“感测技术”课程中智能纺织品传感器及其教学设计

徐珑婷， 田娩鑫， 陆小辰， 赵 萍

(东华大学 信息科学与技术学院， 上海 201620)

智能硬件的迅猛发展赋予了感测技术新的活力。“感测技术”为高校自动化专业的一门主要专业课程，其教学目标是使学生了解传感器技术和检测系统领域的研究现状与方法，能够理解研究应具备的知识和能力；了解常见传感器和检测技术，掌握其基本概念及原理，并熟悉其测量方法；能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。目前感测技术广泛应用于各个领域，例如文献[1]运用光纤感测技术对隧道内的管片接缝变形、道床变形进行监测，一旦发现隧道内出现异常情况即可及时处理，以保障人民的生命财产安全。

随着纺织学科以及电子信息学科的持续发展，人们对智能纺织品的期待越来越高。将自动化、生物、材料等新兴技术融入传统纺织品，在保留传统纺织品柔软、耐水洗、易变形等特性的基础上，赋予其新的特性和功能，例如感知、反馈、自诊断等功能，其中最关键的感知功能是通过传感器实现的。传感器与纺织品结合后可用于监测压力、温度、湿度、相对位移、脉搏等参数变化，把感测到的信号变化转变为电信号传送给嵌入纺织品的控制器，控制器及时做出反馈和相应的动作，既给个人生活带来了便利，又满足了多种专业领域的需求。

一、“感测技术”课程概况

“感测技术”是我校(东华大学)电子工程专业的一门专业基础课程，开设在第二学期，共32学时，2学分。课程内容包括：现代传感器与检测技术概述及发展趋势，测量数据的误差分析，电参量检测技术的方法与原理，常用温度传感器，压力、视觉、光纤等检测技术的原理，各类传感器及其应用实例。

我校是一所以纺织服装为特色的高等院校，具有雄厚的纺织学科基础，纺织科学与工程学科是首批国家“双一流”建设学科。多学科的融合创新是未来研究的一大趋势，将纺织技术和感测技术进行深度融合创新，共同推进两门学科的发展与建设是值得研究的课题。传感器是智能纺织品的关键组成部分，在“感测技术”课程教学中引入智能纺织品传感器相关知识是十分必要的。教学内容如图1所示。

图1 “感测技术”课程教学内容

二、智能纺织品传感器分类及特点

智能纺织品是将微电子、电子信息、生物等学科知识进行创新融合并应用于纺织品而形成的一种新型纺织品[2]。智能纺织品既保留了传统纺织品柔软、舒适等特点，又能对外界环境的变化做出动态感应和反应[3]。常见的智能纺织品有保湿控温、随机变色、电子智能等纺织品。目前智能纺织品在很多高新技术领域得到广泛应用，例如医疗健康、航空航天、运动、通信、消防等。

智能纺织品的主要组成部分为导电纤维、传感器及控制单元。智能纺织品的感知功能是由传感器实现的，传感器与导电纤维结合，用于检测压力、湿度、温度、pH等参数，把感知到的信息转换成相应的电信号，通过导电纤维将电信号传递给控制单元，控制单元根据信号及时做出反应。

智能纺织品常采用柔性导电纤维和柔性传感器作为基本材料，例如运用镀膜、印刷等工艺将柔性电子元件与柔性导电材料进行组合配置，由于两者本身具有良好的材料特性，使得柔性智能纺织品具有安全舒适、轻薄、可水洗等特点，能够很好地满足人们对智能纺织品的需求。目前用于智能纺织品的柔性传感器主要有光纤、电感式、压电式、电容式及压阻式等传感器[3]。

1. 柔性光纤传感器

柔性光纤传感器是利用光纤的敏感特性把被测物理量转换成光波的振幅、相位、波长变化的传感器[3]。相较于电传感器，光纤传感器具有质量轻、精度高、稳定性好等优点，因此在医疗领域的高磁场环境具有明显的应用优势，例如心率测量和呼吸频率监测等。柔性光纤传感器除了能感知压力、温度、振动等信号外，还可感知拉伸力以及位置的变化，比如测量肌肤与衣物的相对位移或者随呼吸变化的微小应变信号。

2. 柔性电感式传感器

电感式传感器利用电磁感应将非电量的变化量转化为线圈的互感系数变化，实现由物理参数到电参数的转换[4]。柔性电感式传感器的传感线圈常采用电阻率低的导电纤维材料，相比金属材质的线圈，导电纤维材料使人的体感更加舒适。柔性电感式传感器具有灵敏度高、结构简单等优点，监测人体动态参数时有其独特的优势。但在高磁场环境中电感传感器会失灵，因此不宜用于高频动态测量。

