CN112082675A - 一种弹性阵列压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弹性阵列压力传感器，本发明将弹性导电纤维技术应用到阵列压力传感器中，实现在大变形情况下对压力进行检测的技术；本发明将弹性导电纱线作为电极布置在传感层两侧，并缝制在传感层上，传感层为导电布材质，使得整个传感器更加轻薄柔软；本发明中弹性导电纱线的制备方法，使用现有的纺纱设备及成熟的环锭纺工艺，制作工艺简单，成本低，易实现规模化生产；本发明中弹性导电纱线，在动态拉伸该弹性导电纱线时，螺旋缠绕在弹性纤维长丝外侧的导电包芯纱彼此之间绝缘，能够沿弹性纤维长丝方向延伸运动，且其有效导电长度保持不变，即实现电阻值稳定不变，同时满足柔性、可拉伸性要求。

Description

一种弹性阵列压力传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种弹性阵列压力传感器。
背景技术
随着柔性电子、智能纳米材料和微纳制造等领域的不断进步，具有轻薄便携、可弯折拉伸、电学性能优异和集成度高等特点的柔性压力传感器在软体机器人、医疗器械、可穿戴设备等领域展现出了很大的应用前景，是最受关注的传感器技术之一。在目前的应用过程中，对柔性阵列压力传感器的弹性性能提出了更高要求，即在大的拉伸变形下，传感器也能正常工作。
现有的柔性阵列传感器多采用电阻式，例如申请号为201210265123.9的专利提出了一种压力分布检测装置，主要包括传感器阵列组成的柔性阵列传感器单元、信号调理及数据采集单元和数据显示及分析单元三个部分，柔性阵列传感器单元依次连接信号调理及数据采集单元和数据显示及分析单元；柔性阵列传感器单元由传感器阵列和惠斯通电桥电路组成，其中传感器阵列由传感器节点组成，每个传感器节点对应一个应变片，应变片为金属箔片式电阻应变片；应变片按照行和列的方式排列组成传感器阵列；但应变片较厚且柔性不好，导致揉搓时容易与柔性基底脱开，不能适应于弹性要求较大的场合。
另外，有人以炭黑/硅橡胶制制备压敏复合材料，通过转印3D打印微结构模板图案，获得具有四棱锥结构的柔性压力传感器；利用印刷工艺直接印刷压力传感器，此技术制成的传感器能够实现对压力的感知，适合大面积集成应用，但在发生大的拉伸变形的场合，印刷的导电银浆容易脱落，影响传感器的使用效果。
利用高导电性能的导电布制成的柔性阵列压力传感器的电极，虽然能够做到比较柔软，但在大的拉伸变形情况下，有可能会将电极内的导电纤维拉断，并且导电布内的导电纤维其电阻会随拉伸变形而发生变化，影响使用效果。
因此，亟需一种弹性阵列压力传感器来解决现有的技术问题
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明将弹性导电纤维技术应用到阵列传感器技术中，最终提供一种弹性阵列压力传感器。
一种弹性阵列压力传感器，包括传感层、纵向电极和横向电极所述若干保持一定间距纵向排列的纵向电极设置在所述传感层的一侧；所述若干保持一定间距横向排列的横向电极设置在所述传感层的另一侧；所述纵向电极和横向电极交叉布置，交叉点形成阵列传感器。
所述传感层为导电纤维布，没有受到按压时表现为高阻抗，当受到按压时，阻抗会变小，阻抗的变化反应按压力的大小。
在所述纵向电极和横向电极的交叉点上进行按压时，所述传感层的阻抗变小，所述纵向电极和横向电极通过传感层导通，检测导通了的交叉点的电阻变化来体现按压状态。
其中，所述纵向电极和横向电极在被按压时，电阻不发生改变，从而避免所述纵向电极和横向电极对按压力检测的影响。
所述纵向电极和横向电极的交叉点作为压力的检测点，其位置不能发生改变；为了将交叉点的位置固定住，将交叉点周围的所述纵向电极上的第一点和第二点及横向电极上第三点和第四点采用缝制技术缝制在所述传感层上。
通过固定交叉点的位置，也使整条纵向电极和横向电极固定在传感层上。
本发明中，所述纵向电极和横向电极选用弹性较好的弹性导电纱线，在大变形量的情况下，依然保持良好的导电性能，且电阻值不会发生变化，避免了导电纱线对压力检测的影响，使压力检测值更加准确。
所述弹性导电纱线，其制备方法，包括如下步骤：
