CN114543649A - 一种弹力绳织物基底拉伸传感器、设备及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弹力绳织物基底拉伸传感器、设备及制造方法，涉及柔性传感器制造技术领域，其中，弹力绳织物基底拉伸传感器，包括导电组件，所述导电组件包括弹力绳织物以及导电纱线，所述弹力绳织物采用导电浆料滴涂法进行导电化处理，以形成导电化处理部，所述导电纱线设置两根且分别连接于所述弹力绳织物的导电化处理部的两端；连接组件，所述连接组件与导电组件连接，以用于将所述导电组件缝制安装在衣物上；以及封装组件，所述封装组件用于将所述导电组件进行封装。本发明的弹力绳织物基底拉伸传感器灵敏度高，弹性模量小，检测变形范围大，传感器电性能需求调整滴涂次数方便地更改，还涉及连接组件，适应纺织衣物上的应用。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器制造技术领域，特别涉及一种弹力绳织物基底拉伸传感器，还涉及一种设备，还涉及一种弹力绳织物基底拉伸传感器的制造方法。
背景技术
随着个人穿戴设备的迅猛发展，包括健康监测、动作捕捉等领域需要对人体活动特征进行监测。目前大部分运动传感设备往往采用可拉伸性能较弱的硬质传感器对人体表面某些变形进行检测，这类传感器的高弹性模量特性限制了设备在人体上穿戴应用的舒适性，同时其灵敏度较低，需要通过较复杂的放大电路提高输出信号强度。而采用低弹性模量拉伸传感器能够较好顺应人体表面变形，降低信号延时，同时灵敏度高，可以简化放大电路甚至不需要放大电路。
以呼吸监护为例，现有的呼吸监测手段主要依靠呼吸机、检测胸带、智能穿戴的智能分析，而前两者主要存在于医疗机构，个人使用不方便；智能穿戴设备主要依靠心率进行呼吸计算呼吸频率而无法获得呼吸波形。以关节运动检测为例，关节运动变形大，频谱范围广，而且常常要大量布置，因此要求传感器具备较好的拉伸性能、频率响应性能以及低成本。
因此提供一种小巧灵敏，弹性模量低，工艺制备简单的柔性拉伸传感器集成于可穿戴设备用于呼吸或关节运动的柔性拉伸传感器更加合适人体应用场景。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种的灵敏度高、弹性模量小、检测变形范围大的弹力绳织物基底拉伸传感器。
本发明实施例还提供一种弹力绳织物基底拉伸传感器的制造方法。
根据本发明第一方面的实施例，提供一种弹力绳织物基底拉伸传感器，包括导电组件，所述导电组件包括弹力绳织物以及导电纱线，所述弹力绳织物采用导电浆料滴涂法进行导电化处理，以形成导电化处理部，所述导电纱线设置两根且分别连接于所述弹力绳织物的导电化处理部的两端；连接组件，所述连接组件与导电组件连接，以用于将所述导电组件缝制安装在衣物上；以及封装组件，所述封装组件用于将所述导电组件进行封装。
上述弹力绳织物基底拉伸传感器至少具有以下有益效果：上述技术方案，通过对弹力绳织物采用导电浆料滴涂法进行导电化处理，导电组件灵敏度高，弹性模量小，检测变形范围大，传感器电性能需求调整滴涂次数方便地更改，还涉及连接组件，适应纺织衣物上的应用。
根据本发明第一方面的实施例，所述弹力绳织物的基材采用扁形织物口罩弹力绳，导电化处理中的所述导电浆料为羟基化多壁碳纳米管的无水乙醇悬浮液。
根据本发明第一方面的实施例，所述导电纱线为导电镀银纱线，所述导电纱线缝制于所述弹力绳织物的导电化处理部的两端。
根据本发明第一方面的实施例，所述封装组件包括用于对所述导电组件进行整体裹封的热熔性聚氨酯膜。
根据本发明第一方面的实施例，所述弹力绳织物端部还设置有未导电化处理部，所述连接组件包括所述未导电化处理部。
根据本发明第一方面的实施例，所述连接组件包括用于缝制安装在衣物上的若干个织物件，所述织物件连接在所述弹力绳织物的端部上。
根据本发明第二方面的实施例，提供一种设备，包括本发明第一方面实施例的弹力绳织物基底拉伸传感器。
根据本发明第三方面的实施例，提供一种弹力绳织物基底拉伸传感器的制造方法，包括以下步骤：
S1，在弹力绳织物两端缝制导电纱线，以作电连接使用；
