一种电阻式柔性织物位置传感器 |
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| 申请号 | CN202211322486.1 | 申请日 | 2022-10-27 | 公开(公告)号 | CN115638714B | 公开(公告)日 | 2024-02-06 |
| 申请人 | 五邑大学; | 发明人 | 王飞; 于晖; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 电阻 式柔性织物 位置 传感器 ，其包括 自上而下 依次设置的第一导电织物层、弹性隔离层和第二导电织物层；弹性隔离层密布有多个透孔，第一导电织物层或第二导电织物层上设有与透孔配合的触点，触点与另一侧的第二导电织物层或第一导电织物层之间具有间距；当对第一导电织物层或第二导电织物层的表面施加压 力 时，触点透过透孔与另一侧的第二导电织物层或第一导电织物层 接触 通电并输出该施力位置相对应的电阻值。本发明能够实现距离按压式感应的同时，兼顾纺织品的特性，从而切实地解决现有的 位置传感器 对于无法很好地嵌入到服用纺织品之中的问题，结构简单，稳定可靠，成本较低，通用性强。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电阻式柔性织物位置传感器，其特征在于，包括自上而下依次设置的第一导电织物层、弹性隔离层和第二导电织物层； |
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| 说明书全文 | 一种电阻式柔性织物位置传感器技术领域背景技术[0002] 21世纪以来，随着科技的发展，尤其互联网、可穿戴、物联网、虚拟现实和智能纺织等技术的突飞猛进，人们对于用以输入、测量和监测的传感器技术具备柔性甚至是纺织和纤维基的需求越来越大。其中，一个重要的传感技术为位置传感器。位置传感器是指能将被测物的位置信息转换成便于测量的其它物理量的一类传感器。柔性纺织基的位置传感器可 在人机交互界面提供有效的位置信息，该信息可作为一维输入信号、曲面距离测量和其他 娱乐功能等。比如，在服装或沙发表面集成织物位置传感器可实现手动按压服装或沙发来 调节电子设备音量(一维输入信号)，在织物条带表面集成织物位置传感器可用来测量人体 各部分维度(曲面距离测量)，以及在织物基游戏设备表面集成可实现距离感应作为辅助输 入(娱乐功能)等。 [0003] 传统的位置传感器可用来检测位置、长度、距离和方位等。目前位置传感器的种类主要有电磁式、光电式、电容式、接触式等，都是以硬质材料为主体，不具有柔软性和耐水洗特性，无法整合到服用纺织品之中，限制了位置传感器在智能纺织品和可穿戴电子设备领域的应用。 [0004] 在电磁式位置传感器技术领域中，如中国专利申请(公开号：CN107843184A)公开一种可穿戴式微型位置传感器，采用电磁波辐射原理可以给出1米之内传感器的位置变化，可以用于人体动作捕捉。但它只适合直线距离的测量，不方便测量曲线长度、人体维度、或者人体表面以及纺织品表面的位置信息。 [0005] 在智能纺织技术领域中，目前虽有各类纺织和纤维基材的压力传感器以及矩阵，如中国专利申请(公开号：CN113340480A)公开了一种柔性压力传感器及其制备方法，可通 过在纺织品表面布置众多压力感应单元来实现离散式距离测量。但当将其作为位置传感器 使用时，需要布置一维高密度式的压力传感器序列，该技术需要相当多的连线以及分布式 矩阵扫描手段来实现不同位置的压力测量，测得信号近似于离散函数(档位分布)，因而难 以具备可洗涤、可烘干、结构简易、电路简单、一维输入等特征，该类复杂的设备结构和数据读取方式极大的限制了可穿戴人机交互界面的输入方式。 发明内容[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单，稳定可靠，成本较低，通用性强的电阻式柔性织物位置传感器，能够实现距离按压式感应的同时，兼顾柔性、可穿、可洗、可烘等纺织品特性，从而切实地解决现有的位置传感器对于无法很好地嵌入到服用纺织品之中的问题。 [0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下： [0008] 一种电阻式柔性织物位置传感器，包括自上而下依次设置的第一导电织物层、弹性隔离层和第二导电织物层； [0009] 所述弹性隔离层密布有多个透孔，所述第一导电织物层或所述第二导电织物层上设有与所述透孔配合的触点，所述触点与另一侧的所述第二导电织物层或所述第一导电织 物层之间具有间距；当对所述第一导电织物层或所述第二导电织物层的表面施加压力时， 所述触点透过所述透孔与另一侧的所述第二导电织物层或所述第一导电织物层接触通电 并输出该施力位置相对应的电阻值。 [0011] 作为本发明的优选方案，所述第一导电织物层和所述第二导电织物层均由导电纤维织造而成；所述第一导电织物层和所述第二导电织物层上均设有平面导电图案，所述平 面导电图案由织物组织结构或者数码提花织造形成。 [0013] 作为本发明的优选方案，所述导电涂层为导电高分子膜。 [0014] 作为本发明的优选方案，所述导电涂层为导电复合材料，所述导电复合材料包括基材和分散于所述基材内的导电颗粒，所述导电复合材料通过丝网印刷、孔板印刷、喷涂或者热粘合的方式在所述第一导电织物层和所述第二导电织物层的表面形成有平面导电图 案。 [0016] 作为本发明的优选方案，所述弹性隔离层为弹性薄膜，所述弹性薄膜的材质为弹性高分子材料； [0017] 所述弹性隔离层通过丝网印刷、孔板印刷或者喷涂的工艺直接附着于所述第一导电织物层上，所述弹性隔离层远离所述第一导电织物层的一面通过胶黏剂与所述第二导电 织物层粘结； [0018] 或者，所述弹性隔离层通过丝网印刷、孔板印刷或者喷涂的工艺直接附着于所述第二导电织物层上，所述弹性隔离层远离所述第二导电织物层的一面通过胶黏剂与所述第 一导电织物层粘结； [0019] 或者，所述弹性隔离层通过丝网印刷、孔板印刷或者喷涂的工艺直接附着于所述第一导电织物层和所述第二导电织物层上，附着于所述第一导电织物层的弹性隔离层与附 着于所述第二导电织物层上的弹性隔离层通过胶黏剂粘结。 [0020] 作为本发明的优选方案，所述弹性隔离层为织物材料，所述织物材料为弹性纱线和非弹性纱线织造而成，所述弹性隔离层的一面通过三维立体织造的工艺与所述第一导电 织物层连接，所述弹性隔离层的另一面通过三维立体织造的工艺与所述第二导电织物层连 接。 [0021] 作为本发明的优选方案，所述弹性隔离层为弹性薄膜或织物材料，所述第一导电织物层和所述第二导电织物层通过缝纫线与所述弹性隔离层连接。 [0023] 本发明的电阻式柔性织物位置传感器能够作为位置测量、长度和角度测量设备和一维信号输入设备等，通用性强，优于仅有位置和距离测量的功能的传统光电式位置传感 器；其次，由于一维向量式电阻信号读取简易，无需分布式矩阵扫描等复杂信号读取手段，仅输出电阻值一维向量信号，连线简易且读取数据简易，能够节省数采模块的成本和能耗，优于柔性压力传感器矩阵组合而成的矩阵式位置传感器；此外，第一导电织物层、第二导电织物层和弹性隔离层均具有轻薄、柔软、舒适、可机洗、可烘干等纺织品特有的属性，其耐弯折疲劳性、耐剪切疲劳性和耐压缩疲劳性强，能够很好地嵌入到服用纺织品之中，准确地测量与人体有关的位置信息，优于传统的硬质的光电式或硅基电子元器件。 附图说明 [0024] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。 [0025] 图1是本发明实施例提供的一种电阻式柔性织物位置传感器的结构示意图； [0026] 图2是在电阻式柔性织物位置传感器上设计第一种平面导电图案的分解图； [0027] 图3是在电阻式柔性织物位置传感器上设计第二种平面导电图案的分解图； [0028] 图4是在电阻式柔性织物位置传感器上设计第三种平面导电图案的分解图； [0029] 图5是在电阻式柔性织物位置传感器上设计第四种平面导电图案的分解图； [0030] 图6是电阻式柔性位置传感器的输出电阻与被测长度量的理论关系曲线和实际测得曲线。 [0031] 图中标记： [0032] 第一导电织物层1；弹性隔离层2；第二导电织物层3；透孔4；触点5；导电线6；平面导电图案7。 