CN113790741A - 多功能传感集成的柔性织物基传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多功能传感集成的柔性织物基传感器及其应用。所述多功能传感集成的柔性织物基传感器由三种不同传感功能纱线分别构成的三套相互独立的经纱和纬纱系统通过机织技术相互交织而集成得到；所述三套相互独立的经纱和纬纱系统分别为由压力传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统、由温度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统、由湿度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统。本发明从纤维‑纱线‑织物三个结构维度构筑多功能传感器，用以实现压力、温度和湿度的大面积精确传感功能，具有优异的柔性和抗干扰性能，经过抗干扰处理，能准确对不同信号进行独立传感并进行信号的集成。该传感器在可穿戴柔性电子器件等领域具有巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器制备技术领域，尤其涉及一种多功能传感集成的柔性织物基传感器及其应用。
背景技术
可穿戴柔性电子器件，因其柔性、轻质、低廉、便携等特性，被广泛应用于人体运动及健康的实时监测、人机交互等多个领域。但目前仍存在灵敏度及响应速度较低、检测下限较高、检测范围较窄等问题，器件基础性能仍有待提高。在实际应用过程中，其亦存在稳定性、抗环境干扰能力不高，规模化生产困难等挑战。要解决这些问题，设计并制造出性能优异且多功能传感集成的材料体系以及合理的传感器结构最为关键。
柔性织物基传感器因其能有效模拟人体皮肤的特点去感知并对外界环境的刺激做出响应而成为智能纺织品及可穿戴柔性电子器件领域的研究重点。其中，电容式传感器因具有高灵敏度、快速响应、组装简单和能耗低等特点而具有很好的应用前景。但是现有研究中的技术瓶颈一直制约着电容式压力传感器的进一步发展，主要为传感功能单一且难以实现多信号传感、传感精度易受环境(温度、湿度)变化的影响、介电材料的极化效率低等，制约着电容式传感器的传感稳定性和精确性，不能很好地满足实际服用需求。
申请号为CN201811051552.X的发明专利公开了一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器及其制备方法。该电容式传感器包括复合纱编织成的织物，在织物的每一个交织点形成一个传感单元，所述的复合纱包括弹性长丝和包芯纱，包芯纱螺旋缠绕在弹性长丝表面，所述的包芯纱包括纳米纤维皮层和芯纱，纳米纤维皮层通过共轭静电纺纱包裹在芯纱上。织物的每一个交织点处上下两根包芯纱的高传导的芯电极作为上下传导电极，纳米纤维皮层作为介电层。该电容式传感器性能优良，可以测量多种机械外力以及对湿度和无接触模式均有优异的传感功能。但是该传感器存在功能单一的缺陷，该传感器并未将温度导致的材料体积变化对信号的干扰纳入到考虑范围，即温度会极大干扰检测到的压力信号的准确性。此外该传感器未进行织物疏水处理，因此并不能满足传感器长时间复杂的工作环境。因此该传感器长期在温度、湿度变化明显的现实应用场景中，效果会大打折扣。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具备优异柔性、抗干扰性能和大面积多信号传感性能的多功能传感集成的柔性织物基传感器及其应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种多功能传感集成的柔性织物基传感器。所述多功能传感集成的柔性织物基传感器由三种不同传感功能纱线分别构成的三套相互独立的经纱和纬纱系统通过机织技术相互交织而集成得到；
所述三套相互独立的经纱和纬纱系统分别为由压力传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统、由温度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统、由湿度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统；
所述压力传感功能纱线、所述温度传感功能纱线、所述湿度传感功能纱线的末端均设有采集电极，用于采集所述压力传感功能纱线、所述温度传感功能纱线、所述湿度传感功能纱线两端的信号以及经纱与纬纱的交叉点的信号，且所述压力传感功能纱线、所述温度传感功能纱线、所述湿度传感功能纱线均经过抗干扰处理，以减小压力、温度和湿度信号的相互干扰，实现压力、温度和湿度信号的识别和检测。
