CN116200855B - 基于起皱交织结构的柔性电阻式应变传感器及其织造方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于起皱交织结构的柔性电阻式应变传感器及其织造方法，涉及智能穿戴设备领域，该柔性电阻式应变传感器使用具有不同拉伸性能的弹性导电纱线和非弹性导电纱线接触形成回路，并采用具有不同收缩性能的松组织和紧组织错综排列的交织图案，在织物表面产生差异收缩效果形成起皱交织结构，该柔性电阻式应变传感器具有负泊松比效应，经向和纬向同时向外膨胀，在受到拉伸时导电纱线之间的间距增大，使得导电纱线间的接触电阻增大，形成应变与电阻单向变化的效果，从而实现起皱织物的应变传感特性，具有优良且精度较高的传感功能。

Description

基于起皱交织结构的柔性电阻式应变传感器及其织造方法

技术领域

本申请涉及智能穿戴设备领域，尤其是一种基于起皱交织结构的柔性电阻式应变传感器及其织造方法。

背景技术

随着科学技术的进步和人们生活水平的提高，推动了智能可穿戴设备的发展。其中，电阻式柔性应变传感器作为可穿戴设备的核心元件之一，能够将材料所受到的应变转变为电阻信号输出，在医疗卫生、健康监测、信号识别等领域具有广阔的市场前景。

在各种电阻式柔性应变传感器中，由于织物具有独特的编织结构、柔软性和透气透湿性好的特点，同时又表现出良好的生物相容性和低成本性，因此基于织物的柔性电阻式应变传感器在智能可穿戴设备中取得了广泛的应用。但是由于传统织物的正泊松比现象，在拉伸方向上的织物伸长，纱线间的距离增加，而垂直于拉伸方向上的织物收缩，纱线间的距离减少，导致现有的基于织物的柔性电阻式应变传感器的灵敏度较低，应变监测范围小，甚至出现电阻随应变的非单调响应的现象，限制了其应用前景。同时，经检索发现，目前现有的基于织物的电阻式应变传感器多为通过浸泡干燥、丝网印刷、真空抽滤、高温碳化等方式将导电材料与织物基底结合，存在生产流程长、导电材料容易从织物上脱落、传感器耐久性差等问题。

例如，Li等人（Li Yuan, Zhang Mi, Zhao Tingting, et al. Flexible andbreathable strain sensor with high performance based on MXene/nylon fabricnetwork[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2020, 315112192.）通过浸泡干燥的方法将MXene涂层到尼龙织物上制成电阻式应变传感器，但是由于尼龙织物的正泊松比现象，造成电阻随应变的非单调响应，其有效的应变监测范围仅为20%；Zheng等人（YanjunZheng, Li Yilong, Zhou Yujie, et al. High-Performance Wearable Strain SensorBased on Graphene/Cotton Fabric with High Durability and Low Detection Limit[J]. ACS Applied Materials&Interfaces, 2020, 12(1): 1474-1485.）经过多次浸渍工艺后，将石墨烯纳米片沉积在平纹棉织物上，然后用聚二甲基硅氧烷封装织物，传感器拉伸应变范围为0~75%，但是其灵敏度仅为2.49。

专利（CN108680095A）提供了一种基于碳纳米纤维纱织物的柔性应变传感器的制备方法，该专利通过静电纺丝工艺制备了聚丙烯腈纳米纤维纱，然后通过机织工艺制备织物，并通过氧化、高温碳化以及弹性聚合物封装的处理获得了一种柔性应变传感器，然而这种方法所需设备和工艺复杂，生产流程长，且封装处理后的织物透气、透湿性差，进而限制了所制备的传感器的应用场景。

专利（CN107385623A）提供了一种柔性应变传感机织物及其制作工艺，该专利使用具有应变传感功能的弹性导电纱线作为纬向浮纹纱线固结在非导电弹性机织物表面形成浮纹图案，结构简单、柔软性好，但是由于导电纱线仅在浮纹图案纬向的边缘与非导电弹性机织物的纬纱形成交织点，导电纱线以长浮线状态存在，结构不稳定，因此存在易勾丝、浮纹图案与弹性织物基底应变变形程度不一的问题，并且沿纬向拉伸时，织物经向收缩，导电长浮线间距减小，接触电阻减少，然而弹性导电纱线自身电阻增大，造成传感器的灵敏度下降。