调配导电浆料与固定剂，取羟基化多壁碳纳米管粉末和无水乙醇，按质量比0.1：10-0.2：10配置悬浮液，超声30min，以调配成导电浆料；
取聚乙烯醇缩丁醛粉末和无水乙醇，按质量比1.5：10-2:10配置溶液，搅拌直至聚乙烯醇缩丁醛完全溶解，以调配成固定剂；
S2，使所述弹力绳织物在自然伸长状态，在所述弹力绳织物的裸露部分滴涂所述导电浆料，热风烘干，通过所述导电纱线测量整体电阻；
S3，重复上述步骤S2若干次，直至电阻值满足设计要求；
S4，在所述弹力绳织物的裸露部分滴涂所述固定剂，热风烘干，获得导电化处理的弹力绳织物，其中，所述弹力绳织物端部设置有连接组件；
S5，将热熔性聚氨酯膜进行热风软化，施加压力使热熔性聚氨酯膜贴合在弹力绳织物和连接组件，同时留有导电纱线裸露在外，从而形成传感器；
S6，将获得的传感器进行拉伸，放松使其自然恢复至原长，以伸长率和电阻变化率标定传感器的性能。
上述弹力绳织物基底拉伸传感器的制造方法至少具有以下有益效果：上述技术方案，配置导电浆料和固定剂，先后对弹力绳织物进行滴涂，获得导电化处理的弹力绳织物，且可根据传感器电性能需求调整滴涂的次数来调制器件电阻，最后采用热熔性聚氨酯膜进行封装，最终获得的传感器成本低，灵敏度高，弹性模量小，检测变形范围大，可适应纺织衣物上应用。
根据本发明第三方面的实施例，所述步骤S1中，选用扁形织物口罩弹力绳为基材，绳宽4mm，以40mm为单位进行裁剪，分别使用医用酒精和清水清洗消毒，热风烘干，以制成所述弹力绳织物。
根据本发明第三方面的实施例，所述步骤S1中，两根所述导电纱线分别与所述弹力绳织物端部距离2.5mm，以形成用于缝制安装在衣物上的未导电化处理部，该未导电化处理部未滴涂所述导电浆料，所述连接组件包括所述未导电化处理部。
根据本发明第三方面的实施例，所述步骤S6中，将获得的传感器以50％相对伸长量均匀拉伸。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1是本发明实施例的透视图；
图2是本发明实施例的爆炸图；
图3是本发明实施例安装在多参量生理信息检测设备的结构示意图；
图4是本发明实施例的灵敏度与检测范围的示意图，其中，出示了三个样本；
图5是本发明实施例的频率响应结果的示意图；
图6是本发明实施例的个体静息状态下呼吸的数据示意图，其中，出示了六位个体；
图7是本发明实施例的个体深蹲状态下呼吸的数据示意图，其中，出示了六位个体；
图8是本发明实施例的个体步行状态下呼吸的数据示意图，其中，出示了六位个体；
图9是本发明实施例的个体俯卧状态下呼吸的数据示意图，其中，出示了六位个体。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1和图2，一种弹力绳织物基底拉伸传感器，包括导电组件、连接组件以及封装组件。
其中，导电组件包括弹力绳织物11以及导电纱线13，弹力绳织物11采用导电浆料滴涂法进行导电化处理，以形成导电化处理部。本实施例中，弹力绳织物11的基材采用扁形织物口罩弹力绳，导电化处理中的导电浆料为羟基化多壁碳纳米管的无水乙醇悬浮液。
导电纱线13设置两根且分别连接于弹力绳织物11的导电化处理部的两端。优选的，导电纱线13为导电镀银纱线，导电纱线13缝制于弹力绳织物11的导电化处理部的两端。
连接组件与导电组件连接，以用于将导电组件缝制安装在衣物上。在其中的一些实施例中，弹力绳织物11端部还设置有未导电化处理部12，连接组件包括未导电化处理部12。在其它一些实施例中，连接组件包括用于缝制安装在衣物上的若干个织物件，织物件连接在弹力绳织物11的端部上。
封装组件用于将导电组件进行封装，具体而言，封装组件包括用于对导电组件进行整体裹封的热熔性聚氨酯膜14。
可以理解的是，通过对弹力绳织物11采用导电浆料滴涂法进行导电化处理，导电组件灵敏度高，弹性模量小，检测变形范围大，传感器电性能需求调整滴涂次数方便地更改，还涉及连接组件，适应纺织衣物上的应用。
本发明还出示了一种弹力绳织物基底拉伸传感器的制造方法，包括以下步骤：
