CN112095202A - 一种织物压力感应阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种织物压力感应阵列，所述织物压力感应阵列为由导电丝线和绝缘丝线交织而成的机织物结构，所述导电丝线包括纬向导电丝线和经向导电丝线，所述绝缘丝线包括纬向绝缘丝线和经向绝缘丝线，相邻的纬向导电丝线被不少于一根纬向绝缘丝线彼此隔开，相邻的经向导电丝线被不少于一根经向绝缘丝线彼此隔开，其特征在于，所述导电丝线为包括聚合物材质的芯层和导电复合材料的皮层构成的皮芯结构，所述皮层具有压阻效应，纬向导电丝线与经向导电丝线的相交处形成压力感应单元。所述织物压力感应阵列可用于测量施加在其上的压力的大小及分布。本发明提升了柔性压力感应阵列的机械性能，具有很好的透气性和穿戴舒适性，适于快速规模化制备。

Description

一种织物压力感应阵列
技术领域
本发明涉及用于测量施加在表面上的压力的大小及分布的柔性传感器，特别是涉及一种织物压力感应阵列，属于功能性纺织品技术领域。
背景技术
压力传感器是能够感受压力信号，并能够按照一定的规律将其转换成可以输出的电信号的器件或装置。传统的压力传感器主要是机械结构型的器件，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，且不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器应运而生，例如授权公告日为2016年4月13日、授权公告号为CN 103063350 B、名称为《MEMS压力传感器阵列、其制作方法及压力测量方法》的中国发明专利公开了一种具有半导体衬底的MEMS压力传感器阵列。这类压力传感器的特点是体积小、质量轻、精度高、温度特性好，但其具有较高的硬度，难以发生弯曲变形以适应形状不规则的物体例如人体的测量需求。近年来，随着柔性电子技术的发展，出现了以聚合物薄膜为基底的柔性压力传感器及其阵列，例如文献《柔性力敏薄膜及阵列压力传感器的研究》报道了一种以热塑性聚氨酯为基体材料、高导电性碳黑为导电填料的柔性力敏薄膜制成的压力传感器阵列。这类压力传感器虽然可以发生弯曲变形以测量形状不规则的物体所施加的压力，但其材质仍然不够柔软，且透气性较差，在与人体相接触时仍无法提供充分的舒适性，甚至会对人体皮肤产生刺激的感觉，同时存在制备流程繁琐、难以规模化加工、难以集成至纺织品中以及在使用过程中容易产生分层剥离现象的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：以聚合物薄膜为基底的柔性压力传感器及其阵列透气性与舒适性差，以及制备流程繁琐、难以规模化加工、难以集成至纺织品中和在使用过程中容易产生分层剥离现象的问题。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供一种织物压力感应阵列，所述织物压力感应阵列为由导电丝线和绝缘丝线交织而成的机织物结构，所述导电丝线包括纬向导电丝线和经向导电丝线，所述绝缘丝线包括纬向绝缘丝线和经向绝缘丝线，相邻的纬向导电丝线被不少于一根纬向绝缘丝线彼此隔开，相邻的经向导电丝线被不少于一根经向绝缘丝线彼此隔开，其特征在于，所述导电丝线为包括聚合物材质的芯层和导电复合材料的皮层构成的皮芯结构，所述皮层具有压阻效应，纬向导电丝线与经向导电丝线的相交处形成压力感应单元。所述织物压力感应阵列可用于测量施加在其上的压力的大小及分布。
优选地，所述导电复合材料包括基体及导电填料。
更优选地，所述的基体采用聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氟乙烯和聚乙烯酸酯中的至少一种。
更优选地，所述的导电填料采用碳黑纳米粒子、石墨、石墨烯、碳纳米管、银粉、铜粉、镍粉、铝粉、锌粉、铁粉和金粉中的至少一种。
