壓阻式織物傳感器陣列的設(shè)計與評價

發(fā)布時間：2020-07-15 17:07

【摘要】：隨著對人體皮膚與物體表面間壓力分布監(jiān)測的應(yīng)用需求越來越多,國內(nèi)外學(xué)者探索設(shè)計了不同形式的壓力分布監(jiān)測傳感器,特別是近年來紡織纖維基柔性壓力分布監(jiān)測傳感器受到特別關(guān)注。其中,壓阻式織物基傳感器往往采用由電極層和壓阻層形成的多層結(jié)構(gòu),且關(guān)注傳感器結(jié)構(gòu)中壓阻層的設(shè)計,而忽略了諸如電極、引線、傳感電路等構(gòu)成元件之間的配置對傳感系統(tǒng)性能的影響。例如,在這些傳感陣列原型驗證中使用了銅導(dǎo)線等剛性材料,且部分傳感陣列的制作工藝流程多,不兼容紡織加工工藝,成本高。因此,有必要構(gòu)建一種兼容紡織加工工藝的全織物壓力分布監(jiān)測傳感器,克服在已研發(fā)的傳感系統(tǒng)中存在的壓阻層制備工藝復(fù)雜及傳感電路信號引線的連接穩(wěn)定性問題�；谝陨喜蛔�,本文設(shè)計了一款全織物、易制作、低成本的壓阻式織物傳感器陣列,其具有n×m+1型多層結(jié)構(gòu),構(gòu)成傳感器的材料為紡織材料且兼容紡織加工工藝。本文首先討論了構(gòu)成傳感單元的材料結(jié)構(gòu)、大小及傳感器電路對傳感性能的影響,然后以優(yōu)選的傳感單元構(gòu)建壓阻式監(jiān)測傳感器陣列,并探討單點作用與多點作用時傳感單元之間的響應(yīng)差異及原因,最后應(yīng)用研制的傳感陣列監(jiān)測手指觸摸運動,證明該傳感陣列具有應(yīng)用于人機交互場景的潛力。具體的研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)以n×m+1型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、能耗低的電阻式壓力分布監(jiān)測織物傳感器陣列及其數(shù)據(jù)采集電路,特別是研究了電極層與鍍銀導(dǎo)電紗線之間的連接穩(wěn)定性。結(jié)果證實所設(shè)計的傳感器結(jié)構(gòu)合理,且發(fā)現(xiàn)采用針縫連接方式得到的連接電阻更穩(wěn)定可靠。電阻式壓力分布監(jiān)測織物傳感器陣列共有5層,分別是封裝保護(hù)層、上電極層、隔離層、壓阻層、下電極層。上電極層由n×m個電極單元組成,下電極層則是作為傳感單元共享的一層完整電極。傳感單元分別與一個定值電阻串聯(lián),通過采集定值電阻兩端的電壓變化,可計算得知傳感單元的電阻變化。其中,以鍍銀導(dǎo)電紗線作為傳感器與數(shù)據(jù)采集電路的連接線,它與電極層的連接方式主要有黏貼與針縫。通過比較不同方式的連接電阻穩(wěn)定性和連接處鍍銀導(dǎo)電紗線與電極層的接觸狀態(tài)得知,針縫方式接觸穩(wěn)定,連接電阻波動小。(2)研究傳感器的阻抗特性,闡釋傳感器結(jié)構(gòu)的構(gòu)成材料差異對傳感器性能的影響及傳感機理,并優(yōu)選敏感單元的電極及隔離層材料。結(jié)果表明,傳感器工作時為純電阻,傳感響應(yīng)變化來源于壓阻層電阻以及電極層與壓阻層的接觸電阻變化,且導(dǎo)電布和孔洞狀織物是傳感單元的電極層和隔離層的最佳材料。為了探討傳感器在工作時是否存在容抗,采用電化學(xué)工作站測試了傳感器被壓縮時的阻抗變化。經(jīng)電化學(xué)工作站測試可知,傳感器敏感材料電阻抗的相位角保持0°,即傳感器為純電阻。隨后,比較電極材料對傳感性能的影響,以導(dǎo)電布、銅箔為基本電極材料,測試討論了上下電極分別為導(dǎo)電布/導(dǎo)電布、銅箔/銅箔和導(dǎo)電布/銅箔三種情況下的傳感器響應(yīng),發(fā)現(xiàn)傳感器的電阻響應(yīng)同時包含了電極層與壓阻層的接觸電阻,且電極層與壓阻層之間的接觸面越平整,接觸電阻越小。