S1.1，预处理基材：在弹力绳织物11两端缝制导电纱线13，以作电连接使用，导电纱线13为导电镀银纱线；两根导电纱线13分别与弹力绳织物11端部距离2.5mm，以形成用于缝制安装在衣物上的未导电化处理部12。
具体的，弹力绳织物11选用扁形织物口罩弹力绳为基材，绳宽4mm，以40mm为单位进行裁剪，分别使用医用酒精和清水清洗消毒，热风烘干，以制成弹力绳织物11。
S1.2，调配导电浆料与固定剂，取羟基化多壁碳纳米管粉末和无水乙醇，按质量比0.1：10-0.2：10配置悬浮液，超声30min，以调配成导电浆料；取聚乙烯醇缩丁醛粉末和无水乙醇，按质量比1.5：10-2:10配置溶液，搅拌直至聚乙烯醇缩丁醛完全溶解，以调配成固定剂。
羟基化多壁碳纳米管可选碳丰石墨烯科技的产品；聚乙烯醇缩丁醛可选润友化学的产品，型号Mw 9万-12万。
S2，织物导电化：使用燕尾夹夹住导电纱线缝纫处，同时使缝纫处完全裸露，使弹力绳织物11在自然伸长状态，在弹力绳织物11的裸露部分滴涂导电浆料，热风烘干，通过导电纱线13测量整体电阻，过程中反转弹力绳织物的滴涂面。
其中，未导电化处理部12未滴涂导电浆料。
S3，重复上述步骤S2若干次，直至电阻值满足设计要求。导电浆料滴涂次数为2-3次，每次使导电浆料刚好润湿弹力绳织物，以滴涂区出液体微微渗出为准。烘干后测得导电化后弹力绳织物电阻约6k-7k欧姆。
S4，固定导电粉末：在弹力绳织物11的裸露部分滴涂固定剂，热风烘干，撤去夹持的燕尾夹，获得导电化处理的弹力绳织物11。固定剂的滴涂次数为1次，每次使固定剂刚好润湿弹力绳织物。烘干后测得导电化后的弹力绳织物的电阻约9k-10k欧姆。
其中，弹力绳织物11端部设置有连接组件，本实施例中，连接组件包括未导电化处理部12，即未导电化处理部12作为连接组件，用于将弹力绳织物11和导电纱线13整体缝制安装在衣物上。未导电化处理部12可有上述步骤拓展获得。
S5，封装：裁剪合适大小热熔性聚氨酯膜14，将热熔性聚氨酯膜14进行热风软化，施加压力使热熔性聚氨酯膜14均匀贴合在弹力绳织物11和未导电化处理部12，同时留有导电纱线13裸露在外，从而形成传感器，获得的传感器如图1所示。
S6，传感器后处理和标定：将获得的传感器以50％相对伸长量均匀拉伸，放松使其自然恢复至原长，以伸长率和电阻变化率标定传感器的性能。
本实施例还出示了上述弹力绳织物基底拉伸传感器的效果验证，具体如下：
本实施例供采用三个样本的传感器进行检测，具体是将导电纱线13引出端接入数字源表测量电阻变化，传感器两端用万能拉伸试验机夹持，施加不同的伸长量输入，获得传感器灵敏度、检测范围(线性区)、频率响应结果。
传感器灵敏度、检测范围测试中万能试验机瞬间施加增量为0.5mm的变形量，测量变形后5秒钟时的电阻值，然后继续以原增量施加变形，直至伸长量为3mm。如图4所示，传感器的灵敏度与检测范围示意图，横坐标为相对伸长量：伸长量/原长，纵坐标为相对电阻变化率：电阻变化量/原阻值。
频率响应测试中万能试验机分别施加0.06Hz和0.72Hz的循环变形，变形量为1.8mm。图5为传感器的频率响应结果的示意图，横坐标为时间，纵坐标为相对电阻变化率，其中图5(a)和图5(b)为0.06Hz下总循环图和局部放大图；图5(c)和图5(d)为0.72Hz下总循环图和局部放大图。
参照图3，出示了一种设备，具体是生理信息检测设备，设备包括检测硬件设备21，检测硬件设备21安装了上述弹力绳织物基底拉伸传感器10，弹力绳织物基底拉伸传感器10通过导电纱线13与检测硬件设备21其导电接口进行连接。检测硬件设备21配合胸前佩戴的胸带22进行使用，用于检测呼吸时胸腔扩张。
图6至图9是对六位个体分别进行不同状态下获取呼吸波，有静息、深蹲、步行、俯卧撑状态。图6至图9中，是获取生理信息检测设备的检测数据，其中中间一行数据为呼吸波的检测数据，横坐标为时间，纵坐标为变形转换后的相对电压值。图6至图9中，A、B、C、D、E、F分布代表六位个体。