优选地，所述的聚合物采用聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氟乙烯和聚乙烯酸酯中的至少一种。
优选地，所述的导电丝线的制造方法采用湿法纺丝、熔融纺丝、干法纺丝和干湿法纺丝中的至少一种。
优选地，所述的绝缘丝线为单丝或复丝。
优选地，所述的绝缘丝线为长丝纱或短纤纱。
优选地，所述的绝缘丝线采用聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氟乙烯和聚乙烯酸酯中的至少一种。
优选地，所述织物压力感应阵列的组织结构为平纹、斜纹和缎纹中的至少一种。
本发明利用具有压阻效应的导电丝线经经纬交织形成织物结构而在纬向导电丝线与经向导电丝线的相交处形成压力感应单元并充分适应于使用者的身躯以能够嵌入或整合到服装、手套、坐垫、地毯、床垫等人日常使用的纺织品中，以测量人体所施加在这些纺织品上的压力。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过将皮层具有压阻效应、芯层为聚合物的皮芯型柔性导电丝线经经纬交织而在纬向导电丝线与经向导电丝线的相交处形成压力感应单元，有效避免了柔性压力传感器在使用过程中产生的分层剥离现象，同时聚合物芯层具有较佳的力学承载能力，显著提升了柔性压力感应阵列的机械性能；压力感应阵列为织物结构，使其易于嵌入或整合到纺织品中，用于人体穿戴时具有透气性好的优点，适宜于长时间与人体皮肤接触，提高了穿戴舒适性；同时，皮芯型导电丝线采用纺丝方法进行制造，织物压力感应阵列可采用织造方法进行制造，有利于织物压力感应阵列的快速规模化制备。
附图说明
图1为实施例1的织物压力感应阵列的部分结构的示意图；
图2为实施例1中织物压力感应阵列在没有压力施加的情况下图1中A-A面的剖视图；
图3为实施例1的导电丝线在受到垂直于轴线方向的周期性压力作用下导电丝线的电阻及压力随时间的变化情况；
图4为图1中织物压力感应阵列在有压力施加的情况下的不完整横截面图；
图5为实施例1的织物压力感应阵列在周期性法向压力作用下某一压力感应单元处的电阻及压力随时间的变化情况；
图6为实施例1的织物压力感应阵列与信号处理和控制电路及数据存储和显示模块互联以构成压力测量系统的示意图；
图7为实施例2的织物压力感应阵列的部分结构的示意图；
图8为图7中B-B面的剖视图；
图9为实施例2的图7中织物压力感应阵列在有压力施加的情况下的不完整横截面图；
图10为实施例2的织物压力感应阵列与信号处理和控制电路及数据存储和显示模块互联以构成压力测量系统的示意图；
图11为实施例3的织物压力感应阵列的部分结构的示意图；
图12为图11中C-C面的剖视图；
图13为实施例3的织物压力感应阵列与信号处理和控制电路及数据存储和显示模块互联以构成压力测量系统的示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
如图1-6所示，为本实施例提供的一种织物压力感应阵列。如图1和图2所示，织物压力感应阵列1为由x根纬向绝缘丝线2、x-1根纬向导电丝线3与y根经向绝缘丝线4、y-1根经向导电丝线5交织而成的平纹机织物结构，其中x和y为不小于2的整数。其中，相邻的两根纬向导电丝线3被1根纬向绝缘丝线2彼此隔开，也即纬向导电丝线3与纬向绝缘丝线2在织物压力感应阵列1中呈一隔一交替排列的状态；相邻的两根经向导电丝线5被1根经向绝缘丝线4彼此隔开，也即经向导电丝线5与经向绝缘丝线4在织物压力感应阵列1中呈一隔一交替排列的状态。纬向导电丝线3与经向导电丝线5共同组成了导电丝线6，纬向绝缘丝线2与经向绝缘丝线4共同组成了绝缘丝线7。在本实施例中，纬向导电丝线3与经向导电丝线5的材料、结构和制备方法完全相同，纬向绝缘丝线2与经向绝缘丝线4的材料、结构和制备方法完全相同。