CN114875561A - 一种基于pvdf压电纱线的针织柔性传感器 - Google Patents

一种基于pvdf压电纱线的针织柔性传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及柔性传感器技术领域，特别涉及一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器，所述柔性传感器为二维网络式传感器，所述柔性传感器通过纬编针织结构编织形成，所述柔性传感器包括传感区域与非传感区域，所述第一纱线为PVDF压电纱线，所述PVDF压电纱线检测力学信号并转换为电信号，所述传感区域由第一纱线编织形成，所述非传感区域由第二纱线编织形成，所述第二纱线包括普通纱线或性能纱线中的一种或多种。本发明的柔性传感器在经向与纬向均有多个PVDF压电纱线传感器，经向与纬向的PVDF压电纱线交叉点可将该处感应的力学信号同时沿经向与纬向传输，实现该处力学信号的感应与作用位置的精准监测。

Description

一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，特别涉及一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器。
背景技术
随着智能化技术的发展，以传感器为核心部件的柔性可穿戴设备表现出巨大的发展潜力。传统的硬件传感器，因刚度大、敏感性低、传感范围小等缺陷极大限制了其在智能可穿戴领域的应用。而柔性织物传感器具有质轻、柔韧性好、有一定弹性、舒适性好等特性，在智能可穿戴领域具有独特的优势。
目前，通过导电纱线一体编织成型的传感器及智能服饰的技术已经相对成熟，然而传统的柔性传感器通过导电纱线编织成型，柔性传感器的体积较大，且在智能服饰上的分布较为分散，在如胎动监测这种监测范围广且需要定位获取监测信号的智能服饰中，柔性传感器的监测定位的精准度较差，不如硬件传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器，所述柔性传感器为二维网络式传感器，所述柔性传感器通过纬编针织结构编织形成，所述柔性传感器包括传感区域与非传感区域，所述第一纱线为PVDF压电纱线，所述PVDF压电纱线检测力学信号并转换为电信号，所述传感区域由第一纱线编织形成，所述非传感区域由第二纱线编织形成，所述第二纱线包括普通纱线或性能纱线中的一种或多种。
在进一步的实施例中，所述PVDF压电纱线为同轴多层结构，所述PVDF压电纱线包括电极芯层、PVDF层、电极皮层和绝缘保护层，所述电极芯层、PVDF层、电极皮层和绝缘保护层同轴且按照由芯层到最外层皮层依次分布。
在进一步的实施例中，所述柔性传感器在径向和纬向分别设置有多个传感单元，每个传感单元为一根PVDF压电纱线，所述径向和纬向的传感单元形成二维网络。
一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器在智能纺织品中的应用。
一种制备基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器的方法，使用第一纱线和第二纱线按照纬编针织结构一体成形地编织所述柔性传感器，使用所述第一纱线编织所述传感区域，编织方式为成圈方式，且第一纱线分别沿径向和纬向编织；使用所述第二纱线编织所述非传感区域，编织方式为成圈、集圈或浮线中的一种或多种的组合。
一种柔性智能胎动监测带，所述监测带包括左固定带、右固定带和柔性传感器，所述柔性传感器为基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器，所述左固定带和右固定带分别与所述柔性传感器的左右两端连接，所述左固定带或右固定带中的一个或多个设置有夹层空间，所述夹层空间用于放置电荷放大模块、微控制器模块和蓝牙模块，所述柔性传感器通过导电纱线依次连接所述电荷放大模块、微控制器模块和蓝牙模块，所述监测带通过所述蓝牙模块与智能终端通信连接。
