多种传感器在智能纺织品中的广泛性应用

传感网络 智能纺织品

在智能纺织中,传感器提供一个神经系统来检测信号,因此在被动智能材料中,传感器的存在是必不可少的。

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  随着纺织科技的发展,纺织品已突破了原有的保温和美化的范畴,正在逐步走向功能化和智能化。智能纺织品是一类贯穿纺织、电子、化学、生物、医学等多学科综合开发的具有高智能化的纺织品,它基于仿生学概念,能够模拟生命系统,同时有感知和反应双重功能,包括智能调温纺织品、形状记忆纺织品、防水透湿纺织品、变色纺织品、电子信息智能纺织品等。

多种传感器在智能纺织品中的广泛性应用

智能调温纺织品

  电子智能纺织品是基于电子技术,将传感、通讯、人工智能等高科技手段应用于纺织技术上面开发出的纺织品。国内外现已开发的智能纺织品是将柔性电子元件植入纺织品内部,使传感器、柔性体纺织开关、柔性电子线路板、导电纱线与纺织品融为一体。

  在智能纺织中,传感器提供一个神经系统来检测信号,因此在被动智能材料中,传感器的存在是必不可少的。比如,基于传感器,只能感知环境或用户的纺织品称为消极(被动)智能纺织品;能对环境刺激做出反应,并集成传感装置和执行器装置的纺织品称为积极(主动)智能纺织品;能够感知、反应和调整它们的行为以适应给定环境的纺织品称为高级智能纺织品。目前,在电子智能纺织品中,主要应用的传感器有应变传感器、压力传感器、电感传感器和光纤传感器等。

  多种传感器在电子智能纺织品中的应用

  首先,应变传感器主要用于监测人体生命体征,如心率、呼吸和血压等,可通过集成具有压阻特性的纤维制成织物传感器。因为织物有很大的面积与皮肤接触,意味着它可以在身体的多个部位进行监测。此类压阻传感器柔软、质轻、灵敏、体积小、分辨率高,与织物结合好,当织物尺寸出现微小变化时,导电面积改变导致电阻变化,从而将织物形变转化为电阻变化,并通过对信号分析来监测人体身体参数。

  其次,压力传感器是一种将接收到的力学信号通过某种特定的方法以电信号的方式来输出的传感器,其通常由力学感应原件和转换装置组成。压力传感器可分为电容式传感器和电阻式传感器。

  电容式传感器通过电容随外加压力的变化而变化的原理实现传感作用。常见的有以纤维为基体,通过附加导电材料和电介质制成的纤维式电容传感器以及以织物为基体,中间加入电介质制作而成的织物式电容传感器。

多种传感器在智能纺织品中的广泛性应用

检测手指动作的压阻式传感器

  电阻式传感器的应用十分广泛,其工作原理是导电材料在受到压力作用时自身电阻会发生变化。将该类传感器用于智能服装,其在受到微弱的压力变化时就会有明显的电阻变化,因此可以用测量微小力的变化来反应呼吸、脉搏等生理指标。同样,电阻式传感器也可分为纤维式和织物式传感器。纤维式电阻传感器常用的导电材料为碳纳米管、石墨烯以及一些非本征型导电纤维;织物式电阻传感器常用导电材料为导电涂层或导电薄膜材料,其具有服装要求的柔软性,且导电层都在外表面,能更灵敏地检测压力的变化。

  电感式传感器是利用电磁感应,将压力或者人体动作转换成线圈的自感系数和互感系数变化的传感器,又称电感式位移传感器。电感式传感器按照转换原理可分为自感式和互感式传感器,按结构形式可分为变间隙式、变截面式和螺管式传感器。电感式传感器分辨率高,线性度好,测量范围宽,虽存在如交流零位信号、不宜高频动态测量等缺陷,但相比其他传感器更适用于人体监测类智能纺织品。尤其是当电感式传感器的传感线圈采用导电纺织材料时,比金属线圈更加柔软,更适用于智能纺织品。

  光纤传感器是利用光纤的敏感特性对外界物理量进行监测的传感器。其原理是光在光纤中传播时,外界环境的变化会引起光波强度和偏振面的改变。光纤传感器主要由光源、探测器和光纤组成,目前使用较为广泛的光纤传感技术主要有宏弯光纤传感器、微弯光纤传感器和光纤布拉格光栅等。将光信号参数的变化转化为医学设备的相关参数,由于其微弯原理、宏弯原理、灵敏度高和抗电磁干扰性质,适宜与纺织品结合并应用于医疗健康领域。相较于电传感器,光纤传感器在医疗领域中高磁场环境下具有明显优势,尤其是在心跳频率和呼吸速率等的监测方面发挥着重要作用。

多种传感器在智能纺织品中的广泛性应用

智能导航T恤,集成了1个微控制器、4个超声波传感器、8个振动电机,以及2个电源实现

  传感器助力智能纺织品更加“智能”,之前,国外研究人员为视觉障碍者设计了一款智能导航T恤,为盲人导航和防走失,这种柔软、舒适的智能T恤用PA66及弹性纱线织成,其智能导航系统通过嵌入镀银纱线构建集成电子元件的电路系统,并在此基础上集成了1个微控制器、4个超声波传感器、8个振动电机,以及2个电源实现。 4个超声波传感器用于检测障碍物,并通过编程设计的基于神经模糊逻辑的障碍物回避控制算法计算障碍物的距离、大小等信息以及人的运动速度,通过微控制器进行语言变量处理后,向振动电机发出左/右转向或小、中、大和非常大的角度转向动作指引。经测试,该智能导航T恤表现出稳定的感测的导航作用,且致动转向信号可在1s内传送到振动电机被用户感测。实际使用中,所有集成的电子元件都可拆卸,以洗涤服装。同样的理念还可以设计用于残障人士、老人的定位监测,以防其发生走失等危险。

  总而言之,智能纺织品除了为人们的生活提供“更酷”的应用,还可以为人们的健康和安全作出贡献,如针对智障、残疾、老人、儿童的特殊需求,研发具有定位、轨迹记录、生理状态监测显示、无线发送、助动、问答等功能的智能纺织品,可为特殊人群的人身安全提供保障,或带来生活的便利。

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