优选的，所述多功能传感集成的柔性织物基传感器为电容式传感器；所述由压力传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统中经纱和纬纱相互交织形成的交织点为压力传感器的电容采集点；所述由温度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统中经纱和纬纱相互交织形成的交织点为温度传感器的电容采集点；所述由湿度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统中经纱和纬纱相互交织形成的交织点为湿度传感器的电容采集点。
优选的，所述抗干扰处理中，抗压力干扰的处理为：增大所述压力传感功能纱线构成的压力传感区域的厚度；或者，增大所述压力传感功能纱线与所述温度传感功能纱线及所述湿度传感功能纱线的相对模量；
抗温度干扰的处理为：对所述压力传感功能纱线和所述湿度传感功能纱线中的介质材料采用具有不同温度系数的介质材料进行复配；
抗湿度干扰的处理为：对所述压力传感功能纱线和所述温度传感功能纱线进行疏水处理。
优选的，所述传感功能纱线为由预定传感功能的介质材料包鞘层紧密包绕纤维状电极材料芯层制备得到的传感功能包芯纱线，或者为由若干传感功能纤维组成的预定传感功能的复合纱线；所述传感功能纤维为皮芯型结构的双组分复合纤维，皮层为所述预定传感功能的介质材料，芯层为所述电极材料。
优选的，所述传感功能纱线为压力传感功能纱线时，所述介质材料为弹性介质材料；所述弹性介质材料由至少两种具有不同温度系数的弹性介质材料复配而成，并进行表面疏水化处理或进行疏水涂层处理。
优选的，所述弹性介质材料由至少两种不同压缩模量的弹性介质材料聚合物复合而成，所述压力传感功能纱线和/或压力传感功能纤维的截面为异型结构。
优选的，所述传感功能纱线为温度传感功能纱线时，所述介质材料为添加导热填料的温度敏感聚合物材料；所述添加导热填料的温度敏感聚合物材料进行表面疏水化处理或进行疏水涂层处理；所述温度传感功能纱线的直径小于所述压力传感功能纱线的直径。
优选的，所述传感功能纱线为湿度传感功能纱线时，所述介质材料为由至少两种具有不同温度系数的湿度敏感聚合物材料复配而成的湿度传感功能介质材料；所述湿度传感功能纱线和/或湿度传感功能纤维的截面为异型结构；所述湿度传感功能纱线的直径小于所述压力传感功能纱线的直径。
优选的，所述电极材料包括但不限于为金属类导电纤维、无机类导电纤维、有机类导电纤维、复合类导电纤维、掺杂类复合纤维或者镀层类复合纤维中的一种或多种；
所述弹性介质材料包括但不限于为聚氨酯、共聚酯、聚烯烃弹性体中的一种；
所述导热填料包括但不限于为金属类材料、无机非金属类材料、有机高分子类材料。
优选的，所述金属类材料包含但不限于为金、银、铜、铁、锡、铂、不锈钢及金属类复合材料中的一种；所述无机非金属材料包括但不限于为石墨烯、炭黑、碳纳米管、无机硅及硅酸盐类材料中的一种；所述有机高分子类材料包括但不限于为导热硅胶、硅脂、泡棉、橡胶、聚酰胺、聚酯及前述至少两种复合的材料中的一种。
优选的，所述温度敏感聚合物材料具有较高的热膨胀系数，包括但不限于为聚酰胺、聚酯、尼龙、聚氨酯、聚烯烃、聚醚、多糖、橡胶中的任一种或多种；
所述湿度敏感聚合物材料具有较低的热膨胀系数，包括但不限于为聚酰胺、聚酯、尼龙、聚氨酯、聚烯烃、聚醚、多糖、橡胶中的任一种或多种；
所述压力传感功能纱线的截面的异型结构包括但不限于为中空结构、对称结构、非对称结构、完全无规则型结构或者为前述至少两种结构的复合结构；
所述湿度传感功能纱线的截面的异型结构包括但不限于为中空结构、对称结构、非对称结构、完全无规则型结构或者为前述至少两种结构的复合结构。
为了实现上述发明目的，本发明还提供了上述多功能传感集成的柔性织物基传感器的应用。所述多功能传感集成的柔性织物基传感器在电子皮肤、可穿戴柔性电子器件、运动及健康监测、环境监测、人机智能交互领域中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的多功能传感集成的柔性织物基传感器，从纤维-纱线-织物三个结构维度逐层构筑多功能传感器，用以实现压力、温度和湿度的大面积精确传感功能，具有优异的柔性和抗干扰性能，能准确对不同信号进行独立传感并进行信号的集成。本发明采用三种不同传感功能纱线分别构成的三套相互独立的经纱和纬纱系统通过机织技术相互交织而集成得到压力-温度-湿度多功能电容式柔性织物传感器，电容改变可由电极面积、电极间距离、相对介电系数的改变来实现，用以实现信号传输。本发明主要通过采用不同的介质材料种类，用以调控介电系数(介电常数)，以此来达到优化传感器整体性能的效果。该传感器由相互独立的经纬纱系统交织而成，每套经纬纱系统构成具备独立的预定传感功能的子传感器，能够进行独立的传感且稳定性高，相互不进行干扰。
