織物拉伸傳感器的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種織物拉伸傳感器的制備方法，首先選擇一種高彈紗線，織造成織物，作為天線的介質(zhì)基片，測試并計算其介電常數(shù)和介電損耗；然后根據(jù)計算結(jié)果和天線所需的工作頻率，計算天線的輻射元的基本尺寸，選擇一種彈性導(dǎo)電紗線與高彈紗線一起織造天線的輻射元、饋電線以及接地板；最后通過垂直捆綁紗，將各部分織造成為一個整體的拉伸變形時頻率變化明顯且存在線性規(guī)律的織物天線結(jié)構(gòu)。本發(fā)明將容易拉伸變形的紡織結(jié)構(gòu)與天線元件相結(jié)合，實現(xiàn)了一種同時兼具無線信號傳輸功能和拉伸傳感功能的拉伸傳感織物；該傳感織物具有結(jié)構(gòu)完整性好，在外力作用下變形穩(wěn)定均勻、可以預(yù)測的特點；產(chǎn)品成本較低，性能穩(wěn)定，有利于推廣使用。
【專利說明】
織物拉伸傳感器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種織物拉伸傳感器的制備方法，屬于功能紡織品以及智能紡織品技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息科學(xué)、材料科學(xué)等相關(guān)技術(shù)與傳統(tǒng)紡織品不斷發(fā)展融 合，紡織品已突破了原有保溫和美化的使用范疇，在保持紡織品原有屬性的前提下，朝著功 能化和智能化的方向發(fā)展，賦予了紡織品獨特的使用功能，逐漸步入了智能紡織品的新時 代。將傳統(tǒng)服裝紡織與電子信息、半導(dǎo)體、無線電通訊等交叉學(xué)科的相互結(jié)合，成為了傳統(tǒng) 行業(yè)與高新技術(shù)的一個交匯點，為智能紡織品的蓬勃發(fā)展打下了堅實基礎(chǔ)，開辟了全新的 發(fā)展領(lǐng)域，擴寬了內(nèi)涵。電子智能紡織品是傳感、通訊、人工智能等高科技手段應(yīng)用于紡織 品技術(shù)上而開發(fā)出的新型紡織品。
[0003] 目前為止，對紡織結(jié)構(gòu)的傳感器已經(jīng)有了大量的研究。第一階段是將傳統(tǒng)的面料 和一些普通的電子元件，如傳感器、電阻、二極管、芯片等通過對面料和服裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計把 電子元件附加在紡織品或服裝上。該種傳感器不能折疊，不能清洗，且無法大規(guī)模生產(chǎn)。第 二階段電子智能紡織品發(fā)展到把傳感器、處理器、存儲器等電子元件微化，將其與纖維結(jié) 合，制作成特種纖維，如導(dǎo)電纖維等，再用這些特種纖維編織成面料，制作成服裝。這種傳感 器克服了早期傳感器不能折疊、不能清洗的缺點，但是這種結(jié)構(gòu)仍是將單一功能的傳感元 件、收發(fā)信號元件嵌入到紡織品中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何制備一種兼具無線信號傳輸功能和拉伸傳感功 能的拉伸傳感織物。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種織物拉伸傳感器的制備方 法，其特征在于，該方法由以下3個步驟組成：
[0006] 步驟1:選擇一種高彈紗線，織造成織物，作為天線的介質(zhì)基片，測試并計算其介電 常數(shù)和介電損耗；
[0007] 步驟2:根據(jù)天線所需的工作頻率和所得到的介電常數(shù)，計算天線的輻射元的基本 尺寸，選擇一種彈性導(dǎo)電紗線，與所述高彈紗線一起織造天線的福射元、饋電線以及接地 板；
[0008] 步驟3:通過垂直捆綁紗，將介質(zhì)基片、輻射元、饋電線以及接地板織造成為一個整 體的、拉伸變形時頻率變化明顯且存在線性規(guī)律的織物天線結(jié)構(gòu)；
[0009] 其中，所述高彈紗線和彈性導(dǎo)電紗線的斷裂伸長率均不低于50%。
[0010] 優(yōu)選地，所述步驟1中，高彈紗線的介電性能為：介電常數(shù)2-8,介電損耗角正切 0.00001-0.01〇
[0011] 更優(yōu)選地，所述步驟1中，高彈紗線為彈性氨綸、滌綸彈性紗線或彈性橡膠紗線。
