摘要
近些年，各领域呈现技术交叉繁荣发展的景象，其中物联网通讯技术与纺织品结合而成的柔性可穿戴设备，因在人工智能、医疗监测和生活娱乐等领域展现出巨大的应用潜力，而引起各界人员的广泛关注。传统刚性电子设备刚度大，曲面弯曲性能差，难以与人体皮肤表面完全贴合，导致自身的灵敏度、响应性和分辨率等传感性能均受到限制，并不利于长期信号监测。与之相比，针织物与人体皮肤联系密切，其具有高柔软舒适性、多维度贴合性、编织工艺成熟及低生产成本等优势，因而成为制备柔性传感器的理想材料。常采用织入法并通过构建不同的传感电路将导电纱线直接织入织物，以制备具有不同传感原理的传感器，其中传感电路的构建结构会影响传感器的信号感测输出效率。针织结构具有多维度结构设计性，因此可以通过变化针织结构进行传感电路的设计，以制备高舒适度、良好传感性能和多应用场景的传感器。基于此，本课题对针织变化结构传感电路的构建进行探索，主要研究内容包括以下部分： 首先，基于不同的传感原理，改变针织物的成圈、集圈和浮线这三者在织物结构中的比例以及其在布面出现的不同位置，组合设计了拉伸传感结构和压力传感结构。其中拉伸传感结构包括全成圈结构、成圈集圈结构、成圈浮线结构和集圈浮线结构，压力传感结构包括阵列式罗纹空气层结构和间隔织物结构。为进一步实现人体信号多区域监测，选择成圈集圈结构以构建拉伸传感结构电阻式传感器，间隔织物结构以构建压力传感结构电容式传感器。通过改变织物中成圈和集圈的比例关系设计了五种组织，并利用镀银纱线和锦包氨弹性纱，结合嵌花添纱工艺制备了成圈集圈结构电阻式传感器，该传感器表面在集圈结构处形成网孔。采用双纱嘴添纱编织工艺对间隔织物结构电容式传感器的电极进行设计，并选用棉纱和镀银纱线进行编织。棉纱始终覆盖在镀银纱线表面，避免其直接接触外界环境，形成具有绝缘效应的织物电极。锦纶单丝编织介质层，与织物电极组合成电容式传感器。在制备过程中，随着间隔丝在前后针床上来回集圈横跨的针数与一个循环内间隔丝编织横列数的增加，间隔织物的厚度随之增加。 其次，对制备的成圈集圈拉伸传感结构电阻式传感器，进行了舒适性能和双轴向电力学性能测试，揭示了集圈的存在对传感器舒适性能和双轴向拉伸电力学性能的影响。综合传感器舒适性能和双轴向拉伸电力学性能的实验结论，选择30%集圈含量的传感器进行传感性能研究。研究发现，该传感器纵向应变灵敏度大于横向应变灵敏度，能够对不同拉伸速度进行电阻响应，具有良好的信号频率分辨能力及2000次循环以内的重复稳定性。进而基于上述传感性能测试结果，设计了三款不同尺寸的筒状织物，应用于人体关节处的拉伸信号监测。 最后，对制备的间隔织物结构电容式传感器进行舒适性能、力学性能和传感性能的探究，揭示了间隔织物厚度与间隔丝直径对其舒适性能、力学性能和灵敏度的影响。并且基于前述性能结果选择织物厚度为8.6mm，间隔丝直径为0.15mm的传感器进行响应时间和迟滞性测试，以及循环压缩回复性能测试（不同压缩距离、不同压缩频率和重复性）。研究发现，该传感器在应力0.46kPa处出现最大迟滞误差，数值为1.57%，具有较低的迟滞性。而且在传感器被快速刺激的过程中，其能对信号感知产生150ms以内的反应时间。并且展现出对不同压缩距离和不同压缩频率的良好响应性以及在2000次循环内的重复稳定性。进一步基于传感性能研究结论，利用横编嵌花添纱编织技术，制备了一种全织物柔性电容传感器，实现电容传感元件无缝嵌入基底织物的效果，进而对手部动作及称重进行压力传感信号识别。该传感器集介质层与绝缘效应电极一体成型，从根本上降低了生产成本，且应用过程中信号稳定，在可穿戴、医疗监测及人机交互界面展现出巨大的应用潜力。
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