CN115597747A - 一种柔性可编织的压力传感器 - Google Patents

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陶肖明
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张子恒
陈韦
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Abstract

本发明公开了一种柔性可编织的压力传感器，包括：至少两根电极纱线，其中，两根电极纱线存在至少一个相互交叉的点位形成电容结构；所述电极纱线包括：弹力纱线；导电线，缠绕在所述弹力纱线上；弹性介电层，包裹在所述弹力纱线和所述导电线外；其中，当相互交叉的点位受压后，所述弹性介电层发生变形以减小两根电极纱线中导电线之间的距离。由于本申请中电极纱线是基于普通的弹力纱线制作而成，弹力纱线缠绕的导电线并设置弹性介电层后，仍然具有一定的柔性和弹性，则电极纱线可以编织，由于本发明的柔性可编织的压力传感器具有可编织性，使压力传感器与织物在编织过程中紧密结合，确保柔性压力传感器测量的准确性较高。

Description

一种柔性可编织的压力传感器
技术领域
本发明涉及柔性压力传感器技术领域，尤其涉及的是一种柔性可编织的压力传感器。
背景技术
现有的柔性压力传感器一般是薄膜式电阻传感器或者电容传感器，基于薄膜、片状柔性材料以及导电物质形成传感器。该技术制造的传感器可应用于智能穿戴领域，用于测量人体运动信号、生理信号等。但是现有的柔性压力传感器与织物的结合一般是通过粘贴、缝纫等方式，影响穿着性能，并且结合不够牢固，有可能造成传感器与织物的脱离、移位，从而造成测量不准确等问题，影响动态测量结果。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种柔性可编织的压力传感器，旨在解决现有技术中柔性压力传感器测量不准确的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种柔性可编织的压力传感器，其中，包括：至少两根电极纱线，其中，两根电极纱线存在至少一个相互交叉的点位形成电容结构；所述电极纱线包括：
弹力纱线；
导电线，缠绕在所述弹力纱线上；
弹性介电层，包裹在所述弹力纱线和所述导电线外；
其中，当相互交叉的点位受压后，所述弹性介电层发生变形以减小两根电极纱线中导电线之间的距离。
所述的柔性可编织的压力传感器，其中，所述弹性介电层包括：
弹性体；
导电材料，分散在所述弹性体内。
所述的柔性可编织的压力传感器，其中，所述弹性体包括：硅胶、热塑性聚氨酯中的至少一种；
所述导电材料包括：石墨烯、炭黑、金属纳米材料中的至少一种。
所述的柔性可编织的压力传感器，其中，相互交叉的两根电极纱线的电极极性不同。
所述的柔性可编织的压力传感器，其中，所述弹力纱线为尼龙包缠纱。
所述的柔性可编织的压力传感器，其中，所述导电线为尼龙镀银导电纱。
所述的柔性可编织的压力传感器，其中，所述弹性介电层的厚度为 50-100μm。
所述的柔性可编织的压力传感器，其中，所述至少两根电极纱线浮沉编织在织物上，所述至少两根电极纱线包括：若干根横向排列的电极纱线及若干根纵向排列的电极纱线；
其中，每根横向排列的电极纱线与所有纵向排列的电极纱线交叉设置；
每根纵向排列的电极纱线与所有横向排列的电极纱线交叉设置。
一种柔性可编织的压力传感器的制备方法，其中，包括步骤：
提供弹力纱线、导电线、介电材料以及固化剂；
将所述导电线缠绕在所述弹力纱线上；
将所述介电材料溶解并加入所述固化剂，得到介电材料溶液；
将所述介电材料溶液涂覆在缠绕有导电线的弹力纱线上，并固化形成弹性介电层，以得到电极纱线；
将至少两根电极纱线交叉设置形成柔性可编织的压力传感器。
所述的柔性可编织的压力传感器的制备方法，其中，所述至少两根电极纱线包括：若干根横向排列的电极纱线及若干根纵向排列的电极纱线；所述将两根所述电极纱线交叉设置形成柔性可编织的压力传感器包括：
采用浮沉编织的方式将若干根电极纱线沿横向排列编织在织物上；
采用浮沉编织的方式将若干根电极纱线沿纵向排列编织在织物上；其中，每根横向排列的电极纱线与所有纵向排列的电极纱线交叉设置，每根纵向排列的电极纱线与所有横向排列的电极纱线交叉设置。
有益效果：由于本申请中电极纱线是基于普通的弹力纱线制作而成，弹力纱线缠绕的导电线并设置弹性介电层后，仍然具有一定的柔性和弹性，则电极纱线可以编织，由于本发明的柔性可编织的压力传感器具有可编织性，使压力传感器与织物在编织过程中紧密结合，确保柔性压力传感器测量的准确性较高。