2、本发明提供的多功能传感集成的柔性织物基传感器，采用传感功能纤维或传感功能纱线型电容传感器具有结构简单、可组装等优势。压力传感功能经纬纱交叉叠放在一起可形成压力传感器的电容采集点，当施加压力时，纱线交织处的电极对应面积增大，电极间距离减小，导致电容增大。该电容传感结构中，功能纤维垂直交叉，同时接触区域附近有空余的空间，使得高恢复性的弹性介质材料层能够在外部压力下进行有效的变形，从而导致可逆地存储和释放能量。该弹性介质材料由具有不同温度系数的材料复配而成，并进行表面疏水化处理或进行疏水涂层处理，使得该弹性介质材料对温度和湿度变化不敏感，表现出优异的抗温度和湿度的干扰能力。同时，所述弹性介质材料由不同压缩模量聚合物复合而成，纱线的截面为异型结构，如此设计，使得该传感器具有多级机械性能，能够在不同的压力范围内均能做出精确地反应，由此，该压力传感器具有灵敏度高、响应迅速、弛豫时间短暂、量程范围大的优点。另外，由于弹性介质材料层内存在微孔，使得该压力传感器即使在非常小的压力下也可高度变形，从而导致其灵敏度显著提高。压缩下微孔逐渐闭合增加了有效介电系数，从而进一步增强了该压力传感器的灵敏度。
3、本发明提供的多功能传感集成的柔性织物基传感器，温度传感器使用温度传感功能纱线经纬编织而成，每一个经纬交织点都是电容采集点，纱线介质材料层的聚合物基材中添加了导热填料，使温度传感纱线能迅速获取温度变化，且聚合物基材具备明显的可逆热胀冷缩的性质，即，介质材料层在热刺激下能够发生有效地形变，当受到温度刺激后，经纬交织点发生热胀冷缩式的体积变化，致使电容器间距发生变化，且纱线经过热胀冷缩热刺激形变后介电系数会发生一定的改变，由此收集电容信号作为温度信号。本发明对温度传感功能纱线进行表面疏水化处理或组装完成后疏水涂层处理，使得其对湿度不敏感，表现出优异的抗湿度干扰能力。
4、本发明提供的多功能传感集成的柔性织物基传感器，湿度传感器使用湿度传感功能纱线经纬编织而成，每一个经纬交织点都是湿度电容采集点，使用在湿度刺激下发生有效形变的介质材料作为纤维皮层或纱线包鞘层，当受到湿度刺激后，经纬交织点发生由湿度引起的体积膨胀产生电容器距离变化，且纤维纱线吸湿膨胀后介电系数会发生一定的改变，由此收集电容信号作为湿度信号。且湿度传感功能纱线的基体材料由具有不同温度系数的材料复配而成，具有温度不敏感性能，表现出优异的抗温度干扰能力。同时，湿度传感功能纱线的截面为异型结构设计，使得该湿度传感器能够在不同湿度范围内做出精确的响应，有效增大湿度信号的量程和湿度信号采集的灵敏度。
5、本发明提供的多功能传感集成的柔性织物基传感器，将压力传感器、温度传感器、湿度传感器通过三套独立的经纬纱系统进行交织集成，压力传感功能纱线的直径大于温度和湿度传感功能纱线，如此设计，使得柔性织物传感器中，压力传感功能纱线交织的压力传感器成为整个传感器的骨架层，温度和湿度传感器编织镶嵌在骨架层当中，即，当承受外界压力时，织物中具备大直径的压力传感功能纱线承受了最大程度的外界压力，发生有效形变并进行压力信号采集，且温度和湿度传感功能纱线不发生形变，使得温度和湿度传感器对压力不敏感，表现出优异的抗压力干扰能力。由此，该柔性织物基传感器中的多个相互交织但互相独立的子传感器系统进行独立的功能信号传感且稳定性高，相互不进行干扰，最后进行信号的系统集成，实现高效精确地多功能独立信号传感。
5、本发明提供的多功能传感集成的柔性织物基传感器结构简单、成本低廉，适合大规模商业量产，在电子皮肤、可穿戴柔性电子器件、运动及健康监测、环境监测、人机智能交互等领域具备巨大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明提供的多功能传感集成的柔性织物基传感器的三套经纬纱系统的集成交织图。
图2为本发明实施例1提供的多功能传感集成的柔性织物基传感器的电容传感原理示意图。
图3为本发明实施例1提供的多功能传感集成的柔性织物基传感器的压力、温度、湿度传感效果曲线图。
图4为本发明实施例2提供的多功能传感集成的柔性织物基传感器的压力、温度、湿度传感效果曲线图。
附图标记：
A、由压力传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统；B、由温度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统；C、由湿度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统；
a、压力传感器经纬纱交织电容采集点；b、温度传感器经纬纱交织电容采集点；c、湿度传感器经纬纱交织电容采集点；
1、1’：传感功能纱线的介质材料包鞘层；2、2’：传感功能纱线的电极材料芯层；d、电极间距。
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。
请参阅图1所示，本发明提供了一种多功能传感集成的柔性织物基传感器。所述多功能传感集成的柔性织物基传感器由三种不同传感功能纱线分别构成的三套相互独立的经纱和纬纱系统通过机织技术相互交织而集成得到；
