用于智能纺织品的柔性传感器研究进展*

马艳丽， 刘 茜， 刘 玮

(上海工程技术大学 服装学院，上海 201620)

综述与评论

用于智能纺织品的柔性传感器研究进展*

马艳丽， 刘 茜， 刘 玮

(上海工程技术大学 服装学院，上海 201620)

传感器是智能纺织品实现智能化的核心部分，其中柔性传感器发挥着极为重要的作用。以传感器的工作原理为分类依据，分别从测量原理、制作材料及结构、传感器与纺织材料的结合方式、应用现状各方面介绍了五类常用于智能纺织品的柔性传感器，并分析了各自存在的缺点，对未来柔性传感器的发展方向进行了展望。

智能纺织品； 纺织材料； 传感器； 柔性

0 引 言

随着电子科技、生物技术以及纺织材料的不断进步与发展，智能纺织品受到人们的青睐，它将电子、计算机、生物、材料等高新技术融入纺织服装中，使纺织服装除了满足穿着、保暖等基本要求外，还具备感知功能、反馈功能、响应功能以及自诊断、自修复功能等，其中具有感知功能的纺织品通常是通过传感器实现的，而相当一部分传感器需要与纺织材料相结合，用于监测应变、压力、位移、温度、湿度、酸碱度等信号的变化，把感知的生理与环境等信号转换为电信号，及时做出所期望的反应，常用在医疗健康监测、运动、通信、航空航天、消防等领域。智能纺织品在实现智能的同时，应保持原有柔软、易变形、舒适等特性，因此，柔性传感器是目前研究开发的重要工作之一。

传感器根据感知方式与工作原理的不同，主要包括电容式传感器、光纤式传感器、压电式传感器、压阻式传感器以及电感式传感器。

1 电容式传感器

电容式传感器是根据电容器的原理制成，由两个平行极板中间夹一层电介质构成。外力引起极板间距离、极板面积或电介质的改变，都会引起传感器电容变化，传感器将这些变化量感知并传递给用户[1]。柔性电容传感器一般以柔性材料为电容器极板，如导电薄膜、纤维、纱线、织物等，以泡沫、间隔织物、橡胶等弹性材料为间隔层，这种柔性电容传感器与纺织品结合后制成电智能纺织品，能够感知外界环境的变化，其结构简单、灵敏度高、空间分辨率高，且基本保留了纺织品原有的柔软、易变形、舒适等特性。

Sergio M等学者[2]设计了一种电容式织物压力传感器，此传感器由16根经向导电纱和16根纬向导电纱在弹性泡沫两侧垂直交叉排列，交叉点所组成的16×16列阵即为电容器阵列。当对传感器施加压力时，中间的弹性泡沫被压缩，分布在泡沫两侧的导电纱之间的距离缩小而引起传感器电容改变，电容的变化信号可以被扫描并绘制成图形。此电容式织物传感器能够感知织物表面压力的分布，但由于弹性泡沫的使用，使传感器的敏感度降低，并且这种汉堡式的夹层结构导致织物传感器不够柔软，降低了其穿着舒适性。这种传感器已用于医用袜、轮椅垫、床垫以及内衣中压力场的监测。

Meyer J等人[3]在Sergio M的基础上将模型进行优化，优化后的模型在0～10 N/cm2压力范围内，电容平均误差小于4 %，可以装配8，16，30或更多感应单元制备压力传感阵列，如图1所示。当介质层为6 mm厚的间隔织物时，在加压前后其电容分别为3.5 pF(无载荷)和5.8 pF(压力5 N/cm2)。此传感器用于监测肌肉活动，可以监测由肌肉弯曲引起的前臂0～135°偏转。但传感器的感知带与人体皮肤之间有摩擦，所测的由肌肉弯曲带给前臂的压力分布并不均匀。

图1 压力传感器及其阵列

Donselar R等人[4]也研制了一种智能压力垫，它是由64只压力传感器和测试软件组成，其上下两层为导电织物，中间层为绝缘泡沫，构成三明治结构，用来感知保温箱中早产婴儿周围环境的压力分布，以评估婴儿在保温箱中的舒适状况。