发明内容

本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于起皱交织结构的柔性电阻式应变传感器及其织造方法，本申请的技术方案如下：

一种基于起皱交织结构的柔性电阻式应变传感器，该柔性电阻式应变传感器包括若干根平行排列的导电经纱和若干根平行排列的导电纬纱交织形成的织物，以及连接在织物的两端的导线；构成导电经纱的导电纱线包括弹性导电纱线和非弹性导电纱线，构成导电纬纱的导电纱线包括弹性导电纱线和非弹性导电纱线，弹性导电纱线和非弹性导电纱线交织形成紧组织点和松组织点，具有不同收缩性能的松组织点和紧组织点相互作用并使得织物形成具有凹凸效应的起皱交织结构。

其进一步的技术方案为，每一个方向上的弹性导电纱线和非弹性导电纱线按照预定排列比进行间隔排列。

其进一步的技术方案为，织物组织中的紧组织点和松组织点在经度方向和纬度方向上分别交错排列。

其进一步的技术方案为，在织物组织的一个组织循环中，每根导电经纱和导电纬纱的经组织点和纬组织点的数量差在预定范围内。

其进一步的技术方案为，在拉伸织物的过程中，导电经纱和导电纬纱重新排列并趋于伸直，导电纱线之间的间距增大，织物表现出负泊松比效应直至弯曲的导电纱线完全伸直平行，在拉伸织物的过程中，织物在经纬方向的尺寸均变大，织物的电阻值与拉伸产生的应变呈正相关关系。

其进一步的技术方案为，每根导电经纱采用的纱线材料属于导电长丝或短纤维纱，导电长丝包括导电单丝和导电复丝；每根导电纬纱采用的纱线材料属于导电长丝或短纤维纱，导电长丝包括导电单丝和导电复丝。

其进一步的技术方案为，所有导电经纱和所有导电纬纱所采用的纱线材料均属于导电单丝。

其进一步的技术方案为，构成导电经纱或导电纬纱的每根弹性导电纱线采用的纱线材料为镀银高弹锦纶导电单丝、镀银高弹锦纶导电复丝、导电聚合物和聚氨酯复合导电单丝、导电聚合物和聚氨酯复合导电复丝、碳基导电材料和聚氨酯复合导电单丝、碳基导电材料和聚氨酯复合导电复丝、Ti₃C₂棉氨包芯纱或包缠纱；构成导电经纱或导电纬纱的每根非弹性导电纱线采用的纱线材料为镀银或镀镍导电单丝、镀银或镀镍导电复丝、导电聚合物和聚酰胺复合导电单丝、导电聚合物和聚酰胺复合导电复丝、碳基导电材料和聚酰胺复合导电单丝、碳基导电材料和聚酰胺复合导电复丝或不锈钢短切纱。

一种基于起皱交织结构的柔性电阻式应变传感器的织造方法，该织造方法包括：

准备若干根沿着经度方向平行排列的弹性导电纱线和非弹性导电纱线构成导线经纱，以及若干个沿着纬度方向平行排列的弹性导电纱线和非弹性导电纱线构成导电纬纱；

按照皱组织的设计方法完成络筒、整经、浆纱、穿结经和织造的操作，得到导电经纱和导电纬纱交织形成的织物，得到的织物组织中包括紧组织点和松组织点，具有不同收缩性能的松组织点和紧组织点相互作用并使得织物形成具有凹凸效应的起皱交织结构；

