宏弯光纤应变传感经编织物的设计

杨 昆， 王飞翔， 张 诚

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 电子与信息工程学院， 天津 300387)

宏弯光纤应变传感经编织物的设计

杨 昆1， 王飞翔1， 张 诚2

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 电子与信息工程学院， 天津 300387)

为开发一种利用宏弯原理测量人体呼吸和心跳的光纤传感织物，设计了以棉纱编织的经绒斜为地组织，以直径为1 000 μm的聚合物光纤为衬纬纱的经编衬纬复合织物。通过光纤弯曲实验研究了光纤弯曲曲率半径与光信号衰减之间的关系，确定了衬纬光纤的初始弯曲曲率半径为10 mm，选择传感循环单元数为2；通过比较分析双梳经编织物组织的特点，确定了传感织物的地组织。在此基础上设计了织物垫纱运动图和线圈密度，并在手动经编小样织机上编织出传感织物；最后对这些织物进行了测试。结果表明，传感织物可通过电压值变化的形式反映出拉伸过程中光信号相对于织物形状的变化。

宏弯原理； 光纤； 经编； 衬纬纱； 传感织物

随着社会进步和科技发展，纺织品除了御寒、保暖和美观的作用，其功能性和智能性得到了人们越来越多的关注[1]。智能纺织品指基于纺织基础，结合电子、医学、计算机、物理、化学等多学科综合开发的纺织品，具有感知环境变化的功能性[2-4]。在过去的几十年中，智能纺织品被广泛应用在土木工程[5]、交通运输[6]等工业领域，现在也越来越多地被应用到医用领域[7]。目前，许多国家的研究人员都开展了关于可持续监测人体生理参数产品的研究，相继开发出可通过1个或多个传感器监测呼吸运动、心脏活动、脉搏血氧饱和度等生理指标的可穿戴智能纺织品[8-9]。这些智能纺织品的感应元件大都是电子传感器，在具有轻薄、柔软，可远距离测量等优点[10]的同时，也存在着工作中放热、放电，易产生电磁反应等弊端[11]。近些年来，光纤传感器因其在使用时灵敏度高、动态响应范围大、抗电磁干扰性能突出等优点[12]逐渐受到了人们的重视，其与纺织品的结合已成为研究热点。

光纤智能纺织品将光纤传感器与纺织品有机结合。光纤传感器按照光波在光纤中被调制的原理可分为强度、相位、偏振态和波长调制型等形式[13]。基于宏弯原理的光纤应变传感器属于强度调制型传感器，其主要优点是成本低，嵌入方式简单，可连续监测[14]等。目前大多数宏弯传感器采用缝纫、黏贴的方式将光纤嵌入到弹性基底织物上，光纤与织物没有构成相对统一的整体，是2个分别独立的部分，其制作工艺复杂，耗时大，并且穿着时舒适性较差。本文研究经编光纤宏弯应变传感器的编织与测试，将光纤作为编织组分织入织物中，使之与织物形成一体，织物不仅起到了原有基底可拉伸的作用，还起到了固定光纤的限位作用。这种方法既可一步制成传感织物，有利于实现产业化，还可提高穿着舒适性，满足智能服装对穿着的基本要求，适应其在医用监测领域的发展。

1 研究思路和工作原理

1.1 设计思路

图1 衬纬纱形状Fig.1 Shape of weft insertion yarns

本文设计采用经编局部衬纬的方式实现光纤宏弯传感织物的制作，以光纤作为衬纬纱，按照半圆接半圆(2个半圆相切)的图案设计，形状如图1所示，将其衬入经编地组织中，实现织物的传感作用。

1.2 原 理

宏弯指的是光纤弯曲的曲率半径比光纤直径大得多的弯曲，其引起的附加损耗为宏弯损耗，在实际应用中表现为缠绕、曲折等宏观弯曲导致的损耗[15]。宏弯传感器是利用光纤中传播模全反射条件因待测物理量而受到影响，部分能量在弯曲段从侧面逸出，使光纤中的光通量减少。通过检查光能量的变化，测出相应的物理量，即环境影响的调制可转化为光纤宏弯损耗的形式。如果光纤的弯曲曲率半径小于临界值，传输信号的损耗会急剧增加，这样就可得到相对敏感的宏弯光纤传感器。

当光纤在织物中被拉伸时，发生如图2所示的弧a→弧b形变。(O0为弧a圆心，O为弧b圆心)对于一个传感单元来说其在织物中的总长度不变，即传感单元的弧长不变。

图2 传感单元形状变化Fig.2 Change in shape of sensing unit

由此可得到

(1)

式中：R0为初始传感循环单元半径；R为拉伸后传感循环单元半径；β为拉伸后传感循环单元的弧对应的圆心角。

在△AOB中，

(2)

式中：△L为拉伸变化量。

由式(1)、(2)联立可得

(3)