[0012] 進(jìn)一步地，所述高彈紗線密度為40-2000dtex，可以通過調(diào)整經(jīng)煒紗線的模量來調(diào) 整織物的拉伸傳感靈敏度。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟1中，織物為三維結(jié)構(gòu)織物或拉伸狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變化均勻的二維彈 性結(jié)構(gòu)織物。
[0014] 更優(yōu)選地，所述三維結(jié)構(gòu)織物為三維正交織物、三維角聯(lián)鎖織物或三維間隔織物。
[0015] 優(yōu)選地，所述步驟2中，彈性導(dǎo)電紗線的電導(dǎo)率為103-108s/m。
[0016]更優(yōu)選地，所述步驟2中，彈性導(dǎo)電紗線為彈性金屬鍍層紗線或彈性金屬包纏紗 線。
[0017] 進(jìn)一步地，所述彈性金屬鍍層紗線的制作方法為:將彈性紗線在設(shè)定預(yù)拉伸的情 況下進(jìn)行金屬電鍍，電鍍結(jié)束后釋放預(yù)拉伸作用力并回縮，即可得到彈性金屬鍍層紗線；
[0018] 所述彈性金屬包纏紗線的制作方法為:彈性紗線在設(shè)定預(yù)拉伸的情況下，將導(dǎo)電 纖維包纏于芯紗表面，包纏結(jié)束后釋放預(yù)拉伸作用力并回縮，即可得到彈性金屬包纏紗線。
[0019] 更進(jìn)一步地，所述設(shè)定預(yù)拉伸為30%_80%。
[0020] 優(yōu)選地，所述步驟3中，垂直捆綁紗為柱紗或間隔紗線。
[0021] 優(yōu)選地，所述織物天線結(jié)構(gòu)基于微帶天線結(jié)構(gòu)、平面天線結(jié)構(gòu)或曲面共形天線結(jié) 構(gòu)。
[0022] 優(yōu)選地，所述織物天線結(jié)構(gòu)基于對稱振子天線結(jié)構(gòu)或相控陣天線結(jié)構(gòu)。
[0023] 優(yōu)選地，在拉伸作用下，織物天線結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，從而導(dǎo)致天線的工作頻率發(fā)生變 化;通過對天線信號的監(jiān)測反推織物天線結(jié)構(gòu)的拉伸變形情況，從而實現(xiàn)織物天線結(jié)構(gòu)拉 伸傳感監(jiān)測功能。
[0024]優(yōu)選地，所述天線的工作頻率可選用L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段等，可按 照實際需求的工作頻率來設(shè)計織造天線的尺寸。
[0025]優(yōu)選地，所述天線的工作頻率可隨織物天線結(jié)構(gòu)長度方向的拉伸應(yīng)變而變化，也 可以隨織物天線結(jié)構(gòu)寬度方向的拉伸應(yīng)變而變化。
[0026]本發(fā)明織物拉伸傳感器采用三維織物制造技術(shù)，將彈性導(dǎo)電紗線與高彈紗線織造 成為微帶天線結(jié)構(gòu)，其輻射元、接地板以及饋電線由彈性導(dǎo)電紗線構(gòu)成，介質(zhì)基片由介電性 能優(yōu)良的高彈紗線構(gòu)成，各個部件通過三維織造工藝織造成為一個整體。當(dāng)織物發(fā)生拉伸 變形時，天線的工作頻率發(fā)生變化。通過對天線信號的監(jiān)測可反推織物的拉伸變形情況，從 而實現(xiàn)織物拉伸傳感監(jiān)測功能。為多功能紡織品和智能紡織結(jié)構(gòu)提供了一種新的設(shè)計思 路。
[0027] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0028] 1、將容易拉伸變形的紡織結(jié)構(gòu)與天線元件相結(jié)合，實現(xiàn)了一種同時兼具無線信號 傳輸功能和拉伸傳感功能的拉伸傳感織物；
[0029] 2、該傳感織物具有結(jié)構(gòu)完整性好，在外力作用下變形穩(wěn)定均勻、可以預(yù)測的特點；
[0030] 3、該傳感織物具有柔性的紡織結(jié)構(gòu)，可通過調(diào)整紗線參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)控制織物的 拉伸變形，從而調(diào)控傳感織物的靈敏度；
