CN115247315A - 一种多层结构针织柔性传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明特别涉及一种多层结构针织柔性传感器，所述柔性传感器包括第一织物层、第二织物层和捆绑纱线，所述第一织物层与第二织物层叠加设置，所述捆绑纱线将所述第一织物层与第二织物层固定连接；所述第一织物层由第一纱线编织形成，所述第一纱线至少包括PVDF压电纱线和普通纱线中的一种，所述第一织物层包括由PVDF压电纱线编织的传感元件，所述传感元件检测力学信号并将其转换为电信号；所述第二织物层由第二纱线编织而成，所述第二纱线包括普通纱线和功能纱线中的一种或多种；所述捆绑纱线为弹性纱线。本发明的一种多层结构针织柔性传感器保证柔软舒适、弹性好、透气性与亲肤性好同时，提高对监测信号定位的精准度。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，特别涉及一种多层结构针织柔性传感器。
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多层结构针织柔性传感器，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：
一种多层结构针织柔性传感器，所述柔性传感器包括第一织物层、第二织物层和捆绑纱线，所述第一织物层与第二织物层叠加设置，所述捆绑纱线将所述第一织物层与第二织物层固定连接；所述第一织物层由第一纱线编织形成，所述第一纱线至少包括PVDF压电纱线和普通纱线中的一种，所述第一织物层包括由PVDF压电纱线编织的传感元件，所述传感元件检测力学信号并将其转换为电信号；所述第二织物层由第二纱线编织而成，所述第二纱线包括普通纱线和功能纱线中的一种或多种；所述捆绑纱线为弹性纱线。
在进一步的实施例中，所述传感元件可以由单根PVDF压电纱线构成。
在进一步的实施例中，所述柔性传感器包括多个第一织物层，每个所述第一织物层包括多个传感元件，每个传感元件为单根PVDF压电纱线，多个传感元件长度方向一致，所述多个第一织物层层叠设置，每两个第一织物层的传感元件长度方向呈角度设置。
在进一步的实施例中，所述柔性传感器包括两个第一织物层，两个第一织物层的传感元件长度方向分别为径向和纬向。
一种多层结构针织柔性传感器在智能纺织品的应用。
一种制备多层结构针织柔性传感器的方法，包括以下步骤：使用第一纱线编织第一织物层，使用第二纱线编织第二织物层，选取多个第一织物层和多个第二织物层叠加放置，多个第一织物层两两之间的传感元件长度方向呈角度设置，由捆绑纱线采用编链、经平或其他经编组织将多层结构固定。
一种柔性智能胎动监测带，包括多层结构针织柔性传感器，所述监测带还包括固定带，所述固定带与所述柔性传感器的两端连接，所述固定带为三层结构，所述固定带包括内层、连接层与外层，内层设有内层开口区与中空功能区，所述中空功能区内设置有电荷放大器模块、信息采集与存储模块和信号传输模块，所述电荷放大器模块、信息采集与存储模块和信号传输模块通过导电纱线通道依次连接，所述导电纱线通道包括导电纱线，所述电荷放大器模块不与所述信息采集与存储模块连接的一端与所述柔性传感器连接，所述监测带还包括智能终端，所述智能终端与所述信号传输模块通信连接。
在进一步的实施例中，所述柔性传感器包括两个独立的第一织物层，所述两个第一织物层不互相交织，两个第一织物层上的PVDF压电纱线的投影交叉点形成胎动位置的定位点与监测点。
一种柔性智能胎动监测带的监测方法，包括以下步骤：所述柔性传感器用于将胎儿运动产生的力学信号转换为电荷信号；所述电荷放大器模块将胎动引发的电荷信号转换为电压信号并进行等比例放大；所述信息采集与存储模块对电压信号实时采集并存储；所述信号传输模块将存储的电压信息传送到智能终端；所述智能终端对电压信号进行处理分析，在智能终端界面上实时显示胎动位置与胎动次数。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的一种多层结构针织柔性传感器通过将PVDF压电纱线作为传感元件，设置多层作为传感层的第一织物层，多个第一织物层交叉重叠设置，保证柔性传感器柔软舒适、弹性好、透气性与亲肤性好的同时，提高柔性传感器对监测信号定位的精准度。
