锈钢长丝、碳纤维长丝、镀银尼龙丝、纯银长丝、镀有导电金属的化纤长丝；所述导电纱线包括：不锈钢短切纱、碳纤维短切纱；所述金属导线包括漆包导线和裸露型金属导线；所述导电层包括：磁控溅射、真空镀、电镀、化学镀或涂层的金属、碳黑墨水、导电银浆；所述导电薄膜为热压的条状的导电薄膜，包括：聚吡咯导电薄膜、石墨烯薄膜或原位聚合法形成的导电薄膜；

所述化学镀包括络合发、银渗固法、沉积法。

导电物质的的电阻≤10⁴Ω/m；

当导电纱线为包覆型导电纱时，每组包覆型导电纱为连续或者非连续排布；当导电纱线为裸露型导电纱时，每组裸露型导电纱中相邻两根裸露型导电纱之间间隔的非导电线的根数≥5；

所述非导电物质包括：聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、EVA弹性泡沫或TPE弹性材料；

本发明实施例中涉及的织物材料的实物请参考图4，该电容式压力分布监测织物为立体交织结构；立体交织结构在织物表面形成可以重复的‘倒金字塔’形貌，一侧的倒金字塔的顶正好是另一侧到金子底座的四个角之一，‘倒金字塔’的凹陷结构在织物两侧正好错开分布。利用这种结构，在倒金字塔的底座织入平行排列的导电纱或导电长丝。如图4所示，一侧在底座织入平行排列的导电纱或导电长丝，与另一侧的一组导电纱或导电长丝形成垂直分布的形态，两组平行纱线通过不导电交织结构分割开，不能接触。两根垂直的导电纱在投影交叉的地方形成一个电容，如图3所示，电容的面积等于交叉处两个纱线宽度的乘积，电介质为空气，参考图1可知，电容的距离d等于织物厚度减去两根导电纱的厚度；

外部压力会使得两根垂直导电纱之间的距离d减少，电容值随之改变，从而监测出压力值的大小。假设一侧导电纱或导电长丝为N根，则两组呈垂直状态的导电纱或导电长丝形之间形成N*N个电容，N*N个电容在不匀压力的作用下发生不同程度的距离变化，从而监测出压力分布的情况。每组N根导电纱或导电长丝可以连续排布，也可以按照规律间隔排布，也可以是非规律间隔排布，可以根据实际需要监测的压力的排布区域进行排布导电纱或导电长丝，导电纱或导电长丝的密度(根数/cm)决定了织物单位面积上电容传感器的密度，即压力分布监测的分辨率。

该电容式压力分布监测织物在织造、整经过程中，利用设计好的交织结构组织单元的大小，将导电经纱，按照组织单元根数进行平行排列和整经；相似的，在引纬时，也是按照组织结构的单元根数，进行循环引入导电纱，进行交织打纬。其余的经纬纱线为不导电的纱线，如图2所示；不导电纱线为棉纱或各类化纤纱线。织物的厚度根据组织结构的循环根数确定，循环根数越多，则织物厚度通常越厚；另外，非导电区域的纱线也可以替换成含有氨纶的弹性包覆纱，制备的织物厚度提高，压缩的弹性模量也得到提高。

将该电容式压力分布监测织物应用于床上用品、汽车坐垫、健身塑形、田径运动员步态矫正等领域，均具有轻便舒适、压力分布检测精准、耐疲劳次数高的特点。

需要进行说明的是，本发明提供的电容式压力分布检测织物中，两组导电线可以排布在织物的上下表面，也可以排布在织物的中间。

本发明提供的电容式压力分布监织物通过两组导电线之间形成电容阵列，在该电容式压力分布监测材料收到外界压力时，两组导电线之间的距离在外界压力的作用下距离发生改变，导致电容值发生变化，将导电线接入外电路即可对该电容式压力分布监测材料受到的外界压力进行监测；由于该电容式压力分布监织物无需附加传感器器件，所以具有轻便柔软，回弹性高，非常适于人体应用环境中，且检测分辨率高。

需要进行说明的是，本发明提供的电容式压力分布监测材料为织物材料时，导电物质也可以是条状导电薄膜或表面沉积或印涂有导电层的条带，可以采用其他方式将条状导电薄膜或表面沉积或印涂有导电层的条带嵌入织物材料中以使用本发明提供的压力分布监测方法对压力进行监测。