通过式(3)可得出拉伸长度变化量与初始传感循环单元半径和拉伸后传感循环单元半径之间的关系。

按照D.Marcuse的理论[16]，当弯曲半径为R时，光纤的弯曲损耗系数α为

(4)

式中：μ、W分别为径向归一化相位常数和径向归一化衰减常数；λ为轴向传播常数；V为归一化频率；km为m阶修正贝塞尔函数；a为纤芯半径；em=2(m=0),em=1(m≠0)。

通过式(4)可看到，光纤弯曲引起的损耗依赖于弯曲半径、纤芯半径和芯层、包层折射率。本文实验在光纤种类相同的前提下，主要研究弯曲半径对弯曲损耗的影响，弯曲半径随光纤拉伸长度发生变化，测试电路中弯曲损耗的直观表现为电压值的改变，实验通过比较一定拉伸长度下电压值的变化来对光纤损耗做出评价。

2 传感织物的准备

2.1 纱线准备

2.1.1 衬纬纱原料

由于聚合物光纤与传统玻璃光纤相比，具有良好的柔韧性和弯曲性[17-18]，所以选择聚合物光纤作为衬纬纱线。本文实验选用江西大圣有限公司生产的D1000、D750、D500 3种型号光纤，具体参数如表1所示。

表1 衬纬纱参数

2.1.2 地组织编织纱线原料

地组织选择普通棉纱原料，前梳采用白色棉纱，线密度为20.0 tex，针数为40针；后梳采用粉色棉纱，线密度为25.0 tex，针数为40针。

2.2 织物准备

2.2.1 地组织选择

为编织简便，地组织在经编常用组织结构中选择，经绒斜组织为双梳组织，织物较单梳织物厚实，稳定性好[19],前梳进行经斜垫纱运动，后梳进行经绒垫纱运动，避免了双经平组织脱散的缺陷，且该组织织物比经绒平、经平斜织物柔软，具有良好的延伸性，前后梳反向垫纱时，织物结构较为稳定，适宜作为衬入光纤的地组织，所以选取经绒斜组织为地组织。

2.2.2 编织方案

1)经绒斜地组织垫纱数码为前梳4-5/1-0//，后梳1-0/2-3//，在经编上纱线排列方式见2.1.2小节。

2)根据测试，该传感单元半径范围为10～18 mm，由于织物在测试过程中只能被拉伸，不能被压缩，所以选择10 mm作为光纤的初始弯曲半径。

3)将传感单元量化到织物中，具体的计算方法为：测量并计算织物的横密为7纵行/cm，纵密为6横列/cm；按照织物横密纵密画出网格，在其中取半径为10 mm的圆，对于以曲线衬入织物中的光纤，应尽量使每半个传感循环的曲线接近半圆，根据其所占网格确定光纤的垫纱数码为8-8/15-15/16-16/17-17/18-18/19-19/19-19/18-18/17-17/16-16/15-15//。

2.2.3 编织设备

编织设备采用实验室自制的经编小样机[20]，机号E12，手动操作。

2.3 测 试

2.3.1 衬纬纱测试

2.3.1.1 单圈弯曲测试 首先对3种光纤分别作单圈弯曲测试。由于1个传感单元为2个半圆弧，在实验具体操作过程中，用一个圆弧即光纤弯曲1圈来表示1个传感单元。在光纤未弯曲之前，利用数 字万用表测试了初始输出电压作为参考电压，然后每次将光纤以不同的半径弯曲成圆圈状并固定在亚克力测试平台上，使用IF E91D为光纤提供光源，利用如图3 所示的实验装置，再次测量输出电压，每种光纤做3次实验，取平均值作图，通过对比结果，找到最适合做衬纬纱的光纤。

2.3.1.2 衬纬纱弯曲半径确定 针对实验所用光纤，测试其在拉伸应变时反应最敏感的半径范围。由以上实验确定其初始曲率半径值，选择的步长值小于之前实验的步长值(步长为1 mm)，测量其在不同曲率半径下的电压损耗，以确定最敏感半径范围。

2.3.1.3 传感单元个数的确定 以1个光纤弯曲圆圈作为一个传感单元，利用如图4所示的测试装置，增加传感单元个数，分别重复上述实验3次，取平均值，得到传感单元个数与传感器灵敏度之间的关系，确定传感单元个数。

图4 确定传感单元循环数的实验装置Fig.4 Test equipment for determining number of sensing unit

2.3.2 织物拉伸测试

光纤宏弯传感织物编织完成后，对其进行拉伸，测试传感信号的变化，检测光纤作为衬纬纱织入织物后的传感特性。在图3所示的测试装置的基础上，将2个方形亚克力测试平台换成平移台，将织物两端分别夹持在固定平移台和电动平移台的的两侧，对织物进行拉伸测试(如图5所示)，用Lab View数据卡收集拉伸过程中的动态电压。