S1，首先采用环锭纺制备导电包芯纱；在环锭纺细纱机上，将预定量的纤维粗纱从喇叭口(未图示)喂入，经过牵伸装置牵伸后得到纤维须条，纤维须条被牵伸装置的前下罗拉和前上皮辊组成的第一前罗拉口按压；同时，导电纤维长丝经过第一张力盘、第一导丝辊后，从第一前罗拉口喂入；
所述纤维粗纱加捻包缠所述导电纤维长丝形成导电包芯纱；这样，所述导电包芯纱的芯纱为导电纤维长丝，所述导电包芯纱的鞘层为纤维粗纱；
S2，采用步骤S1得到的导电包芯纱利用环锭纺制备弹性导电纱线；将弹性纤维长丝与步骤S1得到的所述导电包芯纱分别对应经过第二张力盘与第二导丝辊、第三张力盘与第三导丝辊后，同时从第二前罗拉口喂入，加捻包缠，得到弹性导电纱线。所述导电包芯纱螺旋状包缠在所述弹性纤维长丝外侧。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明将弹性导电纤维技术应用到阵列压力传感器中，实现在大变形情况下对压力进行检测的技术；
2)本发明将弹性导电纱线作为电极布置在传感层两侧，并缝制在传感层上，传感层为导电布材质，使得整个传感器更加轻薄柔软；
3)本发明中弹性导电纱线的制备方法，使用现有的纺纱设备及成熟的环锭纺工艺，首先采用导电纤维长丝及纤维粗纱制作导电包芯纱，其中导电纤维长丝为芯纱，纤维粗纱为鞘层；再将导电包芯纱螺旋状包缠在弹性纤维长丝外侧；制作工艺简单，成本低，易实现规模化生产；
4)本发明中弹性导电纱线，在动态拉伸该弹性导电纱线时，螺旋缠绕在弹性纤维长丝外侧的导电包芯纱彼此之间绝缘，能够沿弹性纤维长丝方向延伸运动，且其有效导电长度保持不变，即实现电阻值稳定不变，同时满足柔性、可拉伸性要求。
附图说明
图1为本发明中弹性阵列压力传感器的三维结构示意图
图2为本发明中弹性阵列压力传感器的俯视图
图3为本发明中导电包芯纱的结构示意图
图4为本发明中弹性导电纱线的结构示意图
图5为本发明中弹性导电纱线制备方法中步骤S1的工作原理示意图
图6为本发明中弹性导电纱线制备方法中步骤S2的工作原理示意图
图中：1、传感层；2、纵向电极；3、横向电极；4、第一点；5、第二点；6、第三点；7、第四点；10、导电包芯纱；11、纤维粗纱；12、导电纤维长丝；30、牵伸装置；31、前下罗拉；32、前上皮辊；33、中罗拉牵伸对；34、后罗拉牵伸对；40、纱管；41、导纱钩；121、第一张力盘；122、第一导丝辊；20、弹性纤维长丝；201、第二张力盘；202、第二导丝辊。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1所示，一种弹性阵列压力传感器，包括传感层1、纵向电极2和横向电极3；所述若干保持一定间距纵向排列的纵向电极2设置在所述传感层1的一侧；所述若干保持一定间距横向排列的横向电极3设置在所述传感层1的另一侧；所述纵向电极2和横向电极3交叉布置，交叉点形成阵列传感器。
所述传感层1为导电纤维布，没有受到按压时表现为高阻抗，当受到按压时，阻抗会变小，阻抗的变化反应按压力的大小。
在所述纵向电极2和横向电极3的交叉点上进行按压时，所述传感层1的阻抗变小，所述纵向电极2和横向电极3通过传感层1导通，检测导通了的交叉点的电阻变化来体现按压状态。
其中，所述纵向电极2和横向电极3在被按压时，电阻不发生改变，从而避免所述纵向电极2和横向电极3对按压力检测的影响。
所述纵向电极2和横向电极3的交叉点作为压力的检测点，其位置不能发生改变；如图2所示，为了将交叉点的位置固定住，将交叉点周围的所述纵向电极2上的第一点4和第二点5及横向电极3上第三点6和第四点7采用缝制技术缝制在所述传感层1上。
通过固定交叉点的位置，也使整条纵向电极2和横向电极3固定在传感层1上。
本发明中，所述纵向电极2和横向电极3选用弹性较好的弹性导电纱线100，在大变形量的情况下，依然保持良好的导电性能，且电阻值不会发生变化，避免了导电纱线对压力检测的影响，使压力检测值更加准确。
如图3～6所示，所述弹性导电纱线100，其制备方法，包括如下步骤：
S1，首先采用环锭纺制备导电包芯纱10；在环锭纺细纱机上，将预定量的纤维粗纱11从喇叭口(未图示)喂入，经过牵伸装置30牵伸后得到纤维须条，纤维须条被牵伸装置30的前下罗拉31和前上皮辊32组成的第一前罗拉口按压；同时，导电纤维长丝12经过第一张力盘121、第一导丝辊122后，从第一前罗拉口喂入；