附图说明
图1为本发明的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为本发明的柔性传感器的结构示意图；
图4为本发明的柔性智能孕妇胎动监测带的结构示意图；
图5为本发明的柔性智能孕妇胎动监测带的工作流程图；
图6为本发明的固定带立体结构示意图；
图7为本发明固定带右部分局部编织示意图；
图8为本发明固定带左部分内层局部编织示意图；
图9为本发明胎动监测带传感器结构示意图；
图中：电极芯层1、PVDF层2、电极皮层3、绝缘保护层4、柔性传感器5、固定带6、导电纱线通道7、电荷放大器模块8、信息采集与存储模块9、信号传输模块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，本实施例提供一种多层结构针织柔性传感器，柔性传感器包括第一织物层、第二织物层和捆绑纱线，第一织物层与第二织物层叠加设置，捆绑纱线将第一织物层与第二织物层固定连接；第一织物层由第一纱线编织形成，第一纱线至少包括PVDF压电纱线和普通纱线中的一种，第一织物层包括由PVDF压电纱线编织的传感元件，传感元件检测力学信号并将其转换为电信号；第二织物层由第二纱线编织而成，第二纱线包括普通纱线和功能纱线中的一种或多种；捆绑纱线为弹性纱线。
在本实施例中，第一织物层用于监测力学动作信号，第二织物层作为服饰的编织物基础，提供良好的穿着舒适性。
在本实施例中，如图2所示，PVDF压电纱线为同轴结构，由芯层到最外层皮层依次为电极芯层1、PVDF层2、电极皮层3和绝缘保护层4。
在进一步的实施例中，传感元件可以由单根PVDF压电纱线构成，PVDF压电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，力学作用大小与输出电荷信号强烈程度成正比，电荷信号可被外置信号放大器或转换器转换为其他形式电信号。
在某一个实施例中，柔性传感器包括多个第一织物层，每个第一织物层包括多个传感元件，每个传感元件为单根PVDF压电纱线，多个传感元件长度方向一致，多个第一织物层层叠设置，每两个第一织物层的传感元件长度方向呈角度设置。
为了便于理解，分别以两个第一织物层和三个第一织物层为例，当柔性传感器包括两个第一织物层时，两个第一织物层的传感元件长度方向夹角为90°，即径向和纬向分布，此时力学动作发生位置的径向和纬向上的PVDF压电纱线检测到动作信号并转换为电信号，通过外置处理模块可以快速定位；当柔性传感器包括三个第一织物层时，每两个第一织物层的传感元件长度方向夹角为60°，三个第一织物层形成三角密布形状，力学动作发生位置处三个织物层的PVDF压电纱线检测到动作信号并转换为电信号，通过外置处理模块可以快速定位。
在某一个具体的实施例中，柔性传感器包括两个第一织物层，两个第一织物层的传感元件长度方向分别为径向和纬向，采用两个第一织物层既可以提高定位精准度，也便于降低成本。
实施例2：
一种制备多层结构针织柔性传感器的方法，包括以下步骤：使用第一纱线编织第一织物层，使用第二纱线编织第二织物层，选取多个第一织物层和多个第二织物层叠加放置，多个第一织物层两两之间的传感元件长度方向呈角度设置，由捆绑纱线采用编链、经平或其他经编组织将多层结构固定。
在某一个具体的实施例中，如图3所示，柔性传感器包括第一纱层、第二纱层、第三纱层、第四纱层与捆绑纱线，第一纱层与第二纱层为第一织物层，第三纱层与第四纱层为第二织物层，在轴向经编机上，在第一纱层与第二纱层设计PVDF压电纱线，并以一定距离排布，在第三纱层与第四纱层设计普通纱线，各纱层纱线按照顺序由铺纬装置依次叠加，经传动系统输送到编织区，由编织区的捆绑经纱进行成圈编织，将各纱层固定在一起，防止纱层内纱线发生滑移，同时由于传感纱层(即第一织物层)的PVDF压电纱线由于未进行成圈编织，纱线性能损伤很小，有利于传感信号稳定传输。