隨后,進(jìn)一步研究比較了隔離層的幾何結(jié)構(gòu)對傳感性能的影響。對比網(wǎng)格狀織物、孔洞狀織物作為隔離層,測試比較在壓力作用下傳感器響應(yīng)的差異性可知,由于網(wǎng)格狀織物為隔離層時在壓力作用區(qū)內(nèi)每個傳感單元包含的網(wǎng)格個數(shù)不一,其電阻響應(yīng)在傳感單元之間存在較大的差異,而孔洞則是一一對應(yīng)于每個傳感單元,響應(yīng)情況基本一致,從而更適合作為隔離層。(3)研究傳感單元的結(jié)構(gòu)和大小對傳感器在壓力作用下的響應(yīng)。結(jié)果表明,為了提高傳感器的響應(yīng)靈敏度,傳感單元的孔洞尺寸應(yīng)小于上電極單元,且傳感器響應(yīng)取決于有效作用面積與傳感單元大小之間的相對關(guān)系。為了選擇合適的傳感單元結(jié)構(gòu),制作了兩種傳感單元結(jié)構(gòu),一種是孔洞尺寸大于上電極單元,另一種則相反。通過比較這兩種結(jié)構(gòu)的傳感單元的傳感性能可知,當(dāng)孔洞尺寸小于上電極單元時,傳感單元的靈敏度更大,所以應(yīng)選擇該傳感單元結(jié)構(gòu)。為了選擇合適大小的傳感單元,制作了五組不同大小的傳感單元。比較傳感單元的靈敏度與有效響應(yīng)范圍后可得,當(dāng)上電極單元大小為6mm×6mm,孔洞大小為4mm×4mm時傳感單元性能最好,靈敏度最高可達(dá)74.64Ω·kPa~(-1),響應(yīng)范圍在5~300kPa,響應(yīng)時間為81ms。為了探究壓頭作用面積對傳感單元響應(yīng)的影響,使用不同壓頭壓縮同一傳感單元后發(fā)現(xiàn),傳感單元的響應(yīng)因壓頭不同而不同,取決于有效作用面積與傳感單元大小之間的相對關(guān)系。(4)研究傳感陣列對分布壓力作用的響應(yīng),比較單點作用與多點作用時傳感單元之間的響應(yīng)差異,同時驗證傳感器的應(yīng)用潛力。結(jié)果表明,傳感陣列能有效分辨不同作用點的壓力大小和作用位置,且手指觸摸運動的識別能力證實了該傳感陣列應(yīng)用于人機交互的潛力。為了探究傳感陣列識別壓力大小和分布的能力,通過多點作用時,各傳感單元的響應(yīng)情況可知,傳感陣列可以精準(zhǔn)獲悉壓力作用位置,基本感知壓力大小。與單點作用相比,傳感單元響應(yīng)偏差為8.33%。傳感陣列響應(yīng)偏差可能主要來源于紡織材料的不均勻性與串?dāng)_效應(yīng)。當(dāng)手指按壓壓阻式織物傳感器陣列時,傳感器響應(yīng)迅速且穩(wěn)定,說明該織物傳感器陣列可應(yīng)用于人機交互等場景。綜合上述討論分析,壓阻式織物傳感器陣列及其數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)簡單,鍍銀導(dǎo)電紗線作為連接線,既柔軟又穩(wěn)定。當(dāng)傳感器工作時,呈現(xiàn)純電阻特性。傳感器的電阻變化不僅包含了壓阻層的電阻變化,也包括了電極層與壓阻層之間的接觸電阻變化。為了傳感器性能優(yōu)良穩(wěn)定,最好選用導(dǎo)電布膠帶和孔洞狀織物作為電極層和隔離層。為了傳感單元擁有高靈敏度,傳感單元的孔洞尺寸應(yīng)小于上電極單元。當(dāng)壓力作用有效面積不同時,傳感單元的響應(yīng)也將改變。該傳感陣列可有效感知分布式壓力的作用,適合作為人機交互的橋梁。
【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】：2019
【分類號】：TS103.63;TP212
【圖文】：