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2016年11月11日 星期五 09:15:33
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盤點 | 智能紡織品傳感器有哪些?

發表時間:2019/5/28

智能紡織品是指能對外界環境刺激做出感應和反應的紡織品,包括智能調溫紡織品、形狀記憶紡織品、防水透濕紡織品、變色紡織品、電子信息智能紡織品等。電子智能紡織品的主要單元包括可導電的紡織品、采集信號的傳感器、驅動單元和控制單元,由此可對外界刺激做出感應、反饋和響應。基于傳感器,只能感知環境或用戶的紡織品稱為消極(被動)智能紡織品;能對環境刺激做出反應,并集成傳感裝置和執行器裝置的紡織品稱為積極(主動)智能紡織品;能夠感知、反應和調整它們的行為以適應給定環境的紡織品稱為高級智能紡織品。傳感器提供一個神經系統來檢測信號,因此在被動智能材料中,傳感器的存在是必不可少的。



傳感器是一種檢測裝置,通過將柔性或微型傳感器嵌入織物中,可使其能夠感應溫度、壓力、位移、電流等多種物理或者化學刺激。目前,電子智能紡織品傳感器主要有應變傳感器、壓力傳感器、電感傳感器和光纖傳感器。


應變傳感器

應變傳感器主要用于監測人體生命體征,如心率、呼吸和血壓等,可通過集成具有壓阻特性的纖維制成織物傳感器。因為織物有很大的面積與皮膚接觸,意味著它可以在身體的多個部位進行監測。此類壓阻傳感器柔軟、質輕、靈敏、體積小、分辨率高,與織物結合好,當織物尺寸出現微小變化時,導電面積改變導致電阻變化,從而將織物形變轉化為電阻變化,并通過對信號分析來監測人體身體參數。


用于檢測人體呼吸的碳納米管傳感器


壓力傳感器

壓力傳感器是一種將接收到的力學信號通過某種特定的方法以電信號的方式來輸出的傳感器,其通常由力學感應原件和轉換裝置組成。壓力傳感器可分為電容式傳感器和電阻式傳感器。

電容式傳感器通過電容隨外加壓力的變化而變化的原理實現傳感作用。常見的有以纖維為基體,通過附加導電材料和電介質制成的纖維式電容傳感器以及以織物為基體,中間加入電介質制作而成的織物式電容傳感器。

電阻式傳感器的應用十分廣泛,其工作原理是導電材料在受到壓力作用時自身電阻會發生變化。將該類傳感器用于智能服裝,其在受到微弱的壓力變化時就會有明顯的電阻變化,因此可以用測量微小力的變化來反應呼吸、脈搏等生理指標。同樣,電阻式傳感器也可分為纖維式和織物式傳感器。纖維式電阻傳感器常用的導電材料為碳納米管、石墨烯以及一些非本征型導電纖維;織物式電阻傳感器常用導電材料為導電涂層或導電薄膜材料,其具有服裝要求的柔軟性,且導電層都在外表面,能更靈敏地檢測壓力的變化。


檢測手指動作的壓阻式傳感器


電感式傳感器

電感式傳感器是利用電磁感應,將壓力或者人體動作轉換成線圈的自感系數和互感系數變化的傳感器,又稱電感式位移傳感器。電感式傳感器按照轉換原理可分為自感式和互感式傳感器,按結構形式可分為變間隙式、變截面式和螺管式傳感器。電感式傳感器分辨率高,線性度好,測量范圍寬,雖存在如交流零位信號、不宜高頻動態測量等缺陷,但相比其他傳感器更適用于人體監測類智能紡織品。尤其是當電感式傳感器的傳感線圈采用導電紡織材料時,比金屬線圈更加柔軟,更適用于智能紡織品。


光纖傳感器


光纖傳感器是利用光纖的敏感特性對外界物理量進行監測的傳感器。其原理是光在光纖中傳播時,外界環境的變化會引起光波強度和偏振面的改變。光纖傳感器主要由光源、探測器和光纖組成,目前使用較為廣泛的光纖傳感技術主要有宏彎光纖傳感器、微彎光纖傳感器和光纖布拉格光柵等。將光信號參數的變化轉化為醫學設備的相關參數,由于其微彎原理、宏彎原理、靈敏度高和抗電磁干擾性質,適宜與紡織品結合并應用于醫療健康領域。相較于電傳感器,光纖傳感器在醫療領域中高磁場環境下具有明顯優勢,尤其是在心跳頻率和呼吸速率等的監測方面發揮著重要作用。


光纖與織物結合


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