需要进行说明的是，本发明提供的电容式压力分布监测材料除织物材料外，也可以是其他形式的材料，通过在材料的上表面和下表面排布两组导电物质，使两组导电物质呈异面交叉状态，两组导电物质的投影交叉位置形成电容，即可对材料所受到的外力进行监测。

实施例二

本实施例提供一种电容式压力分布监测方法，所述方法包括：

将实施例一提供的电容式压力分布监测材料中的导电物质接入外电路中，外电路通过发送电压指令，进行预订频率的指令扫描，实时记录两组导电物质之间形成的电容阵列的容抗值的变化，进而对电容式压力分布监测材料进行压力分布监测，预定频率≥150Hz。

由于实施例一提供的电容式压力分布监测材料中两组导电物质之间的非导电材料为弹性材料，所以在受到外部压力时，会发生形变导致两组导电线之间形成的电容距离d发生变化，请参考图1，进而导致电容值发生变化，外电路通过实时记录两组导电物质之间形成的电容阵列的容抗值的变化即可对应转化为该电容式压力分布监测材料所受到的外力变化。

需要进行说明的是，两组导电物质可以排布在电容式压力分布监测材料的上下表面，也可以排布在电容式压力分布监测材料的中间。

本发明提供的电容式压力分布监方法，通过对电容式压力分布监测材料中的导电物质之间形成的电容变化进行监测，实现对电容式压力分布监测材料所受到的外力进行监测，且由于该电容式压力分布监织物无需附加传感器器件，所以具有轻便柔软，回弹性高，非常适于人体应用环境中，且检测分辨率高。

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容式压力分布监测材料，其特征在于，所述材料包括：

两组导电物质，所述两组导电物质之间可形成电容阵列；所述两组导电物质中其中一组导电物质所在的平面与另一组导电物质所在的平面之间包含非导电物质。

2.根据权利要求1所述的电容式压力分布监测材料，其特征在于，所述导电物质包括导电线、条状导电薄膜、表面沉积或印涂有导电层的条带。

3.根据权利要求2所述的电容式压力分布监测材料，其特征在于，若所述导电物质为导电线时，每组导电物质之间平行排布；若所述导电物质为条状导电薄膜或表面沉积或印涂有导电层的条带时，每组导电薄膜或表面沉积或印涂有导电层的条带处于同一平面且平行排布。

4.根据权利要求3所述的电容式压力分布监测材料，其特征在于，所述导电线包括导电柔性纤维、导电纱线、金属导线。

5.根据权利要求4所述的电容式压力分布监测材料，其特征在于，所述导电柔性纤维包括：不锈钢长丝、碳纤维长丝、镀银尼龙丝、纯银长丝、镀有导电金属的化纤长丝；所述导电纱线包括：不锈钢短切纱、碳纤维短切纱；所述金属导线包括漆包导线和裸露型金属导线；所述导电层包括：磁控溅射、真空镀、电镀、化学镀或涂层的金属、碳黑墨水、导电银浆；所述导电薄膜为热压的条状的导电薄膜，包括：聚吡咯导电薄膜、石墨烯薄膜或原位聚合法形成的导电薄膜。

6.根据权利要求1-5任一所述的电容式压力分布监测材料，其特征在于，所述导电物质电阻≤10⁴Ω/m。

7.根据权利要求1-6任一所述的电容式压力分布监测材料，其特征在于，两组导电物质的一组或两组的外侧排布有非导电物质。

8.根据权利要求1-7任一所述的电容式压力分布监测材料，其特征在于，所述导电物质中每根/条导电物质均能够接入外电路中，根据外电路发送的电压指令，实时记录两组导电物质之间形成的电容阵列的容抗值的变化。

9.根据权利要求1-8任一所述的电容式压力分布监测材料，其特征在于，所述电容式压力分布监测材料为织物材料时，所述导电物质包括：包覆型导电纱和裸露型导电纱；当导电纱线为包覆型导电纱时，所述两组导电物质中每组包覆型导电纱为连续或者非连续排布；当导电纱线为裸露型导电纱时，每组导电物质中相邻两根裸露型导电纱之间间隔的非导电线的根数≥5。

10.一种电容式压力分布监测方法，其特征在于，所述方法包括：将权利要求1-9任一所述的电容式压力分布监测材料中的导电物质接入外电路中，外电路通过发送电压指令，进行预订频率的指令扫描，实时记录两组导电物质之间形成的电容阵列的容抗值的变化，进而对电容式压力分布监测材料进行压力分布监测，所述预定频率≥150Hz。