对织物完成后整理，并在织物的两端分别连接导线，得到柔性电阻式应变传感器。

其进一步的技术方案为，对织物完成后整理的方法包括：

对织物进行汽蒸处理和热定形处理以消除织物中的内应力，使得织物中的弹性导电纱线充分回缩并带动非弹性导电纱线凸起。

本申请的有益技术效果是：

本申请公开了一种基于起皱交织结构的柔性电阻式应变传感器及其织造方法，该柔性电阻式应变传感器使用具有不同拉伸性能的弹性导电纱线和非弹性导电纱线接触形成回路，并采用具有不同收缩性能的松组织和紧组织错综排列的交织图案，在织物表面产生差异收缩效果，使得织物表面不平整，具有明显的凹凸不平的褶皱效果，立体感强，基于织物组织的起皱效应，该柔性电阻式应变传感器在纵向拉伸时，横向方向会扩展；反之，纵向收缩形成起皱表面时，横向亦收缩，具有负泊松比效应，使得该柔性电阻式应变传感器的经向和纬向同时向外膨胀，导电纱线之间的间距增大，使得导电纱线间的接触电阻增大，形成应变与电阻单向变化的效果，从而实现起皱织物的应变传感特性，具有优良且精度较高的传感功能。

另外，该柔性电阻式应变传感器是基于起皱织物一体成型织造的，结构稳定，因此该柔性电阻式应变传感器具备良好的柔软性、透气性、透湿性、生物相容性、耐久性以及低成本性等特点，可以将织物受到的应变转变为电阻信号输出，在医疗卫生、健康监测、信号识别等领域具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是本申请一个实例中的导电经纱和导电纬纱的交织示意图。

图2是本申请的柔性电阻式应变传感器在一个实例中的拉伸之前小尺寸以及拉伸之后长宽尺寸均变大的起皱负泊松比效应示意图。

图3是本申请的柔性电阻式应变传感器与传统的柔性电阻式应变传感器的电阻变化率随着受到的应变的变化曲线对比图。

图4是本申请一个实施例的柔性电阻式应变传感器的织造方法的方法流程图。

图5是一个实例中基于旋转法设计的基础组织以及旋转后得到的起皱织物的组织图。

图6是一个实例中基于调序法设计的基础组织以及调序后得到的起皱织物的组织图。

图7-9是一个织造实例中的织物的上机图，其中图7为穿综图，图8为纹版图，图9为组织图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种基于起皱交织结构的柔性电阻式应变传感器，请参考图1，该柔性电阻式应变传感器包括若干根沿着经度方向平行排列的导电经纱1和若干根沿着纬度方向平行排列的导电纬纱2交织形成的织物，经度方向和纬度方向相互垂直。除此之外，该柔性电阻式应变传感器还包括连接在织物的两端的导线，图1中未示出织物两端连接的导线。

导电经纱1和导电纬纱2均采用导电纱线制成。且构成导电经纱1的导电纱线包括弹性导电纱线和非弹性导电纱线，如图1所示，构成导电经纱1的弹性导电纱线用实线表示，构成导电经纱1的非弹性导电纱线用虚线表示。构成导电纬纱2的导电纱线包括弹性导电纱线和非弹性导电纱线，同样的，构成导电纬纱2的弹性导电纱线以实线表示，构成导电纬纱2的非弹性导电纱线以虚线表示。

不管是在经度方向还是纬度方向上，弹性导电纱线和非弹性导电纱线按照预定排列比进行间隔排列，预定排列比可以自定义设置，弹性导电纱线的数量可以大于、小于或等于非弹性导电纱线的数量。当弹性导电纱线和非弹性导电纱线按照M：N的预定排列比进行间隔排列时，表示在间隔排列时，每隔M根弹性导电纱线设置N根非弹性导电纱线。如图1以弹性导电纱线和非弹性导电纱线按照1:1的预定排列比进行间隔排列为例，其他常见的弹性导电纱线和非弹性导电纱线的预定排列比比如还可以是2:2、2:1、1:2等。

弹性导电纱线和非弹性导电纱线交织形成紧组织点和松组织点，浮线较短的紧组织点，导电纱线受到的束缚力作用大，收缩小，布面平整。而松组织点的长浮线受到结构较紧的紧组织点的作用，使得所在位置的布面突起，因此具有不同收缩性能的松组织点和紧组织点相互作用并使得织物形成具有凹凸效应的起皱交织结构。请参考图2，柔性电阻式应变传感器在未受到拉伸作用时，织物具有如图2中的小尺寸的起皱交织结构3，织物的两端连接导线5。