实施例3：
本实施例提供了一种柔性智能胎动监测带，如图4所示，包括多层结构针织柔性传感器，监测带还包括固定带，固定带与柔性传感器的两端连接。
在本实施例中，固定带为三层结构，如图6所示，固定带包括内层、连接层与外层，内层设有内层开口区与中空功能区，中空功能区内设置有电荷放大器模块、信息采集与存储模块和信号传输模块，电荷放大器模块、信息采集与存储模块和信号传输模块通过导电纱线通道依次连接，导电纱线通道包括导电纱线，电荷放大器模块不与信息采集与存储模块连接的一端与柔性传感器连接，监测带还包括智能终端，智能终端与信号传输模块通信连接。智能终端包括手机、平板和电脑。
在某一个实施例中，固定带6具有双层结构，内外层通过连接丝连接；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6内外层连接。固定带6在横机上一体编织；固定带6通过纱嘴配置编织内层开口区，固定带6在适当位置不编织连接丝，此时内外层不连接，形成中空功能区与导电纱线11通道3，用于放置电荷放大器模块8、信息采集与存储模块9、信号传输模块10和导电纱线11。
在进一步的实施例中，固定带6左端与柔性传感器5通过缝纫线连接，固定带6右端与柔性传感器5通过魔术贴按扣连接。
在进一步的实施例中，柔性传感器包括两个独立的第一织物层，两个第一织物层不互相交织，两个第一织物层上的PVDF压电纱线的投影交叉点形成胎动位置的定位点与监测点。
在某一个具体的实施例中，如图5所示，柔性传感器的工作原理为：产生胎动时，含有PVDF压电纱线的纱层将力学信号转换为电荷信号输出，电荷放大器模块接收来自PVDF压电纱线的电荷信号，将其转换为电压信号并进行等比例放大后传输给信息采集与存储模块9，信息采集与存储模块9对动态电压信号进行采集与存储，由信号传输模块10将存储的信息传输给智能终端12，智能终端12对电压信号进行分析，由于每个监测点含有至少两个方向的压电信号，智能终端12对电压信号进行处理分析后可在智能终界面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为界，将柔性智能孕妇胎动监测带分为固定带与柔性传感器两部分；
S2.编织固定带右部分；
如图7所示，从最右端开始编织，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.编织固定带左部分；
如图8所示，每个内层横列均使用第一纱嘴与第三纱嘴编织共同内层横列，每个外层横列均使用第四纱嘴编织外层横列，第一纱嘴、第三纱嘴和第四纱嘴均喂入普通纱线；内层开口区处，第一横列首先由第一纱嘴开始编织，第一纱嘴运行到内层开口区处停放，接着由第三纱嘴编织进行编织同一横列，内层开口区处第二横列首先由第三纱嘴开始编织，第三纱嘴编织到内层开口区处停放，接着由内层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，直到固定带左部分编织完全；
S4.S2和S3编织过程中同时编织连接层；
柔性智能孕妇胎动监测带固定带内外两层采用连接丝连接，S2与S3中涉及到的固定带连接层在相应纱嘴分别编织完内外层的一个横列后，使用第二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，连接固定带内外两层，形成连接层，将内外层连接为一个整体；S3中涉及到的固定带左部分中空功能区与导电纱线通道部分，内外层无连接丝连接，此时第二纱嘴只在相应内层横列或外层横列进行成圈编织，不在前后针床交替编织，内外层形成中空区域；
S5.编织柔性传感器；