附图说明
图1是本发明中纱线包缠机(A)及细节图(B)。
图2是本发明中缠绕有导电线的弹力纱线的照片。
图3是本发明中电极纱线的照片。
图4是本发明中纱线拉伸测试结果图。
图5是本发明中6根电极纱线测试时的照片。
图6是本发明中电-力学测试系统的照片。
图7是本发明中电容-伸长率变化曲线图。
图8是本发明中压力传感器用于服装压力测试的照片。
图9是本发明中添加了炭黑颗粒的压力传感器的照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参阅图1-图9，本发明提供了一种柔性可编织的压力传感器的一些实施例。
如图3、图5以及图8所示，本发明的柔性可编织的压力传感器，包括：至少两根电极纱线，其中，两根电极纱线存在至少一个相互交叉的点位形成电容结构；所述电极纱线包括：
弹力纱线；
导电线，缠绕在所述弹力纱线上；
弹性介电层，包裹在所述弹力纱线和所述导电线外；
其中，当相互交叉的点位受压后，所述弹性介电层发生变形以减小两根电极纱线中导电线之间的距离。
值得说明的是，本申请中电极纱线是基于普通的弹力纱线制作而成，弹力纱线缠绕的导电线并设置弹性介电层后，仍然具有一定的柔性和弹性，则电极纱线可以编织。电极纱线有至少两根，其中至少有两根电极纱线存在至少一个相互交叉的点位，由于在相互交叉的点位上两根电极纱线的导电线之间的距离较小，且由于两根电极纱线的导电线之间存在弹性介电层，则可以在相互交叉的点位形成电容结构，若相互交叉的点位受到压力时，弹性介电层受压变形，相互交叉的点位上两根电极纱线的导电线之间的距离减小，电容结构的电容增大，通过电容的变化量可以得到受到压力的大小。
相互交叉的点位的位置可以根据两根电极纱线的位置确定，当电极纱线的数量足够多时，可以形成多个相互交叉的点位，从而可以检测不同位置的受力情况。相互交叉的两根电极纱线在相互交叉的点位相抵接。
电极纱线可以直接编织形成电极纱线织物；还可以与弹力纱线一起编织形成带电极纱线的织物；还可以先形成织物，再将电极纱线固定在织物上形成带电极纱线的织物。导电线呈螺旋状缠绕在弹力纱线的表面，那么不论导电线怎么摆放，导电线朝向另一根电极纱线的导电线，以便两根导电线相互平行形成电容结构。导电线呈螺旋状缠绕时，可以采用左旋螺旋状缠绕，也可以采用右旋螺旋状缠绕。相互交叉的两根电极纱线中导电线采用不同的螺旋方式，也就是说，一根电极纱线采用左旋螺旋状缠绕时，另一根电极纱线采用右旋螺旋状缠绕，有利于两根导电线相互平行，扩大电容结构的电极面积。进一步地，相互交叉的两根电极纱线分别采用左旋和右旋时螺旋角均为45°，且相互交叉的两根电极纱线采用相互垂直交叉，进一步有利于两根导电线相互平行。
可以理解的是，相互交叉的两根电极纱线中，可以是一根电极纱线具有弹性介电层，另一根不具有弹性介电层，也就是说，在两根电极纱线之间仅存在一层弹性介电层，仍然可以形成电容结构。
理想平行板间的电容可根据以下公式进行计算。
Figure BDA0003828223670000051
其中，ε0与εr分别是真空介电常数和相对介电常数。A是相对的平行电极的面积，d是平行板电极间的距离。当受到压力时，介电层被压缩，两电极间的距离变小，电容增大。因此，可建立压强变化与电容变化的对应关系，通过对电容变化的估算压强或者压力变化。
本发明的柔性可编织的压力传感器具有可编织性，使压力传感器与织物在编织过程中紧密结合，确保柔性压力传感器测量的准确性较高，并根据需要，在任何位置将传感器与织物结合为一体。同时，该柔性压力传感器结构简单，制造方法简单，设计灵活，可提升柔性压力传感器在智能可穿戴领域的实用性。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述弹性介电层包括：
弹性体；
导电材料，分散在所述弹性体内。
具体地，为了增大弹性介电层的介电常数，在弹性体内增加导电材料，形成介电常数较大的弹性介电层。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述弹性体包括：硅胶、热塑性聚氨酯中的至少一种。
具体地，弹性体可以采用硅胶，如PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)。弹性体还可以采用热塑性聚氨酯(Thermoplastic Polyurethane，TPU)。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述导电材料包括：石墨烯、炭黑、金属纳米材料中的至少一种。