所述纤维粗纱11加捻包缠所述导电纤维长丝12形成导电包芯纱10(如图3所示)；这样，所述导电包芯纱10的芯纱为导电纤维长丝12，所述导电包芯纱10的鞘层为纤维粗纱11；
S2，采用步骤S1得到的导电包芯纱10利用环锭纺制备弹性导电纱线100；将弹性纤维长丝20与步骤S1得到的所述导电包芯纱10分别对应经过第二张力盘201与第二导丝辊202、第三张力盘101与第三导丝辊102后，同时从第二前罗拉口喂入，加捻包缠，得到弹性导电纱线100。
所述导电包芯纱10螺旋状包缠在所述弹性纤维长丝20外侧(如图4所示)。
其中，在步骤S1中，第一张力盘121用于控制导电纤维长丝12的喂入预加张力，第一导丝辊122用于控制导电纤维长丝12的喂入位置；
本发明中，所述导电纤维长丝12的喂入预加张力的取值范围为10～25g，导电纤维长丝12的喂入位置位于纤维须条的正中间位置，如此设置，可以使得到的所述导电包芯纱10中的芯纱(导电纤维长丝12)位于鞘层(纤维粗纱11)的正中间位置，提高了导电包芯纱10外周的绝缘性及导电稳定性。
牵伸装置30还包括中罗拉牵伸对33和后罗拉牵伸对34；后罗拉牵伸对34与中罗拉牵伸对33组成后牵伸区，中罗拉牵伸对33与前罗拉牵伸对(前下罗拉31和前上皮辊32)组成前牵伸区。
在本发明中，在步骤S1中，牵伸装置30的总牵伸倍数的取值范围为13～30，后牵伸区的牵伸倍数的取值范围为1～2；优选地，总牵伸倍数为13.39，后牵伸区的牵伸倍数为1.6；牵伸倍数过大时，会引起牵伸波，导致纱线性能恶化；过小时，牵伸不充分，会导致纱线毛羽过多。
其中，所述导电包芯纱10的鞘层(纤维粗纱11)的材质包括但不限于涤纶、锦纶、腈纶或棉纤维中的一种，该鞘层(纤维粗纱11)由单根纤维细度为1.0～3.3dtex、切段长度为35～60mm的纤维制成；所述鞘层(纤维粗纱11)其干定量为6～12g/10M。
所述导电纤维长丝12包括但不限于为金属长丝或镀纳米金属的导电纤维长丝，其细度取值范围为15～150D。
所述导电包芯纱10的芯纱与鞘层的纤维定量比的取值范围为1：5～1：10；通过实验可知，在步骤S1中，为了保证能够完全包芯，芯纱与鞘层的最低纤维定量比是1：5；捻系数取值范围为320～440。
优选地，在导电包芯纱10的芯纱与鞘层的纤维定量比为1：7的条件下，导电包芯纱10能够完全包覆，且导电包芯纱10的各项性能优良，并且相比于1：10的配比，更节省鞘层原料，导电包芯纱10也更加柔软，柔性更佳。在步骤S1中，纤维粗纱11与导电纤维长丝12一同以“S”型或“Z”型螺旋缠绕加捻，纤维粗纱11将导电纤维长丝12包裹在中心形成导电包芯纱10，同时导电包芯纱10经由导纱钩41不断卷绕在纱管40上。
将导电纤维长丝12作为芯纱，避免了传统包芯纱中将导电纤维长丝裸露在纱线表面，在织造过程中，容易受到摩擦发生断裂，难以完成织造过程的问题，提高了可纺性，延长了纱线的使用寿命。
同样的，在步骤S2中，第二张力盘201与第二导丝辊202、第三张力盘101与第三导丝辊102分别对应用于控制弹性纤维长丝20与导电包芯纱10的喂入位置及喂入预加张力。
在步骤S2中，导电包芯纱10以Z捻向或S捻向包缠在弹性纤维长丝20的外侧，该包缠方向与导电包芯纱10的捻向保持一致，即，若步骤S1中，纤维粗纱11与导电纤维长丝12是S捻向加捻，则导电包芯纱10以S捻向包缠在弹性纤维长丝20外侧，反之亦然。
在步骤S2中，捻系数取值范围为280～440；优选的，捻系数取值为420。所述弹性纤维长丝20为氨纶，其细度取值范围为15～150D，当然，弹性纤维长丝20也可以为其它具有弹性的纤维，具体不予限制。
在步骤S1与步骤S2中，细纱机的环锭转速不同，在步骤S1中，细纱机的环锭转速为5500r/min；在步骤S2中，细纱机环锭转速为4500r/min。
使用前述方法制备的弹性导电纱线100，分别利用了导电纤维长丝11的导电性与弹性纤维长丝20的弹性拉伸特性，协同发挥了各材质的特性；