一种柔性智能胎动监测带的监测方法，所述柔性传感器的径向与纬向分别设置有多个传感单元，每个所述传感单元为一根PVDF压电纱线，经向与纬向传感单元的PVDF压电纱线的交叉点形成胎动位置的定位点与监测点，传感单元将胎儿运动产生的力学信号转换为电荷信号，所述电荷放大模块将电荷信号转换为电压信号并进行比例放大后输出，所述微处理器模块将放大的电压信号进行处理分析并传输至蓝牙模块，所述蓝牙模块将处理的数据信息无线传送到智能终端，并在智能终端的显示设备上实时显示胎动情况。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器，将智能纱线与织物无缝结合，所制备的柔性传感器兼具针织物与智能纱线各自特性，在可穿戴设备中具有很大应用潜力；
2.本发明的一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器在经向与纬向均有多个PVDF压电纱线传感器，经向与纬向的PVDF压电纱线交叉点可将该处感应的力学信号同时沿经向与纬向传输，实现该处力学信号的感应与作用位置的精准监测；
3.一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器，其结构为针织线圈结构，本身具有一定的弹性，在经受力学作用时，其中的PVDF压电纱线传感器受到的损伤很小，传感器织物耐用，输出信号稳定。
附图说明
图1为本发明柔性传感器的结构示意图；
图2为本发明PVDF压电纱线同轴结构示意图；
图3为本发明柔性传感器线圈结构示意图；
图4为本发明柔性智能孕妇胎动监测带的结构示意图
图5为本发明柔性智能孕妇胎动监测带的工作流程图；
图6为本发明右固定带内层局部编织示意图；
图7为本发明右固定带内外层之间连接层立体结构示意图；
图8为本发明胎动监测带柔性传感器线圈结构示意图；
图中：电极芯层1、PVDF层2、电极皮层3、绝缘保护层4。左固定带5、右固定带6、柔性传感器7、电荷放大模块8、微控制器模块9、蓝牙模块10、导电纱线11、智能终端12。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定中心的方向。
实施例1：
如图1所示，一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器，柔性传感器为二维网络式传感器，柔性传感器通过纬编针织结构编织形成，柔性传感器包括传感区域与非传感区域，第一纱线为PVDF压电纱线，PVDF压电纱线检测力学信号并转换为电信号，传感区域由第一纱线编织形成，非传感区域由第二纱线编织形成，第二纱线包括普通纱线或性能纱线中的一种或多种。
在本实施例中，PVDF压电纱线为同轴多层结构，如图2所示，PVDF压电纱线包括电极芯层、PVDF层、电极皮层和绝缘保护层，电极芯层、PVDF层、电极皮层和绝缘保护层同轴且按照由芯层到最外层皮层依次分布。PVDF压电传感纱线具有良好的压电效应，在受到径向压力时PVDF层产生电荷信号，通过电极层传递电荷信号，力学作用大小与输出电荷信号强烈程度成正比，单根PVDF压电传感纱线可作为独立的压电传感器使用。
在本实施例中，柔性传感器在径向和纬向分别设置有多个传感单元，每个传感单元为一根PVDF压电纱线，径向和纬向的传感单元形成二维网络，经向与纬向的PVDF压电纱线交叉点可用于定位力学信号发生位置。
实施例2：
本实施例提供了一种制备基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器的方法，使用第一纱线和第二纱线按照纬编针织结构一体成形地编织所述柔性传感器，使用所述第一纱线编织所述传感区域，编织方式为成圈方式，且第一纱线分别沿径向和纬向编织；使用所述第二纱线编织所述非传感区域，编织方式为成圈、集圈或浮线中的一种或多种的组合。
在某一个具体的实施例中，如图3所示，柔性传感器是在配置绕经导纱器的圆纬机上编织的；分为传感区域与非传感区域两部分，传感区域由PVDF压电纱线以成圈方式编织；非传感区域由普通纱线或高性能纱线以成圈或集圈方式编织。
柔性传感器三路一个循环，第一路喂入PVDF压电纤维，所有三角均采用成圈三角，形成一个横列平针线圈；第二路由PVDF压电纱线编织，被选中的织针钩取PVDF压电纱线进行成圈；第三路喂入普通纱线或高性能纱线，在第二路没有被选中的织针在此路上升钩取普通纱线或高性能纱线进行成圈，第二路与第三路共同形成一个横列平针线圈，重复以上编织动作，编织成形传感器织物。所编织的柔性传感器，生产效率高，经纬向均有PVDF压电纱线，两个方向的PVDF压电纱线交织点可沿纱线向两个方向传递电荷信号，实现力学信号的精准检测。