织物组织中的紧组织点和松组织点在经度方向和纬度方向上分别交错排列，从而避免大量的经组织点或纬组织点集中在一起，以免影响起皱效果。另外导电经纱和导电纬纱的浮线不宜过长，不能出现明显的斜纹、条子或其他纹路，以免影响起皱效果。

另外，在织物组织的一个组织循环中，每根导电经纱和导电纬纱的经组织点和纬组织点的数量差在预定范围内，也即经组织点和纬组织点的数量尽量一致，防止导电经纱的织缩率差异过大，影响梭口清晰度和织物外观。

基于该柔性电阻式应变传感器的该织物组织的结构，织物凸起部分的导电经纱1和导电纬纱2偏离原本的位置，导电经纱1和导电纬纱2弯曲排列，在拉伸织物的过程中，导电经纱1和导电纬纱2重新排列并趋于伸直，导电纱线之间的间距增大，织物的横纵方向同时膨胀。请参考图2，柔性电阻式应变传感器在受到拉伸作用时，织物具有如图2中的长宽尺寸均变大的起皱交织结构4，织物的两端连接导线5的结构不变。因此织物表面出负泊松比效应，直至弯曲的导电纱线完全伸直平行，在拉伸织物的过程中，织物在经纬方向的尺寸均变大，织物的电阻值与拉伸产生的应变呈正相关关系。请参考图3示出的本申请的织物组织制成的柔性电阻式应变传感器与常规织物组织制成的柔性电阻式应变传感器的电阻变化率随着受到的应变的变化曲线。

每根导电经纱采用的纱线材料属于导电长丝或短纤维纱，导电长丝包括导电单丝和导电复丝。每根导电纬纱采用的纱线材料属于导电长丝或短纤维纱，导电长丝包括导电单丝和导电复丝。

进一步的，考虑到导电复丝或短纤维纱在拉伸过程中，长丝与长丝之间或者纤维与纤维之间接触更加紧密，与起皱织物拉伸过程中纱线间距增大传感机理相反。因此为了使得柔性电阻式应变传感器具有更优的灵敏度，所有导电经纱和所有导电纬纱所采用的纱线材料均属于导电单丝。

在一个实施例中，构成导电经纱或导电纬纱的每根弹性导电纱线采用的纱线材料为镀银高弹锦纶导电单丝、镀银高弹锦纶导电复丝、导电聚合物和聚氨酯复合导电单丝、导电聚合物和聚氨酯复合导电复丝、碳基导电材料和聚氨酯复合导电单丝、碳基导电材料和聚氨酯复合导电复丝、Ti₃C₂棉氨包芯纱或包缠纱。其中，镀银高弹锦纶导电单丝、导电聚合物和聚氨酯复合导电单丝、碳基导电材料和聚氨酯复合导电单丝属于导电单丝。镀银高弹锦纶导电复丝、导电聚合物和聚氨酯复合导电复丝、碳基导电材料和聚氨酯复合导电复丝属于导电复丝。Ti₃C₂棉氨包芯纱和包缠纱属于短纤维纱。

在一个实施例中，构成导电经纱或导电纬纱的每根非弹性导电纱线采用的纱线材料为镀银或镀镍导电单丝、镀银或镀镍导电复丝、导电聚合物和聚酰胺复合导电单丝、导电聚合物和聚酰胺复合导电复丝、碳基导电材料和聚酰胺复合导电单丝、碳基导电材料和聚酰胺复合导电复丝或不锈钢短切纱。其中，镀银或镀镍导电单丝、导电聚合物和聚酰胺复合导电单丝、碳基导电材料和聚酰胺复合导电单丝属于导电单丝。镀银或镀镍导电复丝、导电聚合物和聚酰胺复合导电复丝、碳基导电材料和聚酰胺复合导电复丝属于导电复丝。不锈钢短切纱属于短纤维纱。