导电丝线6为包含皮层8和芯层9的皮芯结构，皮层8包裹在芯层9外侧，其中芯层9由纯聚氨酯构成，皮层8由聚氨酯和碳黑纳米粒子共混而成的导电复合材料构成，碳黑纳米粒子在构成皮层8的导电复合材料中所占的质量百分比为30wt％。在本实施例中，导电丝线6利用湿法纺丝方法进行制造，如采用申请号为202010420987.8、名称为《一种纤维状柔性应变传感器及其制备方法》的中国发明专利申请所提出的方法进行制造。导电丝线6的横截面近似为圆形。在本实施例中，导电丝线6的直径约为500μm。对导电丝线6在垂直于轴线方向的周期性交变压力作用下的电阻变化情况进行测试，图3示出了导电丝线6受到的压力和电阻随时间的变化情况。结果表明当导电丝线6受到的垂直于轴线方向的压力增加时，导电丝线6的电阻随之增加，表明导电丝线6具有压阻效应。在本实施例中，绝缘丝线7为聚氨酯长丝纱。绝缘丝线7的线密度为560旦。
在织物压力感应阵列中，纬向导电丝线3与经向导电丝线5的相交处形成压力感应单元11。图4示出了本实施例中织物压力感应阵列1在有压力施加的情况下的不完整横截面图。如图4所示，当织物压力感应阵列1受到施加在表面上的法向压力N时，响应于压力的作用，压力感应单元11处的相交的纬向导电丝线3与经向导电丝线5的横截面被压缩成直径更小的椭圆形，使压力感应单元11处的纬向导电丝线3与经向导电丝线5的接触面积增加，继而使压力感应单元11处的电阻减小。对织物压力感应阵列1在周期性法向交变压力作用下某一压力感应单元11处的电阻变化情况进行测试，图5示出了织物压力感应阵列1受到的压力和某一压力感应单元11处的电阻随时间的变化情况。
图6示出了本实施例中织物压力感应阵列1与信号处理和控制模块12以及数据存储和显示模块13互联以构成压力测量系统14的示意图。如图6所示，在压力测量系统14中，利用x-1根纬向导线15与纬向导电丝线3进行一对一电连接，利用y-1根经向导线16与经向导电丝线5进行一对一电连接。具体地，纬向导线15连接于纬向导电丝线3的皮层，经向导线16连接于经向导电丝线5的皮层。纬向导线15的另一端与纬向多路转换器17相连接，经向导线16的另一端与经向多路转换器18相连接，纬向多路转换器17通过导线一19与信号处理和控制模块12相连接，经向多路转换器18通过导线二20与信号处理和控制模块12相连接，信号处理和控制模块12通过数据传输线21与数据存储和显示模块13相连接。在本实施例中，数据存储和显示模块13为计算机。信号处理和控制模块12包含一个控制器22用于发出控制信号并包含一个数模转换器23，数模转换器23接收控制信号以产生作用于每个矩阵编址的压力感应单元11的测试电压或电流。信号处理和控制模块11通过将数模转换器23控制的电压或电流源的一个终端与被纬向多路转换器17选定的一根纬向导电丝线3相连接，以及将另一个终端与被经向多路转换器18选定的一根经向导电丝线5相连接来对织物压力感应阵列1中的压力感应单元11进行寻址。信号处理和控制模块12还包含一个模数转换器24，用于测量选定的压力感应单元11在压力作用下的电压变化或电流值，并将测量值输送至控制器22。控制器22利用提前写入其中的程序计算选定的压力感应单元11的电阻值。控制器22连续发出控制信号，使纬向多路转换器17和经向多路转换器18以高于作用于织物压力感应阵列1上的压力的变化频率的速度测量织物压力感应阵列1上所有压力感应单元11的瞬时电阻值。控制器22中还集成有用于消除或减小串扰效应的算法。控制器22根据测量的瞬时电阻值，可计算出施加在每个压力感应单元11处的已消除或减小减小串扰效应的瞬时压力值。信号处理和控制模块12将测量得到的作用在织物压力感应阵列1上的压力值输送至计算机，计算机将压力值以数据形式进行存储，并将压力值以压力云图的形式在计算机的显示屏上进行显示。
实施例2