实施例3：
本实施例提供了一种柔性智能胎动监测带，监测带包括左固定带、右固定带和柔性传感器，柔性传感器为基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器，左固定带和右固定带分别与柔性传感器的左右两端连接，左固定带或右固定带中的一个或多个设置有夹层空间，夹层空间用于放置电荷放大模块、微控制器模块和蓝牙模块，柔性传感器通过导电纱线依次连接电荷放大模块、微控制器模块和蓝牙模块，监测带通过蓝牙模块与智能终端通信连接。
在某一个具体的实施例中，如图4所示，一种可定位胎动位置的柔性智能孕妇胎动监测带，包括左固定带5、右固定带6、柔性传感器7、电荷放大模块8、微控制器模块9、蓝牙模块10、导电纱线11和手机端12，左固定带5、右固定带6与柔性传感器7组成柔性智能胎动监测带，柔性传感器7由若干独立PVDF压电纱线传感器经纬向交织而成，右固定5带内层设有局部开口并在局部开口附近设计内外层分离区(即夹层空间)；右固定带内外层间设有支撑层。
电荷放大模块8、微处理器模块9和蓝牙模块10位于右固定带内外层分离区内，并通过导电纱线11连接；左固定带5、右固定带6与柔性传感器7通过缝纫线连接；柔性传感器7具有定位胎动位置的功能；柔性传感器经向与纬向均有多根PVDF压电纱线，每根PVDF压电纱线均可作为独立的传感器监测胎儿运动，经向与纬向的PVDF压电纱线的交叉点形成胎动位置的定位点与监测点；经向与纬向的多根PVDF压电纱线，分别与电荷放大模块8通过导电纱线11连接，形成完整的导电传感路径。
左固定带5与右固定6带均采用双层结构，依据孕妇腰部形态在横机上一体编织；支撑层连接固定带内外层，支撑层采用连接丝编织，连接丝为抗弯性能良好的单丝，在电脑横机的前后针床上来回集圈，将固定带内外层连接；右固定通过纱嘴配置编织局部开口，局部开口周围不编织连接丝，形成局部内外层分离区，用于放置电荷放大模块8、微控制器模块9和蓝牙模块10。
如图5所示，柔性传感器的工作原理为：产生胎动时，PVDF压电纱线产生受力拉伸变形，柔性传感器7中的每个PVDF压电纱线单元可看作一个独立的压电传感器，PVDF压电纱线感知胎动，将力学信号转化为电荷信号并传输给电荷放大模块8，电荷放大模块8将胎动引发的电荷信号等比例转换并放大为电压信号，微处理器模块9将读取来自电荷放大模块8的每个独立PVDF压电纱线的电压信息并储存，蓝牙模块6将储存的电压信息传送给智能终端12App上，智能终端12App会对电压信息进行分析，由于经向与纬向均分布有独立PVDF压电传感器，产生胎动时会同时引起经纬向相应PVDF压电纱线传感器工作，经向与纬向两个互相交织的电压信号可用于定位胎动位置，智能终端12的App可实时显示胎动位置与胎动次数。
实施例4：
本实施例提供了一种柔性智能胎动监测带的编织方法，包括如下步骤：
S1.以固定带与柔性传感器阵列为界，将柔性智能孕妇胎动监测带分为左固定带、右固定带与柔性传感器三部分；
S2.编织左固定带；
从较窄一端开始编织，使用第一纱嘴编织内层横列，使用第三纱嘴编织外层横列，第一纱嘴与第三纱嘴均喂入普通纱线；
S3.编织右固定带；
S3中，编织右固定带时，如图6所示，局部开口区上下的部分，均使用第一纱嘴与第三纱嘴进行编织，第一纱嘴与第三纱嘴均喂入普通纱线，第一纱嘴编织固定带内层横列，第三纱嘴编织固定带外层横列；局部开口区部分，每个外层横列均使用第三纱嘴进行编织，每个内层横列均使用第一纱嘴与第二纱嘴共同编织，第二纱嘴喂入普通纱线，局部开口区内层第一横列首先由第一纱嘴开始编织，第一纱嘴运行到局部开口区后停放，接着由第二纱嘴编织进行编织同一横列，局部开口区内层第二横列首先由第二纱嘴开始编织，第二纱嘴编织到局部开口区后停放，接着由局部开口区停放的第一纱嘴开始编织，循环以上两个横列编织方式，直到编织局部开口区编织完全；
S4.S2和S3编织过程中同时编织支撑层；
S4中，柔性智能孕妇胎动监测带的固定带内外两层采用连接丝连接，如图7所示，S2中涉及到的左固定带内外层在第一纱嘴和第三纱嘴编织完一个横列后，使用第四纱嘴喂入抗弯性能良好的单丝作为连接丝，采用集圈的方式在前后针床交替编织下一个横列，连接左固定带内外两层，形成支撑层，将内外层连接为一个整体；S3中涉及到的右固定带局部开口区外的部分，连接丝的编织方式与S2中连接丝的编织工艺相同；S3中涉及到的右固定带局部开口区部分，在第一纱嘴、第二纱嘴和第三纱嘴编织完一个横列后，第四纱嘴喂入抗弯性能良好的单丝作为连接丝，采用集圈的方式在内外层分离区外的前后针床交替编织下一个横列，第四纱嘴在内外层分离区的外层横列做成圈运动，不在内层横列编织，此时内外层无连接丝连接，内外层分离；
