嵌花添纱针织应变传感器的制备与性能

张钰晶，龙海如

(东华大学 a.纺织学院；b.纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

近年来，电阻式针织应变传感器因其自身良好的柔性、延伸性和回弹性而在肢体运动及生理参数监测方面得到越来越多的应用[1-5]。针织传感器内部电阻网络的组成与变化是其感应外界的本质因素，一些学者在这方面做了充分的理论和试验研究[6-14]，研究结果表明：针织传感器内部的线圈等结构单元决定了其内部电阻网络的基本组成元素(如接触电阻和纱线长度电阻)之间的连接和分布，而结构单元沿横列、纵行方向的排列(即导电线圈的横列数、纵行数)直接影响电阻网络的规模(即电阻网络中的节点数、支路数)和传感器的性能；当外部电压的正负两极加载至传感器的相应位置时，根据电路分析原理，可利用节点电压法[15]计算电阻网络节点间的等效电阻，其对应的电路方程组会随节点、支路连接方式以及外部电压加载位置的变化而变化。因此，采用不同的针织组织结构、电压加载方式得到的针织应变传感器的静态松弛电阻和力-电性能均会不同。在研发一种新的针织应变传感器时，当原料和上机工艺相同时，在确定了合适的电压加载方式后，导电线圈的横列、纵行数成为影响传感器的主要因素，且传感器应变主轴的选择需通过试验或理论分析确定。

目前，已有许多学者[1-3， 5， 9-10， 14， 16-19]对提花添纱针织应变传感器进行了研究，其通常使用单面无缝针织机进行编织，并以弹性纱为地纱，从而使面纱导电线圈紧密均匀排列，这种方法丰富了导电线圈之间的接触类型并改变了导电纱线长度电阻的类型和分布[14]，同时可有效提高传感器的灵敏性和重现性。此种传感器所有导电横列两端的导电浮线并联作为传感器的输入输出端，从而与外部电压连接[9-10， 14， 16-17]，使用时将横列方向作为应变主轴。也存在将电压加载在纵行方向的两端或者纵向边界中间位置[18-19]的情况，此时留在横列方向两端的导电浮线在编织过程中被机器剪去，使用时将纵行方向作为应变主轴，这会存在因残余的短导电浮线线头在长时间使用中移动而导致线圈脱散的可能。已有学者[9-10， 16-19]对不同方向电压加载情形下，原料、组织结构、导电线圈数、拉伸方式对该类型传感器的力-电性能的影响进行了研究。

现有的研究主要聚焦于提花添纱、纬平针结构的针织应变传感器，而对于其他纬编结构应变传感器的探究还鲜有报道。为拓展可用于肢体运动及生理参数监测的针织应变传感器的种类，本文设计并采用电脑横机通过双纱嘴来编织[20]制备一种嵌花添纱针织应变传感器。虽然嵌花添纱与提花添纱传感器的基础组织都是纬平针，但是前者仅使用一根导电纱和一根弹性纱编织传感器的导电区域，因此导电区域各边界的导电线圈不会在使用中出现脱散的情形，且此根导电纱在进入和退出导电区域时预留的纱段直接与外部电压的正、负两极相连接，即电压加载的方式与后者不同。本文将通过试验研究嵌花添纱针织应变传感器的性能，从而确定最优的应变主轴，并选择性能最优的试样进行应变范围及重现性试验以评估该传感器的应用价值。

1 嵌花添纱针织应变传感器的结构与制备

1.1 传感器结构的设计与制备

根据嵌花织物的结构与编织原理[21]，所设计的传感器被分为3个区域，即非导电区域Ⅰ、导电区域和非导电区域Ⅱ，且各区域在纵向交界处以集圈单元连接(见图1(a))。该传感器是在江苏金龙科技股份有限公司的LXC-352SCV型(机号E14)双针床电脑横机上进行编织，借助L-ONE花型设计系统设计和编译嵌花添纱针织应变传感器的上机程序。在程序中设置前针床为工作针床以此设计编织花型，并设定所使用双纱嘴的宽窄类型(纱嘴的宽窄类型是指导纱器上的乌兹座羊角相对宽度)，保证在双纱嘴同时移动时，面纱始终在地纱的前面(见图1(b))。为了达到理想的添纱效果[20]，还需使穿面纱的纱嘴略低于穿地纱的纱嘴。对应图1(a)，图1(b)展示了各区域所用的纱嘴及纱线配置情况，使用3、7号纱嘴编织非导电区域Ⅰ，4、5号纱嘴编织导电区域，2、6号纱嘴编织非导电区域Ⅱ，其中穿面纱的2、3、4号纱嘴调整为窄型纱嘴(2、3号穿相同普通面纱，4号穿导电面纱)，而穿相同弹性地纱的5、6、7号纱嘴调整为宽型纱嘴。此外，编织过程中使用1号纱嘴进行废纱起底，但该纱嘴并不参与传感器的编织。在编译程序时，1、3、4、5和7号纱嘴设置为左，而2和6号纱嘴则设置为右，即除2、6号纱嘴需从前针床编织区域的右边进入和退出外，其他纱嘴均从左边进入和退出。