具体实施方式[0033] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 [0034] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。 [0035] 请参见图1，本发明优选实施例提供了一种电阻式柔性织物位置传感器，其包括自上而下依次设置的第一导电织物层1、弹性隔离层2和第二导电织物层3。 [0036] 所述弹性隔离层2密布有多个透孔4，所述第一导电织物层1或所述第二导电织物层3上设有与所述透孔4配合的触点5，所述触点5与另一侧的所述第二导电织物层3或所述 第一导电织物层1之间具有间距；当对所述第一导电织物层1或所述第二导电织物层3的表 面施加压力时，所述触点5透过所述透孔4与另一侧的所述第二导电织物层3或所述第一导 电织物层1接触通电并输出该施力位置相对应的电阻值。其中，所述第一导电织物层1和所 述第二导电织物层3均设有输出电信号的导电线6。需要说明的是，导电线6能够设置在导电织物层的外部，即为单独的导电线；也能够设置在导电织物层上，即导电织物层自身起到导电线的作用，直接输出电信号。导电织物层通过焊接、粘接、缝纫、热压、刺绣或织造等方式与导电线6连接，连线简易且无需复杂布线。在使用本发明的电阻式柔性织物位置传感器 时，第一导电织物层1和第二导电织物层3分别通过导电线6连接后端电路。当对第一导电织物层1或第二导电织物层3的表面施加压力时，触点5透过透孔4与另一侧的第二导电织物层 3或第一导电织物层1接触通电，此时第一导电织物层1、第二导电织物层3、导电线6和后端电路形成一个回路。由此，在第一导电织物层1或者第二导电织物层3的不同位置施加压力，通过测量相应位置上的电阻值，分别得到输出电阻与第一导电织物层1的线性函数关系和 输出电阻与第二导电织物层3的线性函数关系。通过测量相应的电阻值，代入到相关函数 中，从而得到施力位置的位置信息(如长度值、角度量值等)，能够适用于智能尺、智能鞋和鞋垫、智能书包、智能坐垫、智能床垫、智能服装等与纺织品相关的可穿戴智能纺织品，提供位置测量，角度测量和信号输入等功能，通用性较强。举例来说，将本发明的电阻式柔性织物位置传感器集成到服装上臂位置或者腰部位置时，即能够随时随地测上臂的维度或者腰 围；当本发明的电阻式柔性织物位置传感器集成到服装的前臂位置时，能够作为可调电阻 对可穿戴设备的状态进行动态调节(如调节耳机音量或者发光衣的亮度等)。 [0037] 可见，本发明的电阻式柔性织物位置传感器能够作为位置测量、长度和角度测量设备和一维信号输入设备等，通用性强，优于仅有位置和距离测量的功能的传统光电式位 置传感器；其次，由于一维向量式电阻信号读取简易，无需分布式矩阵扫描等复杂信号读取手段，仅输出电阻值一维向量信号，连线简易且读取数据简易，能够节省数采模块的成本和能耗，优于柔性压力传感器矩阵组合而成的矩阵式位置传感器；此外，第一导电织物层1、第二导电织物层3和弹性隔离层2均具有轻薄、柔软、舒适、可机洗、可烘干等纺织品特有的属性，其耐弯折疲劳性、耐剪切疲劳性和耐压缩疲劳性强，能够很好地嵌入到服用纺织品之 中，准确地测量与人体有关的位置信息，优于传统的硬质的光电式或硅基电子元器件。 [0038] 需要说明的是，在一些实施例中，触点5为凸起结构，在对第一导电织物层1或第二导电织物层3的表面施加压力时，触点5能够伸入到透孔4内，即无需施加过大的压力，第一导电织物层1与第二导电织物层3便能够很好地接触通电。 [0039] 示例性的，所述第一导电织物层1和所述第二导电织物层3均由导电纤维织造而成。所述第一导电织物层1和所述第二导电织物层3上均设有平面导电图案7，所述平面导电图案7由织物组织结构或者数码提花织造形成。其中，导电纤维采用镀金属纤维(如镀银纤 维、镀铜纤维或镀金纤维等)、含有金属成分的纤维(如不锈钢纤维等)、由导电复合材料(如聚酰胺/石墨烯、聚酰亚胺/碳纳米管或者各类化纤和导电颗粒的组合等)制备的导电纤维 或者碳纤维长丝等。平面导电图案7为任意形状，比如直线、波浪形状、曲线、三角形、长方形、正方形或者艺术图案等。 [0040] 示例性的，所述第一导电织物层1和所述第二导电织物层3的表面均涂覆有导电涂层。