Kang T等人[5]设计了一种用于健康监测的电容传感器，此电容器使用有银涂层的由弹织物作为一个电极板，无弹的银涂层织物作为另一电极板。通过有弹电极板在外力作用下反复增大和收缩，导致平行电极板面积不同，引起传感器电容改变，以达到对呼吸监测的目的。

2 光纤传感器

光纤传感器是利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)改变的传感器[6]。国内外许多学者将光纤织入纺织品中构成光纤传感器，能够感知压力、加速度、温度、电场等信号，且不影响纺织品本身轻质、柔软的特性。光纤传感器具有重量轻、体积小、灵敏度高、传输性稳定、耐高温、耐冲击等优点，常用于航空航天、医疗、军事、通信等领域。

Rothmaier M等人[7]将光纤织入由弹性纱线织制的针织物中，开发出光纤压力传感器，如图2所示。当压力施加在有光纤的区域时，弹性纱线交叉点的位置发生变化，导致透射光强度改变，从而检测所施压力的变化。

图2 织物光纤传感器

De Jonckheere J等人[8]把光纤通过钩针缝入弹性织物中，制成光纤传感器，并将其应用在医学的核磁共振成像中，以监测病人的呼吸状况。用光纤传感器代替核磁共振成像中的金属材料，可以减少核磁共振成像中金属材料对检测信号的影响。呼吸引起的腹部和胸部运动导致织物的伸展，从而引起光纤位置的变化。

3 压电传感器

压电传感器是利用压电材料受力后产生压电效应制成的传感器[9]。常用的压电材料有陶瓷纤维、偏聚氟乙烯(PVDF)薄膜、以及填充了导电颗粒的复合导电薄膜等，这些材料制成的压电传感器可用于测量压力、加速度等，它具有灵敏度高、频带宽、质量轻、结构简单、性能稳定以及良好的动态特性等优点，被广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。

Edmission J等人[10]设计了一种可作为键盘的电子手套，手套采用压电薄膜制成，用以感知手的弯曲和轻敲动作，并对手指的一些标准打字运动进行了测定。传感器连至A/D转换器上，产生的弯曲和敲打信号由软件采集与处理。

Drean E等人[11]设计了一种用于汽车行业的压电传感器，该压电传感器使用PVDF导电材料制成，放置在外层面料和里层泡沫之间，然后连接至放大器和阻抗相位分析仪上，用于检测施加在汽车座椅上的压力。

步态稳定性是障碍人士运动的最重要问题之一，Liu J等人[12]开发了基于纺织材料的监控系统，它能够存储角速度、垂直加速度和压电数据，以监测和评估障碍者运动的步态稳定性，以防止其跌倒。该监控系统将多种电子元件植入纺织服装内，包括压电传感器、印刷电路板、微控制器等，收集的压电数据通过蓝牙传送至处理器。

沙永忠等人[13]用PVDF薄膜设计了一种柔性压电传感器，它共由7层薄膜组成，最中间一层为PVDF敏感层，中间的两边为正负电极层，用于收集 PVDF 产生的电荷，外层为保护层。此传感器将应用于飞机管路系统的振动测试中。

4 压阻传感器

压阻式传感器是根据材料的压阻效应和集成电路制成的传感器。压阻传感器常用的材料为半导体硅和锗，但随着研究的深入，越来越多的复合压阻材料被研制出来，如炭黑填充高聚物复合导电纤维、石墨烯填充复合导电纤维。由复合材料制成的压阻传感器柔软、轻质、灵敏系数大、分辨率高、体积小，容易与织物相结合，测量作用在织物上的压力、拉力、加速度和载荷等参数，被广泛应用于航空航天、生物医学工程、气象测量等各个领域。