[0031] 4、可采用三維機織間隔織物，中空度高，介電常數(shù)小，介電損耗小，制成的微帶天 線性能更好；
[0032] 5、采用自動化三維機織工藝，產(chǎn)品成本較低，性能穩(wěn)定，有利于推廣使用，在軍工 國防、人體運動監(jiān)測、智能服裝與智能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0033]圖1為織物拉伸傳感器的制備方法流程圖；
[0034]圖2為拉伸傳感織物示意圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。
[0036] 實施例1
[0037]結(jié)合圖1，三維正交結(jié)構(gòu)拉伸傳感天線織物的制備，具體方法如下：
[0038] (1)選用鍍銀彈性滌綸絲作為導(dǎo)電紗線，將細(xì)度為400dtex的彈性滌綸紗（美國杜 邦公司）預(yù)拉伸50%情況下進(jìn)行化學(xué)鍍銀，鍍銀結(jié)束后使紗線回縮得到彈性的導(dǎo)電滌綸紗 線。
[0039] (2)設(shè)計天線工作頻率為2.5GHz，所制備的三維織物厚度為1.5mm，其介電常數(shù)r = 2,根據(jù)天線設(shè)計理論(參見《天線理論與技術(shù)》第六章，鐘順時編著)計算得到單輻射元微帶 天線尺寸參數(shù);如圖2所示。圖2中，1為輻射元，2為饋電線，3為基體;W和L分別為輻射元寬和 長，WG和LG為成品微帶天線的寬和長，F(xiàn)L為饋電線的長度，F(xiàn)D為饋電線的寬度。
[0040] (3)織造單輻射元微帶天線預(yù)制件。設(shè)計基本結(jié)構(gòu)預(yù)制件包括三層，最上層為彈性 導(dǎo)電紗線織造的輻射元結(jié)構(gòu)層;其下層為由彈性滌綸紗線作為經(jīng)煒紗織造的基體織物層， 基體織物層有兩層經(jīng)紗和三層煒紗組成，起到支撐輻射元的作用；最下層為彈性導(dǎo)電纖維 織造的接地板層;三層織物結(jié)構(gòu)由相互交織的垂直捆綁紗束縛成為一個整體。在沿織造方 向達(dá)14mm時，開始織造天線福射元，完成福射元前半部分的30.6mm后，到達(dá)饋電線時，繼續(xù) 織造后半部分輻射元以及天線結(jié)構(gòu)，織造工作完成。將同軸連接器(JSMA-KFD40)的探針與 輻射元的饋電點處焊接，即完成三維正交結(jié)構(gòu)拉伸傳感織物的織造過程。
[0041 ] (4)該織物在拉伸率為0%-10 %的過程中，其工作頻率由2.5GHz減小至2.21GHz， 如表1所示。通過對工作頻率變化與壓縮距離的擬合即得到兩者之間的對應(yīng)關(guān)系，利用該對 應(yīng)關(guān)系可以通過監(jiān)測無線信號的變化情況感知織物的受壓縮情況。
[0042]表1.傳感織物長度L方向拉伸應(yīng)變與工作頻率關(guān)系
[0044] 實施例2
[0045] 基于碳管涂層紗線的拉伸傳感天線織物的制備，具體方法如下：
[0046] (1)選用多壁碳納米管涂層細(xì)度560dtex氨綸紗(江蘇僑新纖維有限公司）線作為 彈性導(dǎo)電紗線。將氨綸紗預(yù)拉伸50%情況下，浸漬到多壁碳納米管水性分散液（中國科學(xué)院 成都有機化學(xué)有限公司）中，待水分烘干揮發(fā)后釋放預(yù)拉伸作用力，使紗線回縮得到彈性可 拉伸的導(dǎo)電紗線。
[0047] (2)設(shè)計天線工作頻率為3GHz，所制備的三維織物厚度為1.3mm，其介電常數(shù)r = 2， 根據(jù)天線設(shè)計理論計算得到單輻射元微帶天線尺寸參數(shù)，如圖2所示。圖2中，1為輻射元，2 為饋電線，3為基體;W和L分別為輻射元寬和長，WG和LG為成品微帶天線的寬和長FL為饋電 線的長度，F(xiàn)D為饋電線的寬度。
[0048] (3)織造單輻射元微帶天線預(yù)制件。設(shè)計基本結(jié)構(gòu)預(yù)制件包括三層，最上層為彈性 導(dǎo)電紗線織造的輻射元結(jié)構(gòu)層;其下層為由彈性氨綸紗線作為經(jīng)煒紗織造的基體織物層， 基體織物層有兩層經(jīng)紗和三層煒紗組成，起到支撐輻射元的作用；最下層為彈性導(dǎo)電纖維 織造的接地板層;三層織物結(jié)構(gòu)由相互交織的垂直捆綁紗束縛成為一個整體。在沿織造方 向達(dá)12mm時，開始織造天線福射元，完成福射元前半部分的26.8mm后，到達(dá)饋電線時，繼續(xù) 織造后半部分輻射元以及天線結(jié)構(gòu)，織造工作完成。將同軸連接器(JSMA-KFD40)的探針與 輻射元的饋電點處焊接，即完成三維正交結(jié)構(gòu)拉伸傳感織物的織造過程。