其中，设置于导电包芯纱10中间的弹性纤维长丝20为所述弹性导电纱线100提供拉伸弹性，每个捻回之间的导电包芯纱10保持绝缘，在动态拉伸该弹性导电纱线100时，螺旋缠绕在弹性纤维长丝20外侧的导电包芯纱10彼此之间绝缘，能够沿弹性纤维长丝20纵向延伸运动，且其有效导电长度保持不变，即实现电阻值稳定不变，同时满足柔性、可拉伸性要求。
实施例1
所述纤维粗纱11采用涤纶粗纱，所述导电纤维长丝12采用镀银尼龙长丝；所述弹性纤维长丝20采用氨纶，其中，所述纤维粗纱11与导电纤维长丝12的纤维定量比为1：7；所述导电纤维长丝12其细度取值为40D；所述弹性纤维长丝20细度取值为50D。
1)在环锭纺细纱机上，将干定量为6g/10M的涤纶粗纱从喇叭口喂入，牵伸装置30的总牵伸倍数为13.39，后牵伸区的牵伸倍数为1.6，所述导电纤维长丝12依次经过第一张力盘121与第一导丝辊122，所述导电纤维长丝12的喂入预加张力为10g；
所述纤维粗纱11与导电纤维长丝12S捻向加捻包缠形成所述导电包芯纱10，其捻系数为360；
2)将弹性纤维长丝20与得到的导电包芯纱10分别对应经过第二张力盘201与第二导丝辊202、第三张力盘101与第三导丝辊102后，同时从第二前罗拉口喂入，加捻包缠，得到弹性导电纱线100。
其中，所述弹性纤维长丝20与导电包芯纱10的喂入预加张力均为20g；所述弹性纤维长丝20与导电包芯纱10的加捻，捻向为S捻，捻系数为360；制备得到包括氨纶和螺旋状包缠在氨纶外侧的导电包芯纱10的弹性导电纱线100。
实验结果如下表：
拉伸长度(cm) 20 21 22 23 24 25 26 27
实测电阻值(Ω) 787 789 793 798 805 815 820 826
实施例2
与实施例1不同之处在于：所述纤维粗纱11与导电纤维长丝12S捻向加捻包缠形成所述导电包芯纱10，其捻系数为380；所述弹性纤维长丝20与导电包芯纱10制备得到的弹性导电纱线100，其捻系数为380。
实验结果如下表：
拉伸长度(cm) 20 21 22 23 24 25 26 27
实测电阻值(Ω) 783 789 792 795 801 808 815 822
实施例3
与实施例1不同之处在于：所述纤维粗纱11与导电纤维长丝12S捻向加捻包缠形成所述导电包芯纱10，其捻系数为400；所述弹性纤维长丝20与导电包芯纱10制备得到的弹性导电纱线100，其捻系数为400。
实验结果如下表：
拉伸长度(cm) 20 21 22 23 24 25 26 27
实测电阻值(Ω) 820 821 823 828 836 841 849 856
实施例4
与实施例1不同之处在于：所述纤维粗纱11与导电纤维长丝12S捻向加捻包缠形成所述导电包芯纱10，其捻系数为420；所述弹性纤维长丝20与导电包芯纱10制备得到的弹性导电纱线100，其捻系数为420。
实验结果如下表：
拉伸长度(cm) 20 21 22 23 24 25 26 27
实测电阻值(Ω) 882 883 891 894 897 903 909 916
实施例5
与实施例1不同之处在于：所述纤维粗纱11与导电纤维长丝12S捻向加捻包缠形成所述导电包芯纱10，其捻系数为440；所述弹性纤维长丝20与导电包芯纱10制备得到的弹性导电纱线100，其捻系数为440。
实验结果如下表：
拉伸长度(cm) 20 21 22 23 24 25 26 27
实测电阻值(Ω) 965 967 970 974 988 994 1002 1010
导电包芯纱的捻系数 360 380 400 420 440
弹性导电纱线捻系数 360 380 400 420 440
强力(g) 1095 1026 988.4 940.8 904.4
断裂伸长率(％) 61.4 53.24 65.84 70.04 64.04
表中数据显示，所制备的弹性导电纱线，其在拉伸变形率为35％的情况下，电阻变化率在5％以内，表现出了良好的电阻恒定性能；另外，在外加较大强力作用的情况下，弹性导电纱线表现出了很好的弹性性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种弹性阵列压力传感器，其特征在于，包括传感层(1)、纵向电极(2)和横向电极(3)；所述若干保持一定间距纵向排列的纵向电极(2)设置在所述传感层(1)的一侧；所述若干保持一定间距横向排列的横向电极(3)设置在所述传感层(1)的另一侧；所述纵向电极(2)和横向电极(3)交叉布置，交叉点形成阵列传感器；所述纵向电极(2)和横向电极(3)为弹性导电纱线(100)。