本申请还公开了一种基于起皱交织结构的柔性电阻式应变传感器的织造方法，该制造方法包括如下步骤，请参考图4所示的流程图：

步骤1，准备若干根沿着经度方向平行排列的弹性导电纱线和非弹性导电纱线构成导线经纱，以及若干个沿着纬度方向平行排列的弹性导电纱线和非弹性导电纱线构成导电纬纱。

在准备平行排列的导线经纱和导电纬纱时，按照预定排列比对弹性导电纱线和非弹性导电纱线进行间隔排列。

由于选用的导电纱线包括弹性导电纱线和非弹性导电纱线，因此使用的织机需有选纬装置保证多种导电纱线引纬的顺利进行，并采用双织轴织造以便合理控制弹性导电纱线和非弹性导电纱线的上机张力。

步骤2，按照皱组织的设计方法完成络筒、整经、浆纱、穿结经和织造的操作，得到导电经纱和导电纬纱交织形成的织物。

得到的织物组织中包括紧组织点和松组织点，具有不同收缩性能的松组织点和紧组织点相互作用并使得织物形成具有凹凸效应的起皱交织结构。

采用的皱组织的设计方法包括旋转法、调序法、省综设计法、增点法和移绘法中的任意一种。在一个实例中，基于旋转法设计的基础组织如图5中的（a）所示，对于图5中的（a）所示的基础组织逆时针旋转90°并进行4块合并构成的织物组织如图5中的（b）所示。在另一个实施例中，基于调序法、以如图5中的（6）所示的↗为基础组织，采用1、8、3、10、5、8、3、6、1、4的导电经纱的排列顺序绘制成的织物组织如图6中的（b）所示。图5-9以黑色方框表示经组织点、白色方框表示纬组织点。

步骤3，对织物完成后整理，并在织物的两端分别连接导线，得到柔性电阻式应变传感器。包括：对织物进行汽蒸处理和热定形处理以消除织物组织中的内应力，使得织物中的弹性导电纱线充分回缩并带动非弹性导电纱线凸起，起皱立体感强。此外，热定形处理还可以提高柔性电阻式应变传感器的耐用性，使织物获得尺寸稳定性，同时保持织物表面凹凸不平的立体风格。

在一个织造实例中，织造方法包括如下步骤：

（1）准备导电纱线：

弹性导电纱线：将混合均匀碳纳米管和聚氨酯粉末（碳纳米管质量分数为3%）放入熔融纺丝实验机，挤出温度设置为180～185℃，控制挤出速度，纺制线密度为13tex的导电单丝。

准备非弹性导电纱线：选择涤纶镀银导电单丝，线密度为13tex。

织物门幅如果太窄，则热定形处理后，织物起皱不明显，因此门幅定为152cm。织物起皱后，经、纬密增大，因此织物的密度不能过高，否则影响起皱效果。织物的密度也不能过低，否则织物容易出现疵点。因此，经纬密度选择360根/10cm×300根/10cm。

（2）络筒：非弹性导电纱线的络筒工艺与常规纱线相同。弹性导电纱线要注意保证筒子成型良好、纱线尽量伸直，因此络筒张力增加15%。

（3）整经：使用分批整经机，将碳纳米管/聚氨酯单丝和涤纶镀银单丝整理到不同经轴。非弹性导电纱线的整经工艺与常规纱线相同。弹性导电纱线采用低速度、偏大张力的工艺。

（4）浆纱：非弹性导电纱线的浆纱工艺与常规纱线相同。弹性导电纱线要注意保护纱线的弹性，张力分区控制，车速偏慢设置。上浆率控制在8%~9%，上浆温度控制在90±1℃。

（5）穿结经：将导电纱线按照图7所示的穿综图依次穿入对应综框的综丝中，每筘穿入数4根/筘。

（6）织造：按照图8所示的纹版图设置提综顺序，图9中数字“1”表示弹性导电纱线，“2”表示非弹性导电纱线，合理设置选纬。非弹性导电纱线的上机工艺与常规纱线相同。弹性导电纱线的上机张力的设置同前道工序类似，纱线张力偏大设置并且要保证其均匀一致。依次进行开口、引纬、打纬、卷曲和送经五大运动，织造形成织物物质。