3. 柔性压电式传感器

压电式传感器是利用敏感元件受力产生电荷的原理制成的传感器，其电荷量与所受力的大小成正比关系。偏聚氟乙烯(PVDF)作为性能良好的敏感元件，其压电系数高且耐磨耐热，常作为柔性压电传感器的敏感元件[4]。其他敏感元件包括陶瓷纤维、复合导电薄膜等，它们具有灵敏度高、质量轻、加工性能良好、动态性能优良等特性，在工程力学、电声学等领域得到广泛应用。

4. 柔性电容式传感器

电容式传感器的传感元件由各类电容器构成，将测得的物理量转换为电容存量，外界物理量的变化使得电容器起始状态发生改变。柔性电容式传感器通常采用柔性材料作为电容器的两个平行极板，间隔层常以橡胶等弹性材料填充[4]。将柔性传感器嵌入智能纺织品中，制作成能感知外界压力或剪切力变化、柔软易变形、空间分辨率高的智能纺织品，以便实现对微小静态外力的检测。

5. 柔性压阻式传感器

压阻式传感器是利用压阻效应与集成电路技术制成的传感器。传感材料在受到压力的情况下具有导电性，其缘由是内部金属粒子的转移，通过测量电阻的变化从而推断压力变化的大小[5]。传统柔性压阻式传感器常由半导体硅和锗构成，随着材料科学、化学等领域的发展，开发出许多灵敏系数大、分辨率高、柔软的压阻材料，例如碳系材料和石墨烯构成的复合型材料，用于感知外界的压力、加速度等参数，被广泛用于航空航天、生物医学等领域[6]。

三、智能纺织品传感器的教案设计

为了更好地将智能纺织品传感器的相关知识引入“感测技术”课程教学，我们根据上述智能纺织品传感器的分类与特点进行教案设计。下面从教师准备、学生准备、教学目标、主要学习内容、教学重点难点、教学方法等方面介绍教案的设计及应用。

1.教师准备

教师选择合适的教学媒体并制作柔性传感器的课件；设计智能纺织品的概念图；深入学习并理解柔性传感器相关知识，在此基础上进行备课；合理安排柔性传感器的教学内容及应用案例，提高学生的学习兴趣和学习体验。

2.学生准备

学生课前预习智能纺织品相关内容，大致了解柔性传感器知识；及时完成教师布置的作业和任务。

3.教学目标

通过本课程的学习，让学生了解智能纺织品的概念，知悉智能纺织品的主要应用领域及所发挥的作用；了解柔性传感器种类及其特性，分析比较传感器特性，并推断其适合的应用领域；激发学生的创造性思维，在学习柔性传感器知识的过程中，结合现有最新的传感器研究成果和已有的认知水平，对未来传感器的研究方向提出大胆设想，对柔性传感器的物理特性提出改进方法。

4.教学内容

主要教学内容包括：智能纺织品的概念，以及相比于普通纺织品所具有的优势和特点；智能纺织品的发展、现有成果和主要应用领域；智能纺织品的组成以及柔性传感器；柔性传感器的种类，各类柔性传感器的原理、特点以及主要应用场景。

5.教学重点

柔性传感器的种类，包括各类柔性传感器的特性及主要应用领域；智能纺织品的种类，包括各类智能纺织品所涉及的专业领域及其发展前景。

6.教学难点

调动学生对柔性传感器的学习积极性，激发其创造性思维；对未来柔性传感器性能提出改进，启发学生畅想未来发展前景。

7.教学方法

PPT课件介绍各类传感器的相关知识，包括各类传感器的定义和相关应用场景。在教学过程中，为了活跃课堂气氛，教师针对传感器知识提出问题，让学生回答，提升学生注意力。把学生分成几个小组，引导小组进行讨论，如传感器还适合应用于哪些场景，还能对传感器的哪些特性进行改进，激发学生的学习热情和动力。

四、结语

柔性传感器功能的创新和升级赋予了智能纺织品巨大潜力，使其具有广阔的应用前景和发展空间。各类柔性传感器除了要满足人们日常活动的基本物理量测量外，还要进一步拓宽其测量的范围，并及时反馈到携带的可移动设备上，满足消费者对智能纺织品的进一步要求。智能纺织品的技术日新月异，在“感测技术”课程教学中引入智能纺织品传感器相关知识，有助于学生学习最新的传感器技术，拓宽知识面，提高新技术应用能力。