所述三套相互独立的经纱和纬纱系统分别为由压力传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统A、由温度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统B、由湿度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统C；
所述压力传感功能纱线、所述温度传感功能纱线、所述湿度传感功能纱线的末端均设有采集电极，用于采集所述压力传感功能纱线、所述温度传感功能纱线、所述湿度传感功能纱线两端的信号以及经纱与纬纱的交叉点的信号，且所述压力传感功能纱线、所述温度传感功能纱线、所述湿度传感功能纱线均经过抗干扰处理，以减小压力、温度和湿度信号的相互干扰，实现压力、温度和湿度信号的识别和检测。
进一步地，所述多功能传感集成的柔性织物基传感器为电容式传感器；所述由压力传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统A中经纱和纬纱相互交织形成的交织点为压力传感器的电容采集点a；所述由温度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统B中经纱和纬纱相互交织形成的交织点为温度传感器的电容采集点b；所述由湿度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统C中经纱和纬纱相互交织形成的交织点为湿度传感器的电容采集点c。
进一步地，所述抗干扰处理中，抗压力干扰的处理为：增大所述压力传感功能纱线构成的压力传感区域的厚度；或者，增大所述压力传感功能纱线与所述温度传感功能纱线及所述湿度传感功能纱线的相对模量；
抗温度干扰的处理为：对所述压力传感功能纱线和所述湿度传感功能纱线中的介质材料采用具有不同温度系数的介质材料进行复配；
抗湿度干扰的处理为：对所述压力传感功能纱线和所述温度传感功能纱线进行疏水处理。
进一步地，所述传感功能纱线为由预定传感功能的介质材料包鞘层紧密包绕纤维状电极材料芯层制备得到的传感功能包芯纱线，或者为由若干传感功能纤维组成的预定传感功能的复合纱线；所述传感功能纤维为皮芯型结构的双组分复合纤维，皮层为所述预定传感功能的介质材料，芯层为所述电极材料。
进一步地，所述传感功能纱线为压力传感功能纱线时，所述介质材料为弹性介质材料；所述弹性介质材料由至少两种具有不同温度系数的弹性介质材料复配而成，并进行表面疏水化处理或进行疏水涂层处理。
进一步地，所述弹性介质材料由至少两种不同压缩模量的弹性介质材料聚合物复合而成，所述压力传感功能纱线和/或压力传感功能纤维的截面为异型结构。
进一步地，所述传感功能纱线为温度传感功能纱线时，所述介质材料为添加导热填料的温度敏感聚合物材料；所述添加导热填料的温度敏感聚合物材料进行表面疏水化处理或进行疏水涂层处理；所述温度传感功能纱线的直径小于所述压力传感功能纱线的直径。
进一步地，所述传感功能纱线为湿度传感功能纱线时，所述介质材料为由至少两种具有不同温度系数的湿度敏感聚合物材料复配而成的湿度传感功能介质材料；所述湿度传感功能纱线和/或湿度传感功能纤维的截面为异型结构；所述湿度传感功能纱线的直径小于所述压力传感功能纱线的直径。
进一步地，所述电极材料包括但不限于为金属类导电纤维、无机类导电纤维、有机类导电纤维、复合类导电纤维、掺杂类复合纤维或者镀层类复合纤维中的一种或多种；
所述弹性介质材料包括但不限于为聚氨酯、共聚酯、聚烯烃弹性体中的一种；
所述导热填料包括但不限于为金属类材料、无机非金属类材料、有机高分子类材料；
所述温度敏感聚合物材料具有较高的热膨胀系数，包括但不限于为聚酰胺、聚酯、尼龙、聚氨酯、聚烯烃、聚醚、多糖、橡胶中的任一种或多种；
所述湿度敏感聚合物材料具有较低的热膨胀系数，包括但不限于为聚酰胺、聚酯、尼龙、聚氨酯、聚烯烃、聚醚、多糖、橡胶中的任一种或多种；
所述压力传感功能纱线的截面的异型结构包括但不限于为中空结构、对称结构、非对称结构、完全无规则型结构或者为前述至少两种结构的复合结构；
所述湿度传感功能纱线的截面的异型结构包括但不限于为中空结构、对称结构、非对称结构、完全无规则型结构或者为前述至少两种结构的复合结构。
进一步地，所述金属类材料包含但不限于为金、银、铜、铁、锡、铂、不锈钢及金属类复合材料中的一种；所述无机非金属材料包括但不限于为石墨烯、炭黑、碳纳米管、无机硅及硅酸盐类材料中的一种；所述有机高分子类材料包括但不限于为导热硅胶、硅脂、泡棉、橡胶、聚酰胺、聚酯及前述至少两种复合的材料中的一种。
下面通过具体的实施例对本发明提供的多功能传感集成的柔性织物基传感器做进一步的详细描述。
实施例1
