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纺织基柔性力学传感器研究进展

更新时间：2019-12-30 08:19:17 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：力学传感器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对纺织基柔性力学传感器成型构筑机制、传感响应原理、应用领域不明确、不清晰等问题,系统综述了近几年国内外纺织基柔性力学传感器的制备、性能及应用的研究,并分别分析了纺织基电阻式力学传感器、电容式力学传感器在人体运动、生命体征检测及人机交互等领域的应用优势。结果表明:一维纤维状传感器和二维织物传感器因其结构可变化性、组合可设计性等特点成为主要的纺织基传感器结构,传感器具有理想的线性度、迟滞性、重复性、灵敏度、稳定性等特性。高导电性、高弹性及回复性、高灵敏性和耐久性是纺织基柔性力学传感器的重要发展方向。


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1577665151纺织基柔性力学传感器研究进展.pdf 2M

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39  
5
Vol． 39，No． 5  
May，2018  
第
卷
第
期
纺
织
学
报
2018  
5
Journal of Textile Research  
年
月
DOI: 10. 13475 /j． fzxb． 20171203607  
纺织基柔性力学传感器研究进展  
1，2  
1
1
1，2  
1，2  
1，2  
， ， ，  
李增庆 卢韵静 朱士凤  
， ，  
张宪胜 曲丽君  
田明伟  
( 1．  
，
青岛大学 纺织服装学院 山东 青岛  
266071; 2．  
青岛大学 纤维新材料与现代纺织  
266071)  
，
重点实验室培育基地 山东 青岛  
、 、 、 ，  
针对纺织基柔性力学传感器成型构筑机制 传感响应原理 应用领域不明确 不清晰等问题 系统综述了  
摘
要
、 ， 、  
近几年国内外纺织基柔性力学传感器的制备 性能及应用的研究 并分别分析了纺织基电阻式力学传感器 电容式  
、 。 :  
力学传感器在人体运动 生命体征检测及人机交互等领域的应用优势 结果表明 一维纤维状传感器和二维织物  
、 ， 、  
传感器因其结构可变化性 组合可设计性等特点成为主要的纺织基传感器结构 传感器具有理想的线性度 迟滞  
、 、 、 。 、 、  
性 重复性 灵敏度 稳定性等特性 高导电性 高弹性及回复性 高灵敏性和耐久性是纺织基柔性力学传感器的重  
。
要发展方向  
关键词 纺织基柔性力学传感器 电阻式传感器 电容式传感器 人体运动检测 生命体征检测  
: TH 145. 2 3; TP 212. 6 : A  
;
;
;
;
中图分类号  
文献标志码  
Recent progress of textile-based flexible mechanical sensors  
1，2  
1
1
1，2  
1，2  
1，2  
TIAN Mingwei ，LI Zengqing ，LU Yunjing ，ZHU Shifeng ，ZHANG Xiansheng ，QU Lijun  
( 1． College of Textiles and Clothings，Qingdao University，Qingdao，Shandong 266071，China;  
2． Key Laboratory of New Fiber Materials and Modern Textile，Qingdao University，Qingdao，Shandong 266071，China)  
Abstract In order to clarify the principle of preparation，sensing properties and applications of textile-  
based flexible mechanical sensors，the most recent progress of textile-based flexible mechanical sensors  
were described，including fabrication，properties and applications． The novelty and advantages of textile-  
based piezoresistive and capacitive sensors in the field of human-activity monitoring，personal healthcare  