1.2 原料及试样规格

在制备所有试样时，均使用相同原料和相同上机参数(密度、牵拉等)进行编织。对应于图1：导电区域的导电面纱使用167 dtex/96 f的镀银锦纶丝，其单位长度电阻为242.2 Ω/m；非导电区域的普通面纱使用78 dtex/48 f的锦纶低弹丝；各区域的弹性地纱均使用线密度为233 dtex的氨纶丝。图2为所制备的嵌花添纱针织应变传感器的实物图，后续测试过程中所有试样外部电压的加载方式如图2(b)所示。

在原料及上机工艺确定的情况下，为研究新型传感器的导电线圈横列数、纵行数对其电学性能的影响，设计并制备了16种传感器，并将其分为A、B、C、D共4组，分别对应导电线圈横列数为20、40、80、160的传感器，其次每组又包含1#、2#、3#、4#共4类，分别对应导电线圈纵行数为10、20、40、80的传感器。每种传感器均制备3个，后续的测试结果均为3个相同传感器数据的平均值。

2 传感器性能的测试与表征

2.1 静态松弛电阻测试

2.2 单向拉伸时的力-电性能测试

使用YG 026 MB型多功能电子织物强力机对所有试样进行定伸长拉伸，其中夹头初始距离及预加张力分别设定为100 mm和0.1 N。同时用DM 3068型数字万用电表同步记录拉伸过程中试样的电阻值，最后导出相应的伸长及电阻数据进行力-电性能分析。

为比较不同导电线圈横列数、纵行数以及单向拉伸方向对传感器的力-电性能影响，对所有试样分别进行沿横列方向和纵行方向拉伸下的力-电性能测试，且最大应变为10%(即预定伸长为10 mm)。将最大应变设定为10%的原因是，通过对传感器的预拉伸测试，得出其在小应变下电阻变化率与应变之间基本呈线性关系，方便传感器的初步选择。

2.3 最优传感器选择及其最大应变范围和重现性测试

在衡量应变传感器的指标中，应变灵敏系数G是最重要的一个，其可根据式(1)进行表征[9， 16]。

(1)

式中：ΔR/R0为对应应变下的电阻变化量ΔR与静态松弛电阻R0的比值，其百分数即为电阻变化率；ε为传感器拉伸方向上的应变，即长度变化量(伸长)与初始长度的比率。

根据试样最大应变为10%时力-电性能测试得到的伸长-电阻数据以及对应静态松弛电阻R0，可绘制出ΔR/R0与ε的线性拟合曲线，拟合曲线的斜率即为G，而线性拟合度R2值则是表征线性度的指标。通过分析拟合结果选出灵敏度和线性度均高的传感器试样，并用其进行不同最大应变下的15次连续往复拉伸测试。

3 结果与讨论

3.1 静态松弛电阻及力-电性能分析

所有试样的静态松弛电阻及力-电性能数据拟合结果如表1所示。比较不同拉伸方向下的线性拟合度R2值可得出，除个别试样外，试样沿纵行方向拉伸时的线性拟合度从整体上比沿横列方向拉伸高。此外，在沿纵行方向拉伸中，线性度和应变灵敏系数最高的试样均为D1#。因此，选择样品性能最优的D1#传感器进行不同最大应变下的重现性测试。

表1 试样静态松弛电阻、线性拟合度及应变灵敏系数

(续表)

3.2 传感器规格参数对其静态松弛电阻及力-电性能的影响

3.2.1 对静态松弛电阻的影响

由表1可以看出：当固定导电线圈横列数时，R0随导电线圈纵行数的增加而减小；而当固定导电线圈纵行数时，R0随导电线圈横列数的增加而增大。

3.2.2 对力-电性能的影响

对表1中所有试样在不同拉伸方向下的应变灵敏系数进行比较分析，结果如图3所示。由图3可知：当导电线圈横列数一定且线圈纵行数为10、 20、 40时，试样沿纵行方向拉伸时的G值均高于沿横列方向拉伸的值，而随着导电线圈纵行数的继续增加，试样沿纵行方向拉伸时的G值会低于沿横列方向拉伸的值；当固定导电线圈横列数时，试样沿纵行方向拉伸时的G值随导电线圈纵行数的增加而减小，而沿横列方向拉伸时的G值则随导电线圈的纵行数的增加而增大；当固定导电线圈纵行数时，试样在沿两种拉伸情况下的G值，除个别异常值，均随导电线圈横列数的增加而增大。

因此，若是以纵行方向为应变主轴，则可以通过减小导电线圈纵行数并增加横列数来获得高G值的传感器；若是以横列方向为应变主轴，则需通过同时增加导电线圈横列数和纵行数来优化传感器。结合前面线性度分析以及导电纱用纱成本的考虑，最优选择是将纵行方向作为应变主轴，此时导电线圈纵行数最少和横列数最多的D1#规格试样的G值和R2值均最高。