S5.编织柔性传感器；
如图8所示，柔性传感器由经向与纬向的PVDF压电纱线编织而成，纬向采用PVDF压电纱线沿纬向参与成圈编织，经向采用PVDF压电纱线在奇数纵行沿经向参与编织。
采用配备绕经导纱器的圆纬机织造柔性传感器，机号E32，成品横密19纵行/cm，成品纵密23横列/cm，最小传感器单元如图7所示，传感器定位精度为437个/cm2。
S6.将电荷放大模块、微控制器模块和蓝牙模块分别固定在右固定带内外层分离区中，并通过导电纱线连接；
S7.对柔性传感器进行后整理，将固定带与柔性传感器连接，并将柔性传感器的PVDF压电纱线与右固定带中的电荷放大模块相连。
S7中，后整理同时，对PVDF压电纱线进行排布整理，并将PVDF压电纱线与电荷放大模块相连，形成完整传感监测路径。
在本发明公开的实施例中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明公开的实施例中的具体含义。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器，其特征在于：所述柔性传感器为二维网络式传感器，所述柔性传感器通过纬编针织结构编织形成，所述柔性传感器包括传感区域与非传感区域，所述第一纱线为PVDF压电纱线，所述PVDF压电纱线检测力学信号并转换为电信号，所述传感区域由第一纱线编织形成，所述非传感区域由第二纱线编织形成，所述第二纱线包括普通纱线或性能纱线中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器，其特征在于：所述PVDF压电纱线为同轴多层结构，所述PVDF压电纱线包括电极芯层、PVDF层、电极皮层和绝缘保护层，所述电极芯层、PVDF层、电极皮层和绝缘保护层同轴且按照由芯层到最外层皮层依次分布。
3.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器，其特征在于：所述柔性传感器在径向和纬向分别设置有多个传感单元，每个传感单元为一根PVDF压电纱线，所述径向和纬向的传感单元形成二维网络。
4.一种权利要求1-3中任一项所述的一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器在智能纺织品中的应用。
5.一种制备权利要求1-3中任一项所述的一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器的方法，其特征在于：使用第一纱线和第二纱线按照纬编针织结构一体成形地编织所述柔性传感器，使用所述第一纱线编织所述传感区域，编织方式为成圈方式，且第一纱线分别沿径向和纬向编织；使用所述第二纱线编织所述非传感区域，编织方式为成圈、集圈或浮线中的一种或多种的组合。
6.一种柔性智能胎动监测带，其特征在于：所述监测带包括左固定带、右固定带和柔性传感器，所述柔性传感器为权利要求1-3中任一项所述的一种基于PVDF压电纱线的针织柔性传感器，所述左固定带和右固定带分别与所述柔性传感器的左右两端连接，所述左固定带或右固定带中的一个或多个设置有夹层空间，所述夹层空间用于放置电荷放大模块、微控制器模块和蓝牙模块，所述柔性传感器通过导电纱线依次连接所述电荷放大模块、微控制器模块和蓝牙模块，所述监测带通过所述蓝牙模块与智能终端通信连接。
7.一种权利要求6所述的一种柔性智能胎动监测带的监测方法，其特征在于：所述柔性传感器的径向与纬向分别设置有多个传感单元，每个所述传感单元为一根PVDF压电纱线，经向与纬向传感单元的PVDF压电纱线的交叉点形成胎动位置的定位点与监测点，传感单元将胎儿运动产生的力学信号转换为电荷信号，所述电荷放大模块将电荷信号转换为电压信号并进行比例放大后输出，所述微处理器模块将放大的电压信号进行处理分析并传输至蓝牙模块，所述蓝牙模块将处理的数据信息无线传送到智能终端，并在智能终端的显示设备上实时显示胎动情况。
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