请参阅图1所示，本发明实施例提供了一种多功能传感集成的柔性织物基传感器。所述多功能传感集成的柔性织物基传感器由三种不同传感功能纱线分别构成的三套相互独立的经纱和纬纱系统通过机织技术相互交织而集成得到；所述三套相互独立的经纱和纬纱系统分别为由压力传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统A、由温度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统B、由湿度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统C；所述压力传感功能纱线、所述温度传感功能纱线、所述湿度传感功能纱线的末端均设有采集电极，用于采集所述压力传感功能纱线、所述温度传感功能纱线、所述湿度传感功能纱线两端的信号以及经纱与纬纱的交叉点的信号，且所述压力传感功能纱线、所述温度传感功能纱线、所述湿度传感功能纱线均经过抗干扰处理，以减小压力、温度和湿度信号的相互干扰，实现压力、温度和湿度信号的识别和检测。
如图1所示，所述多功能传感集成的柔性织物基传感器为电容式传感器。所述经纱和纬纱系统A中经纱和纬纱相互交织形成的交织点为压力传感器的电容采集点a；所述经纱和纬纱系统B中经纱和纬纱相互交织形成的交织点为温度传感器的电容采集点b；所述经纱和纬纱系统C中经纱和纬纱相互交织形成的交织点为湿度传感器的电容采集点c。
本方案中，所述传感功能纱线为由传感功能的介质材料包鞘层(如图2中的1、1’所示)紧密包绕纤维状电极材料芯层(如图2中的2、2’所示)制备得到的具备芯鞘结构的传感功能包芯纱线；其中，电极材料为金属丝。
在压力传感功能纱线中，所述介质材料为由聚烯烃弹性体弹性构成的高恢复性弹性介质材料。且所述弹性介质材料由具有不同温度系数的材料复配而成，并进行表面疏水化处理，使得纱线实现温度不敏感和湿度不敏感，表现出优异的抗温度和湿度的干扰能力。
另外，所述弹性介质材料由不同压缩模量的聚烯烃弹性体聚合物复合而成，所述压力传感功能纱线的截面为异型结构，如此设计，使得该传感器具有多级机械性能，能够在不同的压力范围内均能做出精确地反应，由此，该压力传感器具有灵敏度高、响应迅速、弛豫时间短暂、量程范围大的优点。
在本实施例中，该异型结构为∞字形结构。
压力传感机理：
压力传感功能经纬纱交叉叠放在一起可形成压力传感器的电容采集点，当施加压力时，纱线交织处的电极对应面积增大，电极间距离减小，导致电容增大。该电容传感结构中，功能纱线垂直交叉，同时接触区域附近有空余的空间，使得高恢复性的弹性介质材料层能够在外部压力下进行有效的变形，从而导致可逆地存储和释放能量。
另外，由于弹性介质材料层内存在微孔，使得该压力传感器即使在非常小的压力下也可高度变形，从而导致其灵敏度显著提高。压缩下微孔逐渐闭合增加了有效介电系数，从而进一步增强了该压力传感器的灵敏度。
在温度传感功能纱线中，所述介质材料为添加导热填料的温度敏感聚合物材料；所述添加导热填料的温度敏感聚合物材料进行表面疏水化处理，使得其对湿度不敏感，表现出优异的抗湿度干扰能力。
在本实施例中，所述添加导热填料的聚合物材料中，所述导热填料为石墨片，所述聚合物材料为聚氨酯。
湿度传感机理：
温度传感器使用温度传感功能纱线经纬编织而成，每一个经纬交织点都是电容采集点，纱线介质材料层的聚合物基材中添加了导热填料，使温度传感纱线能迅速获取温度变化，且聚合物基材具备明显的可逆热胀冷缩的性质，即，介质材料层在热刺激下能够发生有效地形变，当受到温度刺激后，经纬交织点发生热胀冷缩式的体积变化，致使电容器间距发生变化，且纱线经过热胀冷缩热刺激形变后介电系数会发生一定的改变，由此收集电容信号作为温度信号。
在湿度传感功能纱线中，所述介质材料为由具有不同温度系数的湿度敏感聚合物材料复配而成的湿度传感功能介质材料，具有温度不敏感性能，表现出优异的抗温度干扰能力。所述湿度传感功能纱线的截面为异型结构，使得该湿度传感器能够在不同湿度范围内做出精确的响应，有效增大湿度信号的量程和湿度信号采集的灵敏度。
在本实施例中，所述湿度敏感聚合物材料为聚酯，所述异型结构为∞字形型。
湿度传感机理：
湿度传感器使用湿度传感功能纱线经纬编织而成，每一个经纬交织点都是湿度电容采集点，使用在湿度刺激下发生有效形变的介质材料作为纱线包鞘层，当受到湿度刺激后，经纬交织点发生由湿度引起的体积膨胀产生电容器距离变化，且纤维纱线吸湿膨胀后介电系数会发生一定的改变，由此收集电容信号作为湿度信号。
多功能传感集成：
将上述压力传感器、温度传感器、湿度传感器通过三套独立的经纬纱系统进行交织集成，压力传感功能纱线的直径大于温度和湿度传感功能纱线，如此设计，使得柔性织物传感器中，压力传感功能纱线交织的压力传感器成为整个传感器的骨架层，温度和湿度传感器编织镶嵌在骨架层当中，即，当承受外界压力时，织物中具备大直径的压力传感功能纱线承受了最大程度的外界压力，发生有效形变并进行压力信号采集，且温度和湿度传感功能纱线不发生形变，由此表明温度和湿度传感器对压力不敏感，表现出优异的抗压力干扰能力。同时，压力传感功能纱线的介质材料包鞘层由具有不同温度系数的材料复配而成，并进行表面疏水化处理，表现出优异的抗温度和湿度的干扰能力。温度传感功能纱线进行表面疏水化处理，且直径小于压力传感功能纱线的直径，表现出优异的抗湿度和压力干扰能力。湿度传感功能纱线的介质材料包鞘层由具有不同温度系数的湿度敏感材料复配而成，且直径小于压力传感功能纱线的直径，表现出优异的抗温度和压力干扰能力。