3.3 最优传感器应变范围及重现性

将纵行方向作为应变主轴，分别设置最大应变为30%、 60%、 90%、 120%和150%，对D1#规格试样进行15次连续往复拉伸测试，通过数据分析，得到试样在这5种最大应变下的电阻变化范围依次为4.111 1～7.231 6， 4.111 1～23.330 0， 4.111 1～272.054 6， 4.111 1～305.522 1， 4.111 1～633.498 7 Ω，图4为这些测试中试样电阻变化率与时间之间的关系。由图4可以看出，当应变达到150%，应变传感器依旧表现出良好的重现性。对比图4中不同最大应变下的单次往复曲线图可知，当应变在30%以内时，电阻变化率与时间关系曲线在应变增长阶段几乎呈线性增长，而当应变再次增加时，曲线则呈非线性增长，并在某个应变下呈先减小再增加再减小的特殊变化趋势(如图4(e)中的单次往复曲线放大图)。

图5(a)进一步展示了D1#规格试样在最大应变为150%时的电阻变化率、应变灵敏系数与应变之间的关系，图5(b)为导电线圈在不同应变下的对应形态。由图5(a)可知，传感器的电阻变化率在应变为88.03%时达到最大，之后先下降再增加再下降，而传感器的灵敏系数在应变为73.44%时达到最大值182.07，此后出现同样的变化趋势。因此D1#规格试样沿纵向拉伸时的灵敏系数为2.48～182.07，并且小应变(约20%)范围内基本维持稳定，在应变为20%～73.44%时呈快速增长趋势，之后灵敏系数呈下降趋势，到达某一应变(约为120%)时还会出现小幅增长，然后又开始下降，这种变化也不同于文献[18]中将电压加载至纵向两端的提花添纱针织应变传感器。这些力-电性能的变化均与图5(b)中导电线圈形态的变化息息相关，线圈形态的变化导致导电线圈之间的接触发生变化，从而使传感器内部电阻网络组成元素的自身值以及连接状态发生改变。关于传感器内部电阻网络的建立与计算将是另一种挑战，还需后续做进一步研究分析。

作为应变测量传感器，传感器的电阻变化需尽量保证随应变的增加而增加的趋势，否则在从电阻变化逆推对应应变时会出现多解现象。随着计算机计算能力的提高，线性度不再是限制传感器选择的指标，通过事先标定传感器的电阻-应变曲线，即可计算出对应电阻下的应变。因此D1#规格试样可测的最大应变为88.03%，高于将电压加载至横列两端的提花添纱针织应变传感器的可测最大应变(45%)[10]，此时的电阻的变化率可达到14 932.24%，而且最大灵敏系数(182.07)也远高于将电压加载至横列两端的提花添纱针织应变传感器的最大灵敏系数(5.61)[9]。因此嵌花添纱针织传感器可用于测量小应变如呼吸、心跳等，以及大应变如手部关节、腕关节、肘关节、膝关节和踝关节等的弯曲和伸展运动。此外，如果传感器只是用于监测运动次数，那么D1#规格试样因其良好的重现性也可以测试更大应变下的关节运动次数。

4 结 语

对于制备的嵌花添纱针织应变传感器，当电压加载在导电纱线进入和退出导电区域的预留纱段上时，通过试验可以得出如下结论：

(1) 嵌花添纱针织应变传感器的静态松弛电阻随导电线圈横列数的增加而增大，随导电线圈纵行数的增加而减小；

(2) 当以纵行方向为应变主轴时，在最大应变为10%时，传感器的应变灵敏系数随导电线圈横列数的增加而增大，随导电线圈纵行数的增加而减小；

(3) 当以横列方向为应变主轴时，在最大应变为10%时，传感器的应变灵敏系数均会随导电线圈横列数和纵行数的增加而增大；

(4) 在最大应变为10%时，传感器沿纵行方向拉伸时的线性度优于沿横列方向拉伸时的线性度；

(5) D1#规格试样为所有试样规格中性能最优的传感器，其导电线圈横列数最多且纵行数最少，在沿纵行方向拉伸时，不同应变范围下的重现性良好，且可测应变范围为0～88.03%，最大灵敏系数为182.07。

由此可见，制备方法及电压加载方式的不同，使得嵌花添纱针织应变传感器的性能优于提花添纱针织应变传感器[9-10， 16-19]，且前者的可测应变范围也大于后者。在原料及上机工艺确定的情况下，可通过增加导电线圈横列数并减少纵行数的方法来获得高灵敏性嵌花添纱针织应变传感器，但在使用中需以纵行方向为应变主轴。后续可使用电脑横机进行全成型编织，并根据不同的应用场景编织不同类型嵌有本文所研发传感器的全成型或半成型产品，如手套、护膝、护肘、呼吸带等，用于肢体运动及生理参数监测等，还可以进一步研究原料、上机参数及组织结构等对传感器性能的影响。