织物传感阵列制备与压力分布检测系统设计

王小东，许松林，裴泽光

(东华大学 机械工程学院, 上海 201620)

近年来,物联网与智能化技术的加速发展使得柔性压力传感器成为智能坐垫[1]、可穿戴电子设备[2-4]、电子皮肤[5]等的核心器件。其具有可弯曲、可穿着、易于人机交互等特点,相较于传统的机械式传感器和半导体传感器,在智慧养老[6]、医疗健康[7]、智能纺织品[8]等领域具有更大的优势,同时,柔性压力传感器也正在向着规模化、集成化、低功耗化方向发展。具有低成本、高性能[9]、可大规模生产的织物压力传感器是目前的重点研究方向。

随着我国人口老龄化[10]的日趋严重,独居老人数量不断增多,对其生理信号进行实时监测成为必然趋势。此外,老年人身体机能老化,相较于年轻人更容易发生意外摔倒且摔倒后更容易造成严重后果[11],事实上,摔倒已经成为目前导致老年人受伤、住院治疗,甚至引起死亡的首要原因。因此,为老年人提供一种实用且专业可靠的跌倒检测系统尤为重要。目前针对跌倒检测系统的研究,总体上可分为可穿戴[12]和不可穿戴两方面。周坤[13]设计了一种基于九轴运动传感器的可穿戴跌倒检测系统,根据人体姿态信息设计跌倒检测算法以检测老人是否摔倒。基于加速度计、陀螺仪等微机电系统设计的可穿戴摔倒检测系统具有体积小、能耗低、易携带等优点,但是其费用较高且需要固定于人体的某一特定部位,这可能导致老人生活不便,因此大量的独居老人并不倾向于使用这种系统来监测自身安全。不可穿戴系统中,最为常用的是基于视觉技术的摔倒检测方法。其采用监控摄像头采集老人活动视频,经过图像处理来判断老人是否发生摔倒。Yu等[14]提出了一种基于视频信息的模糊算法来提供一种高效便捷的跌倒检测系统,但其受光线等影响较大、成本较高,且不利于保护生活隐私。徐世文[15]基于红外线技术构建了居家摔倒检测系统,通过红外相机获取人体红外图像,以人体标定的关键点为检测目标进行判断。Yu等[16]设计了一种可用于摔倒检测的自供电压敏式地毯,其基于可镶嵌于纺织品中的摩擦电纳米发生器,结合含有导电纤维的面料开发而成,为摔倒检测提供了高灵敏度、高响应速度,但来自传感单元之间接触的干扰信号,会影响该检测系统的准确性。本文开发了一种低成本的织物压力传感阵列,并基于该阵列设计了压力分布检测系统,根据独居老人在阵列上的足底压力分布,来观测老人的居家活动,针对摔倒等突发情况,及时给予报警、通知家属等帮助。

1 织物压力传感阵列的制备

本文设计的织物传感阵列主要由基底织物、镀银导电纱线、非导电纱线、柔性压力传感单元组成。图1为织物传感阵列的整体结构示意图。

1—经向镀银导电纱线;2—柔性压力传感单元;3—纬向镀银导电纱线;4—基底织物;5—经向非导电纱线;6—纬向非导电纱线。图1 织物传感阵列结构示意图Fig.1 Structural diagram of fabric sensing array

一组若干镀银导电纱线沿着基底织物的经向以10 mm的间隔均匀排列在基底织物的正面,另一组若干镀银导电纱线沿着基底织物的纬向以10 mm的间隔均匀排列在经向镀银导电纱线的上方,在上下两组镀银导电纱线的交会处均设置直径为3 mm的圆形压力传感单元,使得两组镀银导电纱线与压力传感单元上下相互接触实现电路连通。在基底织物的反面,若干非导电纱线沿基底织物的经向间隔地排列在基底织物上,并与经向镀银导电纱线的位置一一对应,另一组若干非导电纱线沿着基底织物的纬向间隔地排列在经向非导电纱线的上面,并与纬向镀银导电纱线的位置一一对应。

1.1 试验材料选择

基底织物采用纯涤平纹机织布料,镀银导电纱线采用规格为77.78 dtex/2,电阻为8.6 Ω/cm的类型。非导电纱线采用规格为40 S(14.76 dtex)/2的涤纶缝纫线。柔性压力传感单元由导电材料、高分子材料和有机溶剂组成,其中导电材料为直径为30 nm的碳黑粉末,相较于金属颗粒和导电陶瓷材料,碳黑粉末除了具有同样良好的导电性之外,还具有较低的逾渗浓度,在高分子材料中不易发生团聚,且成本更低。高分子材料采用质量分数为30%的HK-3050型聚氨基甲酸酯(简称聚氨酯,分子量为30 000 Da)溶液,有机溶剂采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液。

1.2 制备工艺

1.2.1 导电复合溶液的配制

在制备织物压力传感阵列之前,需要先配制导电复合溶液,以备后续制作压力传感单元。导电复合溶液配制流程如图2所示。

图2 导电复合溶液配制流程图Fig.2 Flow chart of the preparation of conductive composite solution