由此，该柔性织物基传感器中的多个相互交织但互相独立的子传感器系统经过抗干扰处理后，进行独立的功能信号传感且稳定性高，相互不进行干扰，最后进行信号的系统集成，实现高效精确地多功能独立信号传感。
如图3所示，本实施例提供的多功能传感集成的柔性织物基传感器的压力、温度、湿度传感效果曲线图。压力信号图中可以看出通过压力单元可以获得到稳定的压力信号，其中压力检测范围在0-0.3MPa，电容变化率最高达到了24％，这表明该传感器已经可以精确检测到压力信号。温度信号图中可以看出通过温度单元可以获得到稳定的温度信号，温度从0℃上升至75℃过程中，低温区电容变化缓慢、高温区后电容变化迅速，75℃时电容变化率达到了16％，这条曲线和导电物质随温度迁移规律相符。湿度信号图中可以看出通过湿度单元可以获得到稳定的温度信号，湿度从0％上升至100％过程中，在50％湿度下电容变化缓慢、在50％-100％湿度区间后电容变化加快，通常环境湿度在50％-60％，湿度电容变化相对不明显，但是进入高湿度区间后电容信号会发生重大变化，这也就是本发明中需要将湿度信号纳入测试范围的原因。
压力、温度、湿度等各种传感信号都有自己的特定特征曲线，在一个多重的传感器中，各种因素之间可能会相互干扰。例如，如果得到的压力曲线波动较大，且变化规律不明显则表明在测试压力时受到其他因素的干扰，反之如果各种信号曲线平稳且连续则表明各单元之间影响较小。从图3可以看出，本实施例中，采集的压力、温度、湿度曲线都很平滑，这表明该多重传感器获取的信号连续而稳定，进而表明每个单元的传感器单独获取信号连续稳定，即，每个单元相互干扰的影响已经降至可忽略范围。
实施例2
与实施例1的不同之处在于：实施例2中，采用的介质材料的种类不同。
根据电容计算公式C＝εS/d，ε为介电系数、S为电极面积、d为电极间距。在纱线面积一定情况下，为了提升传感单元电容量，需要提升介电系数ε，即，通过改变介质层材料的ε来实现。通过提升ε可以达到优化整体性能的效果。
本方案中，所述弹性介质材料为聚氨酯；所述添加导热填料的温度敏感聚合物材料中，所述导热填料为石墨烯，所述温度敏感聚合物材料为温敏橡胶；所述湿度敏感聚合物材料为壳聚糖。
如图4所示，本实施例提供的多功能传感集成的柔性织物基传感器的压力、温度、湿度传感效果曲线图，表明通过调控介电常数可以调控传感器的传感效果。压力信号图中可以看出通过压力单元可以获得稳定的压力信号，其中压力检测范围在0-0.3MPa，电容变化率最高达到了40％，相比实施例1中的24％上升了67％。温度信号图中可以看出通过温度单元可以或得到稳定的温度信号，75℃时电容变化率达到了24％，相比实施例1上升了33％。湿度信号图中可以看出通过湿度单元可以或得到稳定的温度信号，温度在100％时电容变化率为20％，相比实施例1中12％上升了67％。这表明通过提升ε达到了优化整体性能的效果。
对比例1
与实施例1的不同之处在于：对比例1中，压力传感功能纱线的直径和温度传感功能纱线及湿度传感功能纱线的直径相同，其它均与实施例1相同，在此不再赘述。
相比于实施例1，对比例1制备的柔性织物基传感器对压力、温度和湿度的传感信号响应不稳定，表明当压力传感功能纱线的直径和温度传感功能纱线及湿度传感功能纱线的直径相同时，即温度和湿度传感功能纱线未进行抗压力干扰处理时，温度和湿度传感功能纱线会在外界压力刺激下，发生一定的形变，使得介电系数和电极间距产生变化，由此，压力刺激对温度和湿度传感功能纱线的传感功能产生干扰；同时，又由于温度和湿度传感功能纱线承担了一部分压力的受力点，对压力传感功能纱线的压力信号检测产生一定的干扰；综上表明，三者会由于压力刺激产生信号变化，相互之间干扰导致难以识别和准确检测出压力刺激，造成压力、温度和湿度传感检测的误差。
对比例2
与实施例1的不同之处在于：对比例2中，对所述压力传感功能纱线和所述温度传感功能纱线不做疏水处理，其它均与实施例1相同，在此不再赘述。
相比于实施例1，对比例2制备的柔性织物基传感器对压力和温度的传感信号响应不稳定，表明当压力传感功能纱线和温度传感功能纱线未进行疏水处理时，压力传感功能纱线和温度传感功能纱线会在湿度较大的外界环境影响下，发生吸湿膨胀现象，使得介电系数和电极间距产生变化，相互之间产生干扰，导致难以准确检测出压力和温度刺激，造成传感检测的误差。
对比例3
与实施例1的不同之处在于：对比例3中，所述压力传感功能纱线和所述湿度传感功能纱线的介质材料不采用不同温度系数的聚合物材料进行复配，而是采用常规聚合物材料，其它均与实施例1相同，在此不再赘述。