and user interface were investigated． The results indicate that the sensors with one-dimensional fibrous  
and two-dimensional fabric structures are main structures，and the sensors with tunable substrates and  
devisable combinations exhibite remarkable sensing properties ( linearity，non-hysteresis，repeatability，  
sensitivity and durability ) ． The textile-based flexible mechanical sensors with high electrical  
conductivity，sensitivity and durability are the most desirable properties in the near future．  
Keywords textile-based flexible mechanical sensor; piezoresistive sensor; capacitive sensors; human-  
activity monitoring; personal healthcare monitoring  
， 。  
近几年 人工智能发展进入新阶段 特别是在  
、
的生理监测系统是智能医疗 健康和养老的重要  
［1］  
、 、 、 、  
移动互联网 大数据 超级计算 传感网 脑科学等新  
。
课题  
、
纺织集合体具有多维多尺度结构 轻质低模量  
、
理论新技术以及经济社会发展强烈需求的共同驱动  
， ， 、  
下 人工智能加速发展 呈现出深度学习 跨界融合  
、
、 、  
高柔性及弹性 低成本及结构多元多维化 高亲肤性  
、 、 。  
人机协同 群智开放 自主操控等新特征 围绕教  
， 、  
等特点 在智能医疗 健康和养老的柔性智能可穿戴  
、 、 ，  
育 医疗 养老等迫切民生需求 加快人工智能创新  
。 、  
领域具有独特优势 与智能手环 智能眼镜等可穿  
，
应用为人工智能的发展重点 其中研发柔性可穿戴  
，
戴设备相比较 纺织基柔性智能可穿戴设备可与服  
: 2017 － 12 － 19  
: 2018 － 01 － 22  
收稿日期  
修回日期  
:
基金项目 国家自然科学基金项目  
( 51672141，51306095) ;  
( J17KA030) ;  
中国博士后科学基金项  
山东省高等学校科技计划项目  
( 2014M561887，2015T80697)  
目
:
第一作者简介 田明伟  
( 1987—) ， ， ， 。 。E-mail: tmw0303@ 126． com。  
男 副教授 博士 主要研究方向为纺织基柔性传感器研发  
5
:
田明伟 等 纺织基柔性力学传感器研究进展  
·171·  
第
期
， 。 ，  
装无缝连接 实现一体化设计和应用 例如 智能可  
、
能化主要通过共混纺丝 表面接枝等方法将导电材  
［2］  
，
( E-  
，
料复合至纤维内部或表面 基体高弹性的实现通过  
穿戴在养老医疗领域的应用设想  
智能服装  
textile)  
，
选取弹性纤维或包芯高弹纱为基体 高灵敏性则通  
借助智能传感器及大数据传输系统对老年人  
，
的健康进行实时监测和疾病预防 例如贴身的智能  
、
过特殊的加工技术以实现高灵敏系数 低响应时间  
( E-textile)  
、 、  
等可检测老人的体温 心跳 脉搏  
、
。
服装  
等要求  
、 ，  
血压 血糖等生命体征指标 智能床单可检测老人睡  
，
目前 用于纤维状电阻式传感器的导电纤维主  
、 ，  
眠时间 睡姿等信号 上述信号可实时反馈给社区医  
2 。  
要分为基体导电纤维和复合导电纤维 类 基体导  
、
院对老年人健康进行记录 检测和治疗  
。
、
电纤维主要以碳纳米管 石墨烯等碳纳米材料为原  
(
力学传感器是一种可将特定力学信息 压缩  
、
， 。  
料 通过纺丝加工制备高导电性的纤维 研究人员  
、 、 )  
弯曲 拉伸 扭转等 按一定规律转换成某种可用信  
( CNT forest)  
，
为原料 通过牵伸加捻  
以碳纳米管阵列  
。 、  
号输出的器件和装置 一般由力学敏感元件 转换  
工艺制备碳纳米管纱线并组装成一维碳纳米管呼吸  