导电复合溶液配制具体操作流程共分为5个步骤:

1)采用JJ224BC型电子天平称取20 g质量分数为30%的聚氨酯溶液倒入烧杯中。

2)取10 mL的DMF溶剂与聚氨酯溶液混合,以降低聚氨酯溶液浓度,从而使后续加入的碳黑粉末在聚氨酯溶液中更好地进行分散。

3)采用电子天平称取2 g 碳黑粉末加入烧杯中与聚氨酯溶液混合形成复合溶液。碳黑粉末的质量mc可由式(1)求得:

(1)

式中:m为聚氨酯溶液的质量,g;mc为碳黑粉末的质量,g;w为压力传感单元中所含碳黑粉末的质量百分比(w为25%)。

4)使用玻璃棒在烧杯中手动搅拌3 min,对复合溶液进行预分散。

5)将预分散好的复合溶液送入SCIENTZ-750F型超声波分散仪中。为提高分散频率,促进碳黑在聚氨酯溶液中充分分散,设定超声波分散仪功率为满量程的60%,分散时间为40 min,间歇时间为4 s。

1.2.2 工艺流程

采用丝网印刷法在织物上制备压力传感阵列。相比传统的涂覆法,虽然丝网印刷法对溶液性能要求更高,但是其可以得到图案精度更高、厚度均匀的传感阵列,更符合大规模制备的条件。图3为制备织物压力传感阵列具体工艺流程,共包括4个步骤:

图3 制备织物压力传感阵列的工艺流程Fig.3 Process of fabricating the fabric pressure sensing array

1)采用DDL-9000B-SS型缝纫机用锁缝法将镀银导电纱线和非导电涤纶缝纫线以10 mm间隔沿经向分别均匀地缝制在基底织物的正面和反面。这使得镀银导电纱线与非导电涤纶缝纫线在基底织物的内部形成牢固的线圈锁扣,从而固定住了镀银纱线。

2)采用丝网印刷方法,在掩模上制成直径为3 mm、中心距为10 mm的6×6圆孔阵列。将导电复合溶液均匀地印刷在经向镀银导电纱线及其附近的织物上,然后浸入水中3 s,使导电复合溶液迅速成型。

3)将印刷好的织物放入PCD-E6000型干燥箱中烘干,烘干温度为30 ℃,时间为30 min。导电复合溶液中的DMF溶剂析出,使得碳黑/聚氨酯导电复合材料凝固,形成压力传感单元的阵列。

4)取出烘干后的织物,用缝纫机的锁缝法将镀银导电纱线和非导电涤纶缝纫线以10 mm间隔均匀的沿着纬向分别缝制在织物的正面和反面。该方法将压力传感单元置于经向镀银导电纱线和纬向镀银导电纱线的交会处,从而使得经、纬镀银导电纱线通过压力传感单元实现电路导通,如图4所示。

1—经向镀银导电纱线;2—压力传感单元;3—纬向镀银导电纱线;4—基底织物;5—线圈锁扣;6—经向非导电纱线;7—纬向非导电纱线。图4 织物压力传感阵列横截面示意图Fig.4 Diagram of the cross section of the fabric pressure sensing array

2 柔性压力传感单元的性能研究

对织物压力传感阵列中的压力传感单元进行电力学试验,以评估其传感性能。考虑到老年人的体重值分布范围大,织物压力传感阵列应具有尽可能大的压力检测范围。对于下列试验中进行的压力-电阻试验,依据一个体重为80 kg、足底面积约400 cm2的男性[17]所产生的足底压力为标准,计算出试验中施加在织物压力传感阵列上的压力。传感阵列中每个传感单元的面积为0.07 cm2,由式(2)可计算该织物压力传感阵列在受压时单个压力传感单元所受到的力(F):

(2)

式中:mp为男性的体重,mp=80 kg;g为重力加速度,g=9.80 N/kg;S1为男性足底面积,S1=400 cm2;S2为单个传感单元的面积,S2=0.07 cm2。

计算得到F=0.14 N。根据预试验发现计算得到的压力值F小于压力传感单元的压力检测上限(0.30 N)。此外,考虑到老年人群中还存在一部分大体重群体,因此本试验中所施加的力的最大值取0.30 N。

随机选取织物压力传感阵列中的一个传感单元,对其进行加压和释压试验,以研究电阻值随压力的变化情况。将该传感单元处相交的纬向镀银导电纱线和经向镀银导电纱线分别通过导线接入TH2832型数字电桥的2个外接测试夹子,并对压力传感单元的电阻值进行记录。然后将压力传感单元置于ZQ-990LB型电动万能拉伸试验机的正下方,如图5(a)所示。加载时测试压力设置为0～0.3 N,卸载时测试压力设置为0.3～0 N,压力施加速度设置为0.05 N/s。从图5(b)可以看出,加压时,传感单元受压变薄,使得传感单元与其上下2个镀银导电纱线中的银纤维束之间的间距减小且接触点增多,从而电阻值下降。同理,压力卸载时,传感单元由薄变厚至初始厚度,电阻值升高至初始值附近,显示出较好的压阻效应。