（7）后整理：织物下机后，无张力和低温条件下进行浸轧退浆。汽蒸处理25min后进行热定型，定型时间1~2min、温度95~100℃，热定型机超喂3%~4%。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于起皱交织结构的柔性电阻式应变传感器，其特征在于，所述柔性电阻式应变传感器包括若干根平行排列的导电经纱和若干根平行排列的导电纬纱交织形成的织物，以及连接在所述织物的两端的导线；构成导电经纱的导电纱线包括弹性导电纱线和非弹性导电纱线，构成导电纬纱的导电纱线包括弹性导电纱线和非弹性导电纱线，弹性导电纱线和非弹性导电纱线交织形成紧组织点和松组织点，具有不同收缩性能的松组织点和紧组织点相互作用并使得所述织物形成具有凹凸效应的起皱交织结构；在拉伸所述织物的过程中，导电经纱和导电纬纱重新排列并趋于伸直，导电纱线之间的间距增大，所述织物表现出负泊松比效应直至弯曲的导电纱线完全伸直平行，在拉伸所述织物的过程中，所述织物在经纬方向的尺寸均变大，织物的电阻值与拉伸产生的应变呈正相关关系。

2.根据权利要求1所述的柔性电阻式应变传感器，其特征在于，每一个方向上的弹性导电纱线和非弹性导电纱线按照预定排列比进行间隔排列。

3.根据权利要求1所述的柔性电阻式应变传感器，其特征在于，织物组织中的紧组织点和松组织点在经度方向和纬度方向上分别交错排列。

4.根据权利要求1所述的柔性电阻式应变传感器，其特征在于，在织物组织的一个组织循环中，每根导电经纱和导电纬纱的经组织点和纬组织点的数量差在预定范围内。

5.根据权利要求1所述的柔性电阻式应变传感器，其特征在于，

每根导电经纱采用的纱线材料属于导电长丝或短纤维纱，导电长丝包括导电单丝和导电复丝；

每根导电纬纱采用的纱线材料属于导电长丝或短纤维纱，导电长丝包括导电单丝和导电复丝。

6.根据权利要求5所述的柔性电阻式应变传感器，其特征在于，

所有导电经纱和所有导电纬纱所采用的纱线材料均属于导电单丝。

7.根据权利要求5所述的柔性电阻式应变传感器，其特征在于，

构成导电经纱或导电纬纱的每根弹性导电纱线采用的纱线材料为镀银高弹锦纶导电单丝、镀银高弹锦纶导电复丝、导电聚合物和聚氨酯复合导电单丝、导电聚合物和聚氨酯复合导电复丝、碳基导电材料和聚氨酯复合导电单丝、碳基导电材料和聚氨酯复合导电复丝、Ti₃C₂棉氨包芯纱或包缠纱；

构成导电经纱或导电纬纱的每根非弹性导电纱线采用的纱线材料为镀银或镀镍导电单丝、镀银或镀镍导电复丝、导电聚合物和聚酰胺复合导电单丝、导电聚合物和聚酰胺复合导电复丝、碳基导电材料和聚酰胺复合导电单丝、碳基导电材料和聚酰胺复合导电复丝或不锈钢短切纱。

8.一种基于起皱交织结构的柔性电阻式应变传感器的织造方法，所述织造方法用于织造得到如权利要求1-7任一所述的基于起皱交织结构的柔性电阻式应变传感器，其特征在于，所述织造方法包括：

准备若干根沿着经度方向平行排列的弹性导电纱线和非弹性导电纱线构成导线经纱，以及若干个沿着纬度方向平行排列的弹性导电纱线和非弹性导电纱线构成导电纬纱；

按照皱组织的设计方法完成络筒、整经、浆纱、穿结经和织造的操作，得到导电经纱和导电纬纱交织形成的织物，得到的织物组织中包括紧组织点和松组织点，具有不同收缩性能的松组织点和紧组织点相互作用并使得所述织物形成具有凹凸效应的起皱交织结构；

对所述织物完成后整理，并在所述织物的两端分别连接导线，得到柔性电阻式应变传感器。

9.根据权利要求8所述的织造方法，其特征在于，所述对所述织物完成后整理包括：

对所述织物进行汽蒸处理和热定形处理以消除所述织物中的内应力，使得所述织物中的弹性导电纱线充分回缩并带动非弹性导电纱线凸起。