[0049] (4)該織物在拉伸率為0%-10%的過程中，其工作頻率由3GHz減小至2.51GHz，如 表2所示。通過對工作頻率變化與拉伸距離的擬合即得到兩者之間的對應(yīng)關(guān)系，利用該對應(yīng) 關(guān)系可以通過監(jiān)測無線信號的變化情況感知織物的受拉伸形變。
[0050]表2.傳感織物長度L方向拉伸應(yīng)變與工作頻率關(guān)系
【主權(quán)項】
1. 一種織物拉伸傳感器的制備方法，其特征在于，該方法由以下3個步驟組成： 步驟1:選擇一種高彈紗線，織造成織物，作為天線的介質(zhì)基片，測試并計算其介電常數(shù) 和介電損耗； 步驟2:根據(jù)天線所需的工作頻率和所得到的介電常數(shù)，計算天線的輻射元的基本尺 寸，選擇一種彈性導(dǎo)電紗線，與所述高彈紗線一起織造天線的福射元、饋電線以及接地板； 步驟3:通過垂直捆綁紗，將介質(zhì)基片、輻射元、饋電線以及接地板織造成為一個整體 的、拉伸變形時頻率變化明顯且存在線性規(guī)律的織物天線結(jié)構(gòu)； 其中，所述高彈紗線和彈性導(dǎo)電紗線的斷裂伸長率均不低于50%。2. 如權(quán)利要求1所述的一種織物拉伸傳感器的制備方法，其特征在于:所述步驟1中，高 彈紗線的介電性能為:介電常數(shù)2-8,介電損耗角正切0.00001-0.01。3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種織物拉伸傳感器的制備方法，其特征在于：所述步驟1 中，高彈紗線為彈性氨綸、滌綸彈性紗線或彈性橡膠紗線。4. 如權(quán)利要求1所述的一種織物拉伸傳感器的制備方法，其特征在于:所述步驟1中，織 物為三維結(jié)構(gòu)織物或拉伸狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變化均勻的二維彈性結(jié)構(gòu)織物。5. 如權(quán)利要求4所述的一種織物拉伸傳感器的制備方法，其特征在于:所述三維結(jié)構(gòu)織 物為三維正交織物、三維角聯(lián)鎖織物或三維間隔織物。6. 如權(quán)利要求1所述的一種織物拉伸傳感器的制備方法，其特征在于:所述步驟2中，彈 性導(dǎo)電紗線的電導(dǎo)率為103-10 8s/m。7. 如權(quán)利要求1或6所述的一種織物拉伸傳感器的制備方法，其特征在于：所述步驟2 中，彈性導(dǎo)電紗線為彈性金屬鍍層紗線或彈性金屬包纏紗線。8. 如權(quán)利要求7所述的一種織物拉伸傳感器的制備方法，其特征在于:所述彈性金屬鍍 層紗線的制作方法為:將彈性紗線在設(shè)定預(yù)拉伸的情況下進(jìn)行金屬電鍍，電鍍結(jié)束后釋放 預(yù)拉伸作用力并回縮，即可得到彈性金屬鍍層紗線； 所述彈性金屬包纏紗線的制作方法為:彈性紗線在設(shè)定預(yù)拉伸的情況下，將導(dǎo)電纖維 包纏于芯紗表面，包纏結(jié)束后釋放預(yù)拉伸作用力并回縮，即可得到彈性金屬包纏紗線。9. 如權(quán)利要求1所述的一種織物拉伸傳感器的制備方法，其特征在于:所述織物天線結(jié) 構(gòu)基于微帶天線結(jié)構(gòu)、平面天線結(jié)構(gòu)或曲面共形天線結(jié)構(gòu)。10. 如權(quán)利要求1所述的一種織物拉伸傳感器的制備方法，其特征在于:在拉伸作用下， 織物天線結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，從而導(dǎo)致天線的工作頻率發(fā)生變化;通過對天線信號的監(jiān)測反推 織物天線結(jié)構(gòu)的拉伸變形情況，從而實現(xiàn)織物天線結(jié)構(gòu)拉伸傳感監(jiān)測功能。
【文檔編號】G01N27/00GK105928980SQ201610242678
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月19日
【發(fā)明人】許福軍, 王義斌, 朱鴻飛, 謝惺
【申請人】東華大學(xué)