De Rossi D等人[14]通过在莱卡面料手套的手指部分沉积聚吡咯层制作了压阻传感器，在此传感器上施加压力使织物的尺寸发生改变，增加了总的导电面积，从而降低电阻，且随着手指的弯曲运动，传感器电阻进一步变化。但随着研究的深入，发现聚吡咯涂层传感器存在设置高、响应时间长、涂层工艺困难等缺点。

Munro B J等人[15]用聚吡咯涂层尼龙面料开发了一种可穿戴的膝盖套筒，用来监测膝盖部位韧带的运动状况，该传感器主要测试膝关节屈曲角度，把膝关节屈曲变形转化为电阻变化信号，并通过音频传出，从而确定正确的目标位置，织物上传感器的初始数据呈负压阻状态。

于涛等人[16]用炭黑/硅橡胶制备了一种柔性压阻传感器，其通过机械混合的方法制作炭黑/硅橡胶试样，然后搭建测试平台测量电阻与变形的关系，并通过改变炭黑的表面特性及其在橡胶基体中的分散状态等方法改善其压阻特性。

5 电感传感器

电感传感器是利用电磁感应把被测的物理量，如压力、位移、流量、振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换[17]。电感传感器的传感线圈常采用导电纤维、纱线等纺织材料，这种传感器比普通金属导线线圈的电感传感器柔软，更适合与纺织品结合，可用于呼吸监测和人体动作捕捉等。该传感器具有可靠度高、寿命长、分辨率高、灵敏度高、线性度好以及测量范围宽等优点。

Wijesiriwardana R等人[18]用弹性莱卡纤维、不导电纤维和导电铜线织成针织物，设计了一种管状电感式传感器。将传感器穿戴于胸部，可用于呼吸状况的检测，呼吸导致胸部产生微小的位移变化，从而导致传感器电感变化，并记录和转换成电压信号。

Kang T H等人[19]在非织造织物上缝合了磁导线制备电感传感器，此传感器同样可以监测呼吸信号，因呼吸引起胸部微小振动，引起缝合在织物上的磁导线位置发生变化，从而导致穿过磁导线的磁通量变化，最终引起电流或电压改变。

刘官正等人[20]利用“体域网”的穿戴式人体生理参数动态监测技术，将电感传感器嵌入织物中，设计了穿戴式电感动态呼吸监测微系统，并对被测试者进行不同日常活动(坐—走—跑—恢复)和连续6 h的睡眠呼吸监测实验。结果表明：呼吸率的平均测量精度约为95 %，此传感器可用于日常生活和睡眠呼吸监测。

6 结 论

综上所述，各种传感器与纺织品结合后应用广泛，它们是智能纺织品中核心的研究问题。而目前国内外研制的传感器主要是在织物中嵌入电子元件或者金属纤维制成，或者通过具有涂层的间隔织物来实现，这些传感器存在电子元件不柔软、金属厚重感，以及涂层手感差、不能机洗等缺点，与纺织品结合后，影响了纺织品原本轻质、柔软、舒适等特性，影响其穿戴舒适性，不能达到设计目标和使用性能的要求。从材料的角度出发，使用纺织材料制备的传感器更容易与纺织服装融为一体，它能充分发挥纺织材料的特性，克服传统传感器与纺织品结合后的缺点，是智能纺织品今后的发展方向。

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Research progress of flexible sensor for smart textiles*

MA Yan-li, LIU Qian, LIU Wei

(College of Fashion,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

Sensors are the core parts of smart textiles,especially for flexible sensors.According to different operating principles,five kinds of flexible sensors applied to smart textiles are presented and measurement principles,materials and structures,combining ways with textile materials and specific application are also discussed respectively.Meanwhile,existing defects of various flexible sensors are analyzed.Finally,developing direction of flexible sensor in the future is prospected.

smart textile; textile material; sensor; flexible

2014—08—22

上海市青年科技英才扬帆计划资助项目(14YF1409600)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0001—03

TP 212.6

A

1000—9787(2015)04—0001—03

马艳丽(1989-)，女，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向为电智能纺织品。