图5 传感单元电力学性能的测试过程与 加载-卸载测试曲线Fig.5 Testing process of the electromechanical properties of the sensing unit and its loading-unloading testing result

对图5(b)加载-卸载的离散测点进行曲线拟合,结果如图6、图7所示。加载离散测点的拟合结果如式(3)所示,拟合优度的确定系数为0.984。

图7 压力卸载拟合曲线Fig.7 Fitting curve for the pressure unloading data

R(x)=1 874.8e-9.436x+628.4

(3)

卸载离散曲线的拟合如式(4)所示,拟合优度的确定系数为0.994。

R(x)=1 893.2e-10.022x+639.2

(4)

式中:因变量R为电阻值;自变量x为施加的压力值。

在0、11.6、25.0 kPa压强作用下,分别计算加载和卸载时传感单元的灵敏度,以反映一定压强变化下传感单元的电阻变化率。计算结果如表1所示,其中,0 kPa对应的压力值为0 N,11.6 kPa对应的压力值为0.14 N,25.0 kPa对应的压力值为0.30 N。由此可知,传感单元的灵敏度随着压强的增大而降低。

表1 不同压强下传感单元的灵敏度Table 1 Sensitivity of sensing unit under different pressures

此外,为了表征织物压力传感阵列所能承受的压强范围和电阻变化范围,对上述6×6的织物压力传感阵列的所有传感单元进行加压测试,取平均值,并计算标准差,得到传感单元压强-电阻曲线,如图8所示。由图8结果可知:压强从0 kPa增加到接近25 kPa时,传感单元电阻平均值从2 500 Ω左右快速降低到最低响应电阻500 Ω附近;传感单元的电阻值标准差较大,这是由于手工印刷与缝制导致的传感单元电阻一致性较差。后续将通过采用机器印刷、自动缝制和数据处理算法对这一问题进行改善。

图8 传感单元的压强-电阻曲线Fig.8 Curve of the pressure-resistance relationship for the sensing unit

为了探究织物压力传感阵列的电力学稳定性,随机选取一个压力传感单元,利用电动万能拉伸试验机对其施加垂直于其表面方向的周期性交变压力0—0.3—0 N,循环施压16个周期,压力作用频率为1/12 Hz。周期性交变压力作用下的压力-电阻曲线如图9所示。由图9可知,在交变压力作用下,电阻值始终随着压力的变化而变化,当压力值升高达到最大值0.3 N时,电阻值也迅速降低至最小值,反之,当压力值降低至0 N时,电阻值也随之回到初始值附近。在这个过程中,传感单元的电阻值随压力的变化而显著变化。由于传感单元在卸压后变形回复时会存在一定的滞后性,释压回弹时无法完全恢复至初始值,使得整体平均的电阻值呈现略微下降的趋势,但整体上可保持较好的稳定性,表明本文设计的织物压力传感阵列传感单元具有良好的电力学重复性。

图9 周期性交变压力作用下传感单元的压力-电阻曲线Fig.9 Curve of the pressure-resistance relationship for the sensing unit under cyclic loading-unloading

3 压力分布检测系统设计

在上述工作的基础上,设计了压力分布检测系统,如图10所示。

该系统中将织物压力传感阵列中的经向镀银导电纱线和纬向镀银导电纱线分别与多路复用器1(MUX1)和多路复用器2(MUX2)进行电连接。将控制模块(Arduino Uno R3)的输入和输出分别接入MUX1和MUX2,通过多路复用实现对织物压力传感阵列中的每一个压力传感单元进行编址和测量电阻。对压力分布检测系统的检测效果进行了测试,受试者站立于柔性压力传感阵列上,将采集到的每个传感单元的电阻值代入上述加载拟合式(3)中,求得对应的压力值并将其转换为压强,以绘制足底压力分布云图,如图11所示。后续研究将在控制模块的另一端接入无线通信模块(NodeMcu),以实现远程读取每一个传感单元的电阻值,通过分析这些电阻值的变化,将压力分布检测系统应用于居家老人的摔倒检测,此外该系统还可以应用于人体坐姿远程监测、身份识别、家庭安防等领域。

图11 足底压力分布图Fig.11 Plantar pressure distribution of human body

4 结 语

本文制备了一种柔性压力传感器,将柔性压力传感器与导电纱线进行电连接,构建了织物压力传感阵列,并对该织物压力传感阵列的电力学性能进行测试,结果表明其具有可靠的电力学稳定性和重复性。利用Arduino Uno控制器和多路复用器对传感阵列中所有传感单元进行编址,并实现电阻值实时测量,结合本文设计的压力分布检测系统获得了人体足底压力云图。研究表明,该织物压力传感阵列及压力分布检测系统具有稳定性好、成本低、响应范围广的优点,可以更好地监测老人摔倒现象,且其在医疗健康、智能家居、机器触觉等领域均有广泛的应用前景。