如图7-10所示，为本实施例提供的一种织物压力感应阵列。本实施例与实施例1不同之处在于，织物压力感应阵列1为斜纹机织物结构。导电丝线6的芯层9由纯聚酯构成，皮层8由聚酯和碳黑纳米粒子共混而成的导电复合材料构成，碳黑纳米粒子在构成皮层8的导电复合材料中所占的质量百分比为25wt％。导电丝线6利用熔融纺丝方法进行制造，导电丝线6的直径约为600μm。绝缘丝线7为聚酯单丝，绝缘丝线7的线密度为220旦。
本实施例与实施例1的另一处不同在于，信号处理和控制模块12包含第一无线收发模块25，第一无线收发模块25与计算机上的第二无线收发模块10之间进行无线通信。信号处理和控制模块12通过该无线通信将测量得到的作用在织物压力感应阵列1上的压力值输送至计算机。
实施例3
如图11-13所示，为本实施例提供的一种织物压力感应阵列。本实施例与实施例2不同之处在于，织物压力感应阵列1为经面缎纹机织物结构。导电丝线6的芯层9由纯聚酰胺6构成，皮层8由聚酰胺6和碳黑纳米粒子共混而成的导电复合材料构成，碳黑纳米粒子在构成皮层8的导电复合材料中所占的质量百分比为27wt％。导电丝线6利用熔融纺丝方法进行制造，导电丝线6的直径约为700μm。绝缘丝线7为聚酰胺6单丝，绝缘丝线7的线密度为210旦。
本实施例与实施例1、2的另一处不同在于，数据存储和显示模块12为智能手机，信号处理和控制模块12包含第一无线收发模块25，第一无线收发模块25与智能手机上的图中未示出的第二无线收发模块之间进行无线通信。信号处理和控制模块12通过该无线通信将测量得到的作用在织物压力感应阵列1上的压力值输送至智能手机，智能手机将压力值以数据形式进行存储，并将压力值以压力云图的形式在智能手机上进行显示。

Claims (10)

1.一种织物压力感应阵列，所述织物压力感应阵列(1)为由导电丝线(6)和绝缘丝线(7)交织而成的机织物结构，所述导电丝线(6)包括纬向导电丝线(3)和经向导电丝线(5)，所述绝缘丝线(7)包括纬向绝缘丝线(2)和经向绝缘丝线(4)，相邻的纬向导电丝线(3)被不少于一根纬向绝缘丝线(2)彼此隔开，相邻的经向导电丝线(5)被不少于一根经向绝缘丝线(4)彼此隔开，其特征在于，所述导电丝线(6)为包括聚合物材质的芯层(9)和导电复合材料的皮层(8)构成的皮芯结构，所述皮层(8)具有压阻效应，纬向导电丝线(3)与经向导电丝线(5)的相交处形成压力感应单元(11)。
2.如权利要求1所述的织物压力感应阵列，其特征在于，所述导电复合材料包括基体及导电填料。
3.如权利要求2所述的织物压力感应阵列，其特征在于，所述的基体采用聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氟乙烯和聚乙烯酸酯中的至少一种。
4.如权利要求2所述的织物压力感应阵列，其特征在于，所述的导电填料采用碳黑纳米粒子、石墨、石墨烯、碳纳米管、银粉、铜粉、镍粉、铝粉、锌粉、铁粉和金粉中的至少一种。
5.如权利要求1所述的织物压力感应阵列，其特征在于，所述的聚合物采用聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氟乙烯和聚乙烯酸酯中的至少一种。
6.如权利要求1所述的织物压力感应阵列，其特征在于，所述的导电丝线(6)的制造方法采用湿法纺丝、熔融纺丝、干法纺丝和干湿法纺丝中的至少一种。
7.如权利要求1所述的织物压力感应阵列，其特征在于，所述的绝缘丝线(7)为单丝或复丝。
8.如权利要求1所述的织物压力感应阵列，其特征在于，所述的绝缘丝线(7)为长丝纱或短纤纱。
9.如权利要求1、7或8所述的织物压力感应阵列，其特征在于，所述的绝缘丝线(7)采用聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氟乙烯和聚乙烯酸酯中的至少一种。
10.如权利要求1所述的织物压力感应阵列，其特征在于，所述织物压力感应阵列(1)的组织结构为平纹、斜纹和缎纹中的至少一种。
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