、 3 。  
元件 基本电路 部分组成 力学敏感元件感受力  
， ，  
传感器 对微弱的气流进行响应 可准确识别人体呼  
［3］  
，
学信息后被测量 转换元件将响应的被测量转换成  
，
气和吸气的电阻变化差异 具有较高的信噪比  
。
， ，  
电参量 基本电路把电参量接入电路转换成电量 输  
， ，  
同样 以取向排列的碳纳米管经加捻纺纱 所得碳纳  
、
出至显示器 记录设备或数据处理  
。
100%  
米管纱线沉积在  
预牵伸的高弹性硅胶基体  
纺织基力学传感器按照敏感元件的工作原理可  
，
上 预牵伸的硅胶基体可使碳纳米管纤维紧密接触  
，
;
分为电阻式传感器和电容式传感器 根据传感器形  
;
形成理想的导电通路 所制备的可穿戴碳纳米管电  
、 ;  
态可分为一维纤维状 二维织物状传感器 根据被测  
( 900% )  
，
时 仍可准确  
阻式应变传感器在大形变量  
［4］  
，
量的力学信号 传感器可分为压力式传感器和应变  
。
，
此外 石墨烯中空纤  
地检测人体活动生理信号  
［5］  
。
传感器  
，
维也用于电阻式应变传感器  
以铜丝为模板通过  
本文根据不同的敏感元件综述了电阻式传感器  
，
气相沉积法在铜丝表面生长石墨烯纳米层 经由蚀  
，
和电容式传感器的研究现状 并对力学传感器的线  
，
刻将铜丝去除后获得石墨烯中空纤维 再在石墨烯  
、 、 、 、 、  
性度 迟滞性 重复性 阈值 灵敏度 稳定性等静态  
，
中空纤维表面涂层聚乙烯醇皮层 所制备皮芯结构  
。
特性进行分析和比较 结合近几年在一维纤维状  
、
( 16% )  
的石墨烯复合纤维具有理想的伸长率  
和电  
所组装的电阻式应变传感器  
，
3
、
二维织物柔性力学传感器在人体运动 体征检测等  
( 9. 6 × 10 S /m) 。  
导率  
， 、  
领域的研究 对纺织基电阻式力学传感器 电容式力  
体现出理想的弯曲和拉伸传感特性 应变灵敏系数  
、 、  
学传感器的构筑 性能及应用进行分类 综述和分  
5. 02。  
为
，
析 并对纺织基力学传感器的发展进行了展望  
。
、 、  
复合导电纤维类主要是以长丝 单纱 股线和包  
， 、  
芯纱等一维纤维纺织品为基体 通过共混纺丝 化学  
、
接枝 自组装等方法将各类导电材料复合到纤维内  
1
纺织基电阻式力学传感器  
。 ，  
部和表面而制成的导电纤维 目前 用于纤维状电  
，
电阻式传感器是应用最广泛的传感器之一 纺  
、
阻式传感器的导电材料主要有碳纳米材料 金属纳  
织基柔性电阻式传感器是一类以纺织品为基体的新  
3
米材料和聚合物导电材料 大类  
。
，
型柔性电阻式传感器 利用导电纺织品的压阻效应  
通过共混纺丝制备的导电纤维具有导电性能稳  
， 、 、 、  
制作成敏感元件 测量微小的力 力矩 压力 加速  
、 、 。 (  
定 耐水洗 可纺织加工性强等优点 弹性纤维 聚  
、 。  
度 质量等参数 灵敏系数  
( gauge factor)  
用于表征  
、 ) ， ，  
氨酯类 苯乙烯类 是传感器的理想基体 例如 研  
，
纺织基电阻式力学传感器的灵敏度 由  
k = R /  
Δ
0
( SBS)  
究人员以苯乙烯类热塑性弹性体  
共混纺丝液经湿法纺丝制备导电纤维  
，
和银纳米线  
［6］  
( R ) ， :  
ε 可得 其中 Δ  
R /R  
，
为电阻变化量 ε 为形变量  
。
，
再经化学  
，
目前 纺织基电阻式力学传感器主要形态结构为一  
原位法在纤维表面生产银纳米颗粒 制备高电导率  
、
维纤维状 二维织物状传感器  
。
( 2 450 S /cm) ，  
应变检测最大伸长率达  
的导电纤维  
220% 。  
1. 1  
一维纤维状电阻式力学传感器  
所组装的纤维状电阻式应变传感器缝制在  
，
手套中可检测每个手指的弯曲信号 可应用于机器  
、
纤维状电阻式传感器因具有一维结构 柔性可  
、 。 ， (  
人 健康检测和可穿戴智能服装 此外 以聚 苯乙  
， 、 、  
编织等特点 在响应拉伸 弯曲 扭转等运动信号时  
， 、 、  
具有独特优势 可用于监测人体呼吸 脉搏 肢体运  
) ，  
烯 丁二烯 苯乙烯 为弹性基体 少片层石墨烯微  
。
动等 具有优良传感特性的纤维状传感器需同时具  
，
片为导电功能材料 通过湿法纺丝制备低比例石墨  
、 ;  
有高导电性 基体高弹性及高灵敏性等性能 导电功  
/ ( )  
烯 聚 苯 乙 烯 丁 二 烯 苯 乙 烯 复 合 导 电 纤  

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