具体地，导电材料可以采用石墨烯、炭黑、金属纳米材料等，金属纳米材料金属纳米颗粒、金属纳米线、金属纳米棒等。如图9所示，添加炭黑颗粒在弹性体中，可增加介电层的介电常数，从而增大电容信号。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，相互交叉的两根电极纱线的电极极性不同。
具体地，相互交叉的两根电极纱线的电极极性不同，也就是说，相互交叉的两根电极纱线中，一根电极纱线中导电线为电容结构的正极，另一根电极纱线中导电线为电容结构的负极。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2所示，所述弹力纱线为尼龙包缠纱。具体地，弹力纱线可以采用尼龙材料制成的纱线。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2和图3所示，所述导电线为尼龙镀银导电纱。具体地，导电线也采用尼龙材料制成的纱线，并镀有银材料。弹力纱线和导电线采用相同材料。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3所示，所述弹性介电层的厚度为50-100μm。具体地，根据需要设置弹性介电层的厚度，具体为 50-100μm。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图8所示，所述至少两根电极纱线浮沉编织在织物上，所述至少两根电极纱线包括：若干根横向排列的电极纱线及若干根纵向排列的电极纱线；
其中，每根横向排列的电极纱线与所有纵向排列的电极纱线交叉设置；
每根纵向排列的电极纱线与所有横向排列的电极纱线交叉设置。
具体地，采用相互垂直交叉的方式排列相互交叉的两根电极纱线，一根电极纱线为横向排列的电极纱线，另一根电极纱线为纵向排列的电极纱线。每根横向排列的电极纱线与所有纵向排列的电极纱线交叉设置，且在每一个交叉位置抵接，形成电容结构。每根纵向排列的电极纱线与所有横向排列的电极纱线交叉设置，且在每一个交叉位置抵接，形成电容结构。
需要说明的是，这里的织物可以全部由电极纱线编织形成；也可以由电极纱线和弹力纱线编织形成。
基于上述任意一实施例的柔性可编织的压力传感器，本发明还提供了一种柔性可编织的压力传感器的制备方法的较佳实施例：
本发明实施例的柔性可编织的压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S100、提供弹力纱线、导电线、介电材料以及固化剂。
步骤S200、将所述导电线缠绕在所述弹力纱线上。
步骤S300、将所述介电材料溶解并加入所述固化剂，得到介电材料溶液。
步骤S400、将所述介电材料溶液涂覆在缠绕有导电线的弹力纱线上，并固化形成弹性介电层，以得到电极纱线。
步骤S500、将至少两根电极纱线交叉设置形成柔性可编织的压力传感器。
具体地，先制备单根的电极纱线，并重复制备出至少两根电极纱线，然后将至少两根的电极纱线相互交叉设置形成柔性可编织的压力传感器。
步骤S500具体包括：
步骤S510、采用浮沉编织的方式将若干根电极纱线沿横向排列编织在织物上。
步骤S520、采用浮沉编织的方式将若干根电极纱线沿纵向排列编织在织物上；其中，每根横向排列的电极纱线与所有纵向排列的电极纱线交叉设置，每根纵向排列的电极纱线与所有横向排列的电极纱线交叉设置。
具体地，采用浮沉编织的方式，电极纱线一段位于织物的一侧，相邻的一段位于织物的另一侧，相对于织物呈浮沉交替出现。在电极纱线的交叉位置，一段横向排列的电极纱线与一段纵向排列的电极纱线相互抵接，形成电容结构。
具体实施例一
以70D(Daniel)尼龙镀银导电纱和512D莱卡尼龙包缠纱(Zimmermann, 德国)为原料(索维特，中国)为原料，制备弹力导电纱线。使用包缠机器 (NO.SFM32-04，中国)将尼龙镀银导电纱均匀包缠到莱卡尼龙包缠纱上面，如图1所示。最后包缠得到的弹力导电纱如图2所示。选用PDMS(型号：SylgardTM，184 silicone elastomer,Dowcorning，美国)作为聚合物基体，均匀包覆导电弹力纱线将PDMS 184与固化剂以10:1的比例混合，之后涂覆在弹力导电纱上面，在烘箱80℃条件下3个小时进行固化，得到的硅胶包覆弹力导电纱(即电极纱线)，如图3所示。