相比于实施例1，对比例3制备的柔性织物基传感器对压力和湿度的传感信号响应不稳定，表明当压力传感功能纱线和湿度传感功能纱线未进行抗温度干扰处理时，压力和湿度传感功能纱线会在温度较高或者较低的外界环境影响下，发生热胀冷缩现象，使得介电系数和电极间距产生变化，相互之间产生干扰，导致难以准确检测出压力和湿度刺激，造成传感检测的误差。
对比例4
与实施例1的不同之处在于：对比例4中，所述压力传感功能纱线的截面为常规圆形结构，其它均与实施例1相同，在此不再赘述。
相比于实施例1，对比例4制备的柔性织物基传感器中压力传感量程范围窄，在检测不同范围的压力时，压力传感器灵敏度不高，检测精度不高。具体表现为，实施例1中压力传感区间为0-0.3MPa，而对比例4中仅为0-0.05MPa，实施例1中最高电容信号比为24％，而对比例4中仅为8％。这表明压力传感功能纱线的截面为常规圆形结构降低了传感效果。
对比例5
与实施例1的不同之处在于：对比例5中，所述湿度传感功能纱线的截面为常规圆形结构，其它均与实施例1相同，在此不再赘述。
相比于实施例1，对比例5制备的柔性织物基传感器中湿度传感量程范围窄，在检测不同范围的湿度时，湿度传感器灵敏度不高，检测精度不高。实施例1中压力传感区间为0-0.3MPa，而对比例5中仅为0-0.07MPa，实施例1中最高电容信号比为24％，而对比例5中仅为4％。这表明压力传感功能纱线的截面为常规圆形结构降低了传感效果。
对比例1-5与实施例1参数及传感效果对比如表1所示：
表1为实施例1及对比例1-5的工艺参数设置及传感效果对比表
实施例3
与实施例1的不同之处在于：实施例3中，所述传感功能纱线为由若干传感功能纤维组成的复合纱线；所述传感功能纤维为皮芯型结构的双组分复合纤维，皮层为所述具备传感功能的介质材料，芯层为所述电极材料。
将经过抗干扰处理且具备不同传感功能的纤维分别复合成三种不同的功能纱线后，再分别通过三套独立的经纬纱系统进行柔性织物的编织，制备得到多功能传感集成的柔性织物基传感器。该柔性织物基传感器中的三个相互交织但互相独立的子传感器系统(压力传感器、温度传感器、湿度传感器)进行独立的功能信号传感且稳定性高，相互不进行干扰，最后进行信号的系统集成，实现高效精确地多功能独立信号传感。
需要注意的是，本领域技术人员应当理解，本发明提供的柔性织物基传感器中集成的多功能传感功能并不限于为压力、温度、湿度的信号传感，通过调控对环境信号敏感的皮层或者包鞘层中介质材料的种类，还可以实现其它环境信号的传感，例如化学品信号(重金属离子、环境气体等)的传感，均能实现较好的信号传感效果，在实施例中不进行穷举。
本领域技术人员还应当理解，所述电极材料还可以为其它金属类导电纤维、无机类导电纤维、有机类导电纤维、复合类导电纤维、掺杂类复合纤维或者镀层类复合纤维中的一种或多种；所述弹性介质材料还可以包括但不限于为共聚酯；所述导热填料还可以为其它金属类、无机非金属类、有机高分子类材料。所述温度敏感聚合物材料还可以为聚酰胺、聚酯、尼龙、聚氨酯、聚烯烃、聚醚、多糖、橡胶中的一种；所述湿度敏感聚合物材料还可以为聚酰胺、聚酯、尼龙、聚氨酯、聚烯烃、聚醚、多糖、橡胶中的一种；所述压力传感功能纱线的截面的异型结构还可以为其它中空结构、对称结构、非对称结构、完全无规则型结构及多种复合结构中的一种；所述湿度传感功能纱线的截面的异型结构还可以为中空结构、对称结构、非对称结构、完全无规则型结构及多种复合结构中的一种，上述原料材质变化以及结构参数的变化，均会对制备的柔性织物基传感器的传感性能产生一定的影响。
综上所述，本发明提供了一种多功能传感集成的柔性织物基传感器及其应用。所述多功能传感集成的柔性织物基传感器由三种不同传感功能纱线分别构成的三套相互独立的经纱和纬纱系统通过机织技术相互交织而集成得到；所述三套相互独立的经纱和纬纱系统分别为由压力传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统A、由温度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统B、由湿度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统C。本发明从纤维-纱线-织物三个结构维度构筑多功能传感器，经过抗干扰处理，用以实现压力、温度和湿度的大面积精确传感功能，具有优异的柔性和抗干扰性能，能准确对不同信号进行独立传感并进行信号的系统集成。该传感器在可穿戴柔性电子器件等领域具有巨大的应用前景。
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)
1.一种多功能传感集成的柔性织物基传感器，其特征在于：所述多功能传感集成的柔性织物基传感器由三种不同传感功能纱线分别构成的三套相互独立的经纱和纬纱系统通过机织技术相互交织而集成得到；
所述三套相互独立的经纱和纬纱系统分别为由压力传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统(A)、由温度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统(B)、由湿度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统(C)；