2.根据权利要求1所述的一种弹性阵列压力传感器，其特征在于，所述交叉点周围的第一点(4)、第二点(5)、第三点(6)和第四点(7)采用缝制技术缝制在所述传感层(1)上。
3.根据权利要求2所述的一种弹性阵列压力传感器，其特征在于，所述弹性导电纱线(100)的制备方法包括如下步骤：
S1，首先采用环锭纺制备导电包芯纱(10)；在环锭纺细纱机上，将预定量的纤维粗纱(11)从喇叭口喂入，经过牵伸装置(30)牵伸后得到纤维须条，纤维须条被牵伸装置(30)的前下罗拉(31)和前上皮辊(32)组成的第一前罗拉口按压；同时，导电纤维长丝(12)经过第一张力盘(121)、第一导丝辊(122)后，从第一前罗拉口喂入；所述纤维粗纱(11)加捻包缠所述导电纤维长丝(12)形成导电包芯纱(10)；
S2，采用步骤S1得到的导电包芯纱(10)利用环锭纺制备弹性导电纱线(100)；将弹性纤维长丝(20)与步骤S1得到的所述导电包芯纱(10)分别对应经过第二张力盘(201)与第二导丝辊(202)、第三张力盘(101)与第三导丝辊(102)后，同时从第二前罗拉口喂入，加捻包缠，得到弹性导电纱线(100)；所述导电包芯纱(10)螺旋状包缠在所述弹性纤维长丝(20)外侧。
4.根据权利要求3所述的弹性导电纱线制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述第一张力盘用于控制所述导电纤维长丝的喂入预加张力，所述喂入预加张力的取值范围为10～25g；所述导电纤维长丝的喂入位置位于所述纤维须条的正中间位置；所述导电包芯纱的芯纱与鞘层的纤维定量比的取值范围为1：5～1：10，捻系数取值范围为320～440。
5.根据权利要求3所述的弹性导电纱线制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述导电包芯纱以Z捻向或S捻向包缠在所述弹性纤维长丝的外侧，该包缠方向与所述导电包芯纱的捻向保持一致，捻系数取值范围为280～440。
6.根据权利要求3所述的弹性导电纱线制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述牵伸装置的总牵伸倍数的取值范围为13～30，所述后牵伸区的牵伸倍数的取值范围为1～2；细纱机的环锭转速为5500r/min；在步骤S2中，细纱机环锭转速为4500r/min。
7.根据权利要求3所述的弹性导电纱线制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述纤维粗纱(11)的材质包括但不限于为涤纶、锦纶、腈纶等吸湿性低的纤维中的一种；所述导电纤维长丝(12)的材质包括但不限于为金属长丝或镀纳米金属的导电纤维长丝。
8.根据权利要求3所述的弹性导电纱线制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述纤维粗纱(11)由单根纤维细度为1.0～3.3dtex、切段长度为35～60mm的纤维制成；所述纤维粗纱(11)干定量为6～12g/10M；所述导电纤维长丝(12)的细度取值范围为20～100D。
9.根据权利要求3所述的弹性导电纱线制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述弹性纤维长丝(20)为氨纶，其细度取值范围为15～150D。
10.一种弹性导电纱线，其特征在于：根据权利要求3～9中任一权利要求所述的弹性导电纱线的制备方法制得，所述弹性导电纱线包括弹性纤维长丝和螺旋状包缠在所述弹性纤维长丝外侧的导电包芯纱；所述导电包芯纱的芯纱为导电纤维长丝，所述导电包芯纱的鞘层为纤维粗纱。
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