發(fā)布時間：2020-05-03 19:25

【摘要】：對體溫實時、準確的監(jiān)測在人體健康監(jiān)護、疾病診斷及治療等方面有著重要的應(yīng)用。目前,成功用于人體溫度監(jiān)測的裝置多是將傳統(tǒng)的硬質(zhì)傳感器以較小的體積封裝起來。雖然可以實現(xiàn)對體溫的實時、準確的監(jiān)測,但硬質(zhì)物體與人體結(jié)合會給人體活動帶來不便,并且影響舒適性。鑒于這些問題,織物基可穿戴溫度傳感裝置受到廣泛關(guān)注。現(xiàn)有很多學(xué)者研究的將傳感器通過縫合及包埋的方式與織物結(jié)合的方法雖然將傳感器集成到了織物中,但是并沒有實現(xiàn)真正的柔性,依然存在穿著舒適性及影響外觀等問題。利用紡織產(chǎn)品自身織物材料來實現(xiàn)感溫性能才是制備柔性織物傳感器較理想的方式。將感溫金屬纖維作為部分紗線織入到織物中不僅可以實現(xiàn)紡織產(chǎn)品自身的感溫性能,不影響穿著和外觀,而且可以保持感溫金屬纖維良好的性能。目前已有利用針織結(jié)構(gòu)將感溫金屬纖維織入織物中實現(xiàn)織物自身感溫性能的研究,但還存在易受環(huán)境影響、針織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差帶來的信號穩(wěn)定性差等缺點,性能也有待提升。針對上述問題,鑒于機織結(jié)構(gòu)優(yōu)良的穩(wěn)定性,本文采用機織的方法制備織物基溫度傳感器,綜合考慮靜態(tài)溫度系數(shù)及動態(tài)響應(yīng)時間兩方面性能,對傳感器進行選材及設(shè)計制備;在理想條件及實際應(yīng)用兩種情況下分別對傳感器的靜態(tài)及動態(tài)感溫性能進行測試評價,并用包纏結(jié)構(gòu)進一步改善感溫元件的實用性。具體研究內(nèi)容如下:(1)采用機織的方法實現(xiàn)感溫金屬纖維與織物較好的融合,實現(xiàn)織物自身的感溫性能,基本不影響織物的外觀及舒適性,與普通紡織品穿著基本無差異。并綜合考慮靜態(tài)溫度系數(shù)及動態(tài)階躍響應(yīng)時間兩方面性能,通過選材及設(shè)計實現(xiàn)目標性能。鉑(Pt)纖維因其較高的電阻率和溫度系數(shù),及較小的比熱,最適合用來做感溫元件。較高的電阻率及溫度系數(shù)有利于實現(xiàn)較高的靈敏度,較小的比熱有利于實現(xiàn)快速響應(yīng)。對響應(yīng)時間的減小,還體現(xiàn)在傳感區(qū)域的大小,快速響應(yīng)需要較小的傳感面積。因此,綜合傳感面積與初始電阻的考慮,設(shè)計傳感面積為1cm×1cm。在半自動小樣織機上,將感溫元件Pt纖維作為一種緯紗與經(jīng)紗交織制備出機織結(jié)構(gòu)溫度傳感器。并在相鄰感溫元件Pt纖維之間織入棉紗,避免相鄰Pt纖維接觸帶來的影響。(2)探究模擬實際應(yīng)用條件下對織物基溫度傳感器溫敏性能的影響。通過在理想油浴條件與接近實際應(yīng)用條件下溫敏性能測試結(jié)果的對比,發(fā)現(xiàn)環(huán)境對傳感器的性能有影響,但其性能仍能保持一個較好的水平。感溫元件Pt纖維的電阻隨溫度的升高而增大,采用油浴逐步升溫法對多點溫度下的阻值進行測量以獲得線性度、溫度系數(shù)、滯后性等性能,采用投入法實現(xiàn)階躍溫度的改變測試響應(yīng)時間。結(jié)果表明,在理想環(huán)境油浴中,具有機織結(jié)構(gòu)的溫度傳感器其線性度的相關(guān)系數(shù)值為0.99975,溫度系數(shù)為0.00362/°C,靜態(tài)誤差為±1.51%,遲滯為4.20%。靜態(tài)性能的測試結(jié)果說明此溫度傳感器具有良好的傳感性能。為了探究傳感器在接近實際應(yīng)用時的傳感性能,利用加熱平臺搭建接近實際應(yīng)用的測試系統(tǒng)。測試結(jié)果顯示,其線性度相關(guān)系數(shù)為0.99915,溫度系數(shù)為0.00338/°C,靜態(tài)誤差為±2.78%,遲滯為3.26%。從此測試結(jié)果與上述油浴中的測試結(jié)果相比可得,由于在加熱平臺受空氣環(huán)境的影響,線性度、溫度系數(shù)、靜態(tài)誤差都有一定程度的影響,但總體來說影響不大。且空氣環(huán)境有利于降溫過程,因此遲滯性有所減小。(3)探究測試條件對動態(tài)性能響應(yīng)時間的影響,結(jié)果表明,加熱條件、浮長線長度、施加壓力及溫度范圍都對響應(yīng)時間有一定的影響。對比油浴與模擬實際應(yīng)用的加熱臺兩種加熱條件;利用織物正反兩面Pt纖維不同浮長線長度;測試時對織物施加不同壓力;選用兩種導(dǎo)熱系數(shù)不同的紗線作為基體材料;通過加熱臺調(diào)節(jié)不同的階躍溫度。結(jié)果表明,在油浴及加熱臺上測得的響應(yīng)時間分別為1.032s及2.275s;在服裝舒適壓力范圍內(nèi)適當增大壓力可加快響應(yīng)時間,本文所制備的溫度傳感器提供約200Pa的壓強即可。在感溫金屬纖維長度一定的情況下,增長感溫纖維與熱源的直接接觸長度有利于加快響應(yīng)時間。在滿足需求的條件下,降低溫度范圍,感溫元件Pt纖維熱導(dǎo)率高,響應(yīng)快。基體材料對響應(yīng)時間幾乎沒有影響。(4)在實際應(yīng)用中,傳感器可能會受到外界彎曲、扭轉(zhuǎn)等機械作用,為進一步改善傳感器的實用性,利用包纏結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,對感溫元件進行包纏保護,同時可以增強Pt纖維的力學(xué)性能。將感溫Pt纖維作為芯紗,探索了外包材料及不同包纏捻度對Pt纖維力學(xué)性能的影響,并對包纏后制備的傳感器的溫敏性能進行了測試評價。測試結(jié)果表明,捻度為1000捻/m的較低捻度時Pt纖維在包纏紗中有屈曲,對伸長率有一定改善;外包材料為全拉伸錦綸時可分擔拉力,大幅提高Pt纖維的斷裂強力。對于傳感器的溫敏性能,感溫Pt纖維包纏后制備的織物基溫度傳感器的溫度系數(shù)為0.00314/°C,相較于以裸Pt纖維為感溫元件時降低了7.10%;響應(yīng)時間為3.317s,相較于以裸Pt纖維為感溫元件時增加了約1s。綜上所述,本文以機織的方法實現(xiàn)了紡織品自身的溫敏性能,基本保持了織物原有的外觀及穿著舒適性。感溫金屬纖維織入織物后,雖然在一定程度上受環(huán)境因素的影響,仍基本保持了自身良好的傳感性能�？偨Y(jié)的測試條件方面對響應(yīng)時間的影響及對感溫元件的包纏都為其實用性進一步奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH789

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本文編號：2648002