以上数据显示本发明提供的弹力绳织物为基底拉伸的传感器通过检测人体表面变形引起电阻变化而反映动作情况，证明该传感器可用于呼吸波形检测，传感器成本低，灵敏度高，弹性模量小，检测变形范围大，所述制造方法工艺简便，可根据传感器电性能需求调整滴涂次数方便地更改。传感器材质可以适应纺织衣物上应用。对不同个体不同状态检测证明传感器经过多次使用后仍具备原有传感性能。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种弹力绳织物基底拉伸传感器，其特征在于：包括
导电组件，所述导电组件包括弹力绳织物以及导电纱线，所述弹力绳织物采用导电浆料滴涂法进行导电化处理，以形成导电化处理部，所述导电纱线设置两根且分别连接于所述弹力绳织物的导电化处理部的两端；
连接组件，所述连接组件与导电组件连接，以用于将所述导电组件缝制安装在衣物上；以及
封装组件，所述封装组件用于将所述导电组件进行封装。
2.根据权利要求1所述的弹力绳织物基底拉伸传感器，其特征在于：所述弹力绳织物的基材采用扁形织物口罩弹力绳，导电化处理中的所述导电浆料为羟基化多壁碳纳米管的无水乙醇悬浮液。
3.根据权利要求1所述的弹力绳织物基底拉伸传感器，其特征在于：所述导电纱线为导电镀银纱线，所述导电纱线缝制于所述弹力绳织物的导电化处理部的两端。
4.根据权利要求1所述的弹力绳织物基底拉伸传感器，其特征在于：所述封装组件包括用于对所述导电组件进行整体裹封的热熔性聚氨酯膜。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的弹力绳织物基底拉伸传感器，其特征在于：所述弹力绳织物端部还设置有未导电化处理部，所述连接组件包括所述未导电化处理部。
6.根据权利要求1至4任意一项所述的弹力绳织物基底拉伸传感器，其特征在于：所述连接组件包括用于缝制安装在衣物上的若干个织物件，所述织物件连接在所述弹力绳织物的端部上。
7.一种设备，其特征在于：包括权利要求1至6任意一项所述的弹力绳织物基底拉伸传感器。
8.一种弹力绳织物基底拉伸传感器的制造方法，用于制造权利要求1至6任意一项所述的弹力绳织物基底拉伸传感器，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在弹力绳织物两端缝制导电纱线，以作电连接使用；
调配导电浆料与固定剂，取羟基化多壁碳纳米管粉末和无水乙醇，按质量比0.1：10-0.2：10配置悬浮液，超声30min，以调配成导电浆料；
取聚乙烯醇缩丁醛粉末和无水乙醇，按质量比1.5：10-2:10配置溶液，搅拌直至聚乙烯醇缩丁醛完全溶解，以调配成固定剂；
S2，使所述弹力绳织物在自然伸长状态，在所述弹力绳织物的裸露部分滴涂所述导电浆料，热风烘干，通过所述导电纱线测量整体电阻；
S3，重复上述步骤S2若干次，直至电阻值满足设计要求；
S4，在所述弹力绳织物的裸露部分滴涂所述固定剂，热风烘干，获得导电化处理的弹力绳织物，其中，所述弹力绳织物端部设置有连接组件；
S5，将热熔性聚氨酯膜进行热风软化，施加压力使热熔性聚氨酯膜贴合在弹力绳织物和连接组件，同时留有导电纱线裸露在外，从而形成传感器；
S6，将获得的传感器进行拉伸，放松使其自然恢复至原长，以伸长率和电阻变化率标定传感器的性能。
9.根据权利要求8所述的弹力绳织物基底拉伸传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤S1中，选用扁形织物口罩弹力绳为基材，绳宽4mm，以40mm为单位进行裁剪，分别使用医用酒精和清水清洗消毒，热风烘干，以制成所述弹力绳织物，两根所述导电纱线分别与所述弹力绳织物端部距离2.5mm，以形成用于缝制安装在衣物上的未导电化处理部，该未导电化处理部未滴涂所述导电浆料，所述连接组件包括所述未导电化处理部。
10.根据权利要求9所述的弹力绳织物基底拉伸传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤S6中，将获得的传感器以50％相对伸长量均匀拉伸。
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