如图9所示，柔性传感器包括其他纱层A、PVDF纱层A、PVDF纱层B、其他纱层B与捆绑纱线，各纱层按照次序先后叠加，最后通过捆绑纱线将其固定为一个整体，其他纱层设置亲肤柔软纱线，捆绑纱线具有一定强力，将各纱层牢固捆绑；
S6.将电荷放大器模块、信息采集与存储模块和信号传输模块分别固定在固定带中空功能区中，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压电纱层与固定带中的电荷放大模块相连。
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 (9)
1.一种多层结构针织柔性传感器，其特征在于：所述柔性传感器包括第一织物层、第二织物层和捆绑纱线，所述第一织物层与第二织物层叠加设置，所述捆绑纱线将所述第一织物层与第二织物层固定连接；所述第一织物层由第一纱线编织形成，所述第一纱线至少包括PVDF压电纱线和普通纱线中的一种，所述第一织物层包括由PVDF压电纱线编织的传感元件，所述传感元件检测力学信号并将其转换为电信号；所述第二织物层由第二纱线编织而成，所述第二纱线包括普通纱线和功能纱线中的一种或多种；所述捆绑纱线为弹性纱线。
2.根据权利要求1所述的一种多层结构针织柔性传感器，其特征在于：所述传感元件可以由单根PVDF压电纱线构成。
3.根据权利要求1所述的一种多层结构针织柔性传感器，其特征在于：所述柔性传感器包括多个第一织物层，每个所述第一织物层包括多个传感元件，每个传感元件为单根PVDF压电纱线，多个传感元件长度方向一致，所述多个第一织物层层叠设置，每两个第一织物层的传感元件长度方向呈角度设置。
4.根据权利要求3所述的一种多层结构针织柔性传感器，其特征在于：所述柔性传感器包括两个第一织物层，两个第一织物层的传感元件长度方向分别为径向和纬向。
5.一种权利要求1-4中任一项所述的多层结构针织柔性传感器在智能纺织品的应用。
6.一种制备权利要求1-4中任一项所述的多层结构针织柔性传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：使用第一纱线编织第一织物层，使用第二纱线编织第二织物层，选取多个第一织物层和多个第二织物层叠加放置，多个第一织物层两两之间的传感元件长度方向呈角度设置，由捆绑纱线采用编链、经平或其他经编组织将多层结构固定。
7.一种柔性智能胎动监测带，包括权利要求1-4中任一项所述的多层结构针织柔性传感器，其特征在于：所述监测带还包括固定带，所述固定带与所述柔性传感器的两端连接，所述固定带为三层结构，所述固定带包括内层、连接层与外层，内层设有内层开口区与中空功能区，所述中空功能区内设置有电荷放大器模块、信息采集与存储模块和信号传输模块，所述电荷放大器模块、信息采集与存储模块和信号传输模块通过导电纱线通道依次连接，所述导电纱线通道包括导电纱线，所述电荷放大器模块不与所述信息采集与存储模块连接的一端与所述柔性传感器连接，所述监测带还包括智能终端，所述智能终端与所述信号传输模块通信连接。
8.根据权利要求7所述的一种柔性智能胎动监测带，其特征在于：所述柔性传感器包括两个独立的第一织物层，所述两个第一织物层不互相交织，两个第一织物层上的PVDF压电纱线的投影交叉点形成胎动位置的定位点与监测点。
9.一种权利要求7-8中任一项所述的一种柔性智能胎动监测带的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：所述柔性传感器用于将胎儿运动产生的力学信号转换为电荷信号；所述电荷放大器模块将胎动引发的电荷信号转换为电压信号并进行等比例放大；所述信息采集与存储模块对电压信号实时采集并存储；所述信号传输模块将存储的电压信息传送到智能终端；所述智能终端对电压信号进行处理分析，在智能终端界面上实时显示胎动位置与胎动次数。
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