所述压力传感功能纱线、所述温度传感功能纱线、所述湿度传感功能纱线的末端均设有采集电极，用于采集所述压力传感功能纱线、所述温度传感功能纱线、所述湿度传感功能纱线两端的信号以及经纱与纬纱的交叉点的信号，且所述压力传感功能纱线、所述温度传感功能纱线、所述湿度传感功能纱线均经过抗干扰处理，以减小压力、温度和湿度信号的相互干扰，实现压力、温度和湿度信号的识别和检测。
2.根据权利要求1所述的多功能传感集成的柔性织物基传感器，其特征在于：所述多功能传感集成的柔性织物基传感器为电容式传感器；所述由压力传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统(A)中经纱和纬纱相互交织形成的交织点为压力传感器的电容采集点(a)；所述由温度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统(B)中经纱和纬纱相互交织形成的交织点为温度传感器的电容采集点(b)；所述由湿度传感功能纱线构成的经纱和纬纱系统(C)中经纱和纬纱相互交织形成的交织点为湿度传感器的电容采集点(c)。
3.根据权利要求1所述的多功能传感集成的柔性织物基传感器，其特征在于：所述抗干扰处理中，抗压力干扰的处理为：增大所述压力传感功能纱线构成的压力传感区域的厚度；或者，增大所述压力传感功能纱线与所述温度传感功能纱线及所述湿度传感功能纱线的相对模量；
抗温度干扰的处理为：对所述压力传感功能纱线和所述湿度传感功能纱线中的介质材料采用具有不同温度系数的介质材料进行复配；
抗湿度干扰的处理为：对所述压力传感功能纱线和所述温度传感功能纱线进行疏水处理。
4.根据权利要求3所述的多功能传感集成的柔性织物基传感器，其特征在于：所述传感功能纱线为由预定传感功能的介质材料包鞘层紧密包绕纤维状电极材料芯层制备得到的传感功能包芯纱线，或者为由若干传感功能纤维组成的预定传感功能的复合纱线；所述传感功能纤维为皮芯型结构的双组分复合纤维，皮层为所述预定传感功能的介质材料，芯层为所述电极材料。
5.根据权利要求4所述的多功能传感集成的柔性织物基传感器，其特征在于：所述传感功能纱线为压力传感功能纱线时，所述介质材料为弹性介质材料；所述弹性介质材料由至少两种具有不同温度系数的弹性介质材料复配而成，并进行表面疏水化处理或进行疏水涂层处理。
6.根据权利要求5所述的多功能传感集成的柔性织物基传感器，其特征在于：所述弹性介质材料由至少两种不同压缩模量的弹性介质材料聚合物复合而成，所述压力传感功能纱线和/或压力传感功能纤维的截面为异型结构。
7.根据权利要求4所述的多功能传感集成的柔性织物基传感器，其特征在于：所述传感功能纱线为温度传感功能纱线时，所述介质材料为添加导热填料的温度敏感聚合物材料；所述添加导热填料的温度敏感聚合物材料进行表面疏水化处理或进行疏水涂层处理；所述温度传感功能纱线的直径小于所述压力传感功能纱线的直径。
8.根据权利要求4所述的多功能传感集成的柔性织物基传感器，其特征在于：所述传感功能纱线为湿度传感功能纱线时，所述介质材料为由至少两种具有不同温度系数的湿度敏感聚合物材料复配而成的湿度传感功能介质材料；所述湿度传感功能纱线和/或湿度传感功能纤维的截面为异型结构；所述湿度传感功能纱线的直径小于所述压力传感功能纱线的直径。
9.根据权利要求5至8中任一项权利要求所述的多功能传感集成的柔性织物基传感器，其特征在于：所述电极材料包括但不限于为金属类导电纤维、无机类导电纤维、有机类导电纤维、复合类导电纤维、掺杂类复合纤维或者镀层类复合纤维中的一种或多种；
所述弹性介质材料包括但不限于为聚氨酯、共聚酯、聚烯烃弹性体中的一种；
所述导热填料包括但不限于为金属类材料、无机非金属类材料、有机高分子类材料中的一种；
所述温度敏感聚合物材料具有较高的热膨胀系数，包括但不限于为聚酰胺、聚酯、尼龙、聚氨酯、聚烯烃、聚醚、多糖、橡胶中的任一种或多种；
所述湿度敏感聚合物材料具有较低的热膨胀系数，包括但不限于为聚酰胺、聚酯、尼龙、聚氨酯、聚烯烃、聚醚、多糖、橡胶中的任一种或多种；
所述压力传感功能纱线的截面的异型结构包括但不限于为中空结构、对称结构、非对称结构、完全无规则型结构或者为前述至少两种结构的复合结构；
所述湿度传感功能纱线的截面的异型结构包括但不限于为中空结构、对称结构、非对称结构、完全无规则型结构或者为前述至少两种结构的复合结构。
10.一种权利要求1至8中任一项权利要求所述的多功能传感集成的柔性织物基传感器的应用，其特征在于：所述多功能传感集成的柔性织物基传感器在电子皮肤、可穿戴柔性电子器件、运动及健康监测、环境监测、人机智能交互领域中的应用。
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