通过万能材料试验机(型号：Instron 5944，美国)分别对莱卡尼龙包缠纱，弹力导电纱及硅胶包覆弹力导电纱(即电极纱线)进行了拉伸测试，测试结果如4的所示。从图4可以看出，弹力导电(包缠)纱和硅胶包覆弹力导电纱的拉伸性能在伸长率100％以内时与莱卡尼龙包缠纱相似。弹力导电纱与硅胶包覆弹力导电纱的拉伸性能非常接近，说明硅胶涂覆层对包缠导电纱的拉伸性能的影响可以忽略。弹性导电纱和硅胶包覆弹力导电纱的性能在100％的伸长率后，拉力比莱卡尼龙包缠纱明显增加，且断裂伸长率降低。这现象说明增加导电包缠纱减少莱卡尼龙包缠纱的伸长率，增加了其拉伸强度。
同时，对硅胶包覆弹力导电纱线进行进一步的电-力学性能研究。首先，将多根硅胶包覆弹力导电纱线合并模拟更大面积的织物结构，并形成局部接触，分析压力变化和电容之间的关系。如，将6根硅胶包覆的弹力导电纱固化后以3×3的方式垂直放置，得到压力传感器(图5)，其中导电纱为电极，中间的PDMS为介电层。当受力压缩时，硅胶包覆的弹力导电纱弯曲变形，同时硅胶被压缩变形，两电极间间距减小，从而电容增大。
电-力学测试系统如图6所示，通过材料试验机和电容测量设备建立位移，压力和电容变化同步测量系统。其中，材料试验机(Instron 5944，美国)用于测量传感器的压力-时间曲线和位移-时间曲线，而LCR 6200(固纬，中国)用于测量连续电容变化，即电容-时间曲线。
目前，基于这一类纱线发展的小压力传感器目标应用是人体压力测量。根据国际标准(Medical CompressionHosiery Quality Assurance RAL-GZ 387/1)和国家标准(保健用压力袜测试规范)，设定最大的压力为10kPa。当硅胶包覆弹力导电纱线形成的节点被压缩，压强从0kPa到10kPa循环变化，如图7所示。电容随着压强的增加而增加，随着压力的释放而减小，且呈现较好的循环稳定性。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性可编织的压力传感器，其特征在于，包括：至少两根电极纱线，其中，两根电极纱线存在至少一个相互交叉的点位形成电容结构；所述电极纱线包括：
弹力纱线；
导电线，缠绕在所述弹力纱线上；
弹性介电层，包裹在所述弹力纱线和所述导电线外；
其中，当相互交叉的点位受压后，所述弹性介电层发生变形以减小两根电极纱线中导电线之间的距离。
2.根据权利要求1所述的柔性可编织的压力传感器，其特征在于，所述弹性介电层包括：
弹性体；
导电材料，分散在所述弹性体内。
3.根据权利要求2所述的柔性可编织的压力传感器，其特征在于，所述弹性体包括：硅胶、热塑性聚氨酯中的至少一种；
所述导电材料包括：石墨烯、炭黑、金属纳米材料中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的柔性可编织的压力传感器，其特征在于，相互交叉的两根电极纱线的电极极性不同。
5.根据权利要求1所述的柔性可编织的压力传感器，其特征在于，所述弹力纱线为尼龙包缠纱。
6.根据权利要求5所述的柔性可编织的压力传感器，其特征在于，所述导电线为尼龙镀银导电纱。
7.根据权利要求1所述的柔性可编织的压力传感器，其特征在于，所述弹性介电层的厚度为50-100μm。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的柔性可编织的压力传感器，其特征在于，所述至少两根电极纱线浮沉编织在织物上，所述至少两根电极纱线包括：若干根横向排列的电极纱线及若干根纵向排列的电极纱线；
其中，每根横向排列的电极纱线与所有纵向排列的电极纱线交叉设置；
每根纵向排列的电极纱线与所有横向排列的电极纱线交叉设置。
9.一种柔性可编织的压力传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供弹力纱线、导电线、介电材料以及固化剂；
将所述导电线缠绕在所述弹力纱线上；
将所述介电材料溶解并加入所述固化剂，得到介电材料溶液；
将所述介电材料溶液涂覆在缠绕有导电线的弹力纱线上，并固化形成弹性介电层，以得到电极纱线；
将至少两根电极纱线交叉设置形成柔性可编织的压力传感器。
10.根据权利要求9所述的柔性可编织的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述至少两根电极纱线包括：若干根横向排列的电极纱线及若干根纵向排列的电极纱线；所述将两根所述电极纱线交叉设置形成柔性可编织的压力传感器包括：
采用浮沉编织的方式将若干根电极纱线沿横向排列编织在织物上；
采用浮沉编织的方式将若干根电极纱线沿纵向排列编织在织物上；其中，每根横向排列的电极纱线与所有纵向排列的电极纱线交叉设置，每根纵向排列的电极纱线与所有横向排列的电极纱线交叉设置。
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