图5 动态电压测试装置Fig.5 Test equipment for dynamic voltage

3 结果及分析

3.1 光纤衬纬纱测试结果

图6示出单圈光纤在不同弯曲曲率半径的电压值，图7示出由弯曲引起的损耗随不同曲率半径的变化关系。由于D1000光纤较粗，抗弯刚度大，当半径为2.5 mm时，会发生不可恢复性的破坏，因此图6中D1000的起点为5 mm。从图6、7可知，在相同弯曲曲率半径变化范围内，D1000所测电压的绝对数值和电压损耗值较D750和D500更明显，所以本研究选择D1000作为衬纬纱原料。

图6 单圈光纤在不同弯曲半径下电压Fig.6 Output voltages at different curvature radius of single sensing unit

图7 单圈光纤随曲率半径变化引起的电压损耗Fig.7 Voltage loss resulting from change of curvature radius of single sensing unit

由图7可知，D1000弯曲曲率半径在5～20 mm之间引起的电压损耗明显，实验选择对拉伸应变反应最敏感的半径范围，所以初始半径从20 mm开始逐渐减小，步长为2 mm，测量其在不同曲率半径下的电压损耗，测量结果如图8所示。由此可知传感单元曲率半径在10～18 mm时，电压变化最明显，因此实验选择的传感单元半径为10～18 mm。

图8 光纤传感单元半径与传感电压的关系Fig.8 Relationship between curvature radius of sensing unit and output voltage of optical fiber

在确定传感单元个数实验中，得到图9所示结果，由此可知随着传感单元个数的增加，电压变化也随之变大，增加传感单元个数，可增加光纤宏弯传感器灵敏度。

图9 不同传感循环数与传感电压的关系Fig.9 Relationship between number of sensing unit and output voltage of optical fiber

3.2 传感织物测试结果

在经编小样机上编织衬纬经绒斜织物，得到的编织成品如图10所示。织物拉伸长度与传感电压的关系如图11所示。

图10 织物成品Fig.10 Fabric sample. (a) Face side; (b) Reverse side

图11 拉伸长度与传感电压的关系Fig.11 Relationship between fabric elongation and output voltage

3.3 测试结果分析

通过上述实验可知，在纤芯半径和芯层、包层折射率固定时，光纤的弯曲损耗主要与曲率半径有关，曲率半径在一定范围内增加，光纤的弯曲损耗会减小，曲率半径在一定范围内减小，光纤的弯曲损耗会增加。随着传感循环个数在一定范围内的增加，光纤的弯曲损耗相应增加。

经绒斜衬纬宏弯传感织物中，通过改变衬纬纱的垫纱数码可改变宏弯结构单元的曲率半径，在拉伸过程中，随着拉伸长度的变化，地组织产生形变，传感单元的半径发生改变，从而导致传感电压发生明显变化，由此可知经编宏弯传感器所测电压值与拉伸长度正相关。

4 结 论

本文研究通过采用经编局部衬纬组织(经绒斜作为地组织，光纤作为衬纬纱线)设计，实现了宏弯传感器与织物的一体成型，并通过了拉伸测试，证明该传感器对拉力敏感。该设计不仅兼具光纤的传感特性和织物的性能特点，而且加工制作工艺简单，便于实现量产。

经编光纤宏弯应变传感织物有利于将光纤集成到服装中，从而制作成智能服装，用于人体生理指标的检测。在此研究的基础上，还可将人体生理监测进一步完善，实现对呼吸、肘部弯曲、膝部弯曲等生理参数的监测，为人体健康监测工作和智能服装领域提供更多的方法。

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Design of warp knitted strain sensing fabric based on optical macro-bending sensor

YANG Kun1， WANG Feixiang1， ZHANG Cheng2

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China；2.SchoolofElectronicandInformationEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to develop an optical macro-bending sensing fabric to detect respiration and heartbeat of human body, a warp knitted sensing fabric was designed by using a combined structure in which locknit stitches were knitted with cotton yarns and adopted as a ground structure, and optical fiber with a radius of 1 000 μm was used as the inlay yarn. The relationship between the bending curvature radius of the optical fiber and the loss of its optical signal output was investigated by experimental method. 10 mm and 2 cycles were determined as the initial curvature radius of the optical fiber and the number of sensing unit, respectively. Then, the properties of two guide bar warp knitted structures were compared and analyzed, and the modified Sharkskin structure was chosen as the ground structure of sensing fabrics. Based on them, lapping diagram and stitch density were designed, and the sensing fabrics were produced on a hand driven warp-knitting machine. Finally, these fabrics were tested, and the results show that the optical signal changes can effectively reflect the change of the fabric shape by means of voltage changes in the stretching process.

macro-bending sensor; optical fiber; warp knitting; weft insertion; sensing fabric

10.13475/j.fzxb.20160904806

2016-09-20

2017-03-21

国家自然科学基金青年基金项目(61307094)；天津市高等学校科技发展基金项目(20140713)

杨昆(1967—)，男，副教授。主要研究方向为智能纺织品、新型纺纱技术和针织物。E-mail:tjkyang@126.com。

TS 186.9； TS 106.5

A