所述第一导电织物层1和所述第二导电织物层3为机织物、针织物、编织物或者无纺布，其成分为天然纤维(如棉、毛、丝或麻等)、人造纤维(如锦纶和涤纶等)或者天然纤维和人造纤维混纺，优选为涤纶平纹机织布。其中，所述导电涂层为导电高分子膜或者导电复合材 料。 [0041] 当导电涂层选用导电复合材料时，所述导电复合材料包括基材和分散于所述基材内的导电颗粒，基材采用高分子材料(如硅橡胶、聚氨酯、聚酰胺、聚酰亚胺或聚酯等)，导电颗粒采用碳纤维、碳纳米管、石墨颗粒、石墨烯，炭黑或金属粉末等。所述导电复合材料通过丝网印刷、孔板印刷、喷涂或者热粘合的方式在所述第一导电织物层1和所述第二导电织物层3的表面形成有平面导电图案7。其中，导电复合材料优选为石墨烯和硅橡胶的复合材料，涂覆工艺优选为丝网印刷。平面导电图案7为任意形状，比如直线、波浪形状、曲线、三角形、长方形、正方形或者艺术图案等。 [0042] 示例性的，所述弹性隔离层2为弹性薄膜或织物材料，所述第一导电织物层1和所述第二导电织物层3均通过胶黏剂与所述弹性隔离层2粘结。当采用弹性薄膜时，其材质为 弹性高分子材料(如硅胶、聚氨酯等)；当采用织物材料时，织物材料的类型为机织物、针织物、编织物或非织造布，其材质为天然纤维素纤维或者人造纤维等，优选为由聚氨酯长丝加工而成的经编弹性织物。 [0043] 示例性的，所述弹性隔离层2为弹性薄膜，所述弹性薄膜的材质为弹性高分子材料(如硅胶、聚氨酯等)；所述弹性隔离层2通过丝网印刷、孔板印刷或者喷涂的工艺直接附着于所述第一导电织物层1上，所述弹性隔离层2远离所述第一导电织物层1的一面通过胶黏 剂与所述第二导电织物层3粘结；或者，所述弹性隔离层2通过丝网印刷、孔板印刷或者喷涂的工艺直接附着于所述第二导电织物层3上，所述弹性隔离层2远离所述第二导电织物层3 的一面通过胶黏剂与所述第一导电织物层1粘结；或者，所述弹性隔离层2通过丝网印刷、孔板印刷或者喷涂的工艺直接附着于所述第一导电织物层1和所述第二导电织物层3上，附着 于所述第一导电织物层1的弹性隔离层2与附着于所述第二导电织物层3上的弹性隔离层2 通过胶黏剂粘结，即不以单独的一层隔离层的形式存在。 [0045] 示例性的，所述弹性隔离层2为织物材料，所述织物材料为弹性纱线和非弹性纱线织造而成，所述弹性隔离层2的一面通过三维立体织造的工艺与所述第一导电织物层1连 接，所述弹性隔离层2的另一面通过三维立体织造的工艺与所述第二导电织物层3连接，即 在导电织物层的表面一次性织造成型而不需额外贴合隔离层。 [0046] 示例性的，所述弹性隔离层2为弹性薄膜或织物材料，所述第一导电织物层1和所述第二导电织物层3通过缝纫线与所述弹性隔离层2连接。 [0047] 需要说明的是，弹性隔离层2设有多个透孔4，透孔4的形状可为圆形、方形或直线形等。通过改变弹性隔离层2的厚度、弹性模量、透孔4的数量、尺寸或位置；或者，改变导电涂层的厚度、尺寸或电导率，能够调节电阻式柔性织物位置传感器的分辨率与灵敏度，以适应不同的使用情况。 [0048] 以对第一导电织物层1的表面施加压力为例，使得本发明优选实施例的电阻式柔性织物位置传感器具有以下三种形态： [0049] (1)用于检测施力位置的长度量： [0050] 请参见图1至图3，本发明的电阻式柔性织物位置传感器采用三层结构，包括自上而下依次设置的第一导电织物层1、弹性隔离层2和第二导电织物层3。 [0051] 其中，第一导电织物层1和第二导电织物层3均设有输出电信号的导电线6。第一导电织物层1和第二导电织物层3均优选为涤纶平纹机织布，第一导电织物层1和第二导电织 物层3的表面均涂覆有导电涂层，导电涂层优选为石墨烯硅胶复合材料。导电涂层通过丝网印刷工艺在第一导电织物层1的表面形成有一条直线平面导电图案7，在第二导电织物层3 的表面形成两条或者两条以上平行的直线平面导电图案7。第一导电织物层1和第二导电织 物层3均通过胶黏剂与所述弹性隔离层2粘结，弹性隔离层2优选为由聚氨酯长丝织造而成 的经编弹性针织布，胶黏剂优选为热熔型聚氨酯膜。 [0052] 所述弹性隔离层2密布有多个透孔4，所述第一导电织物层1或所述第二导电织物层3上设有与所述透孔4配合的触点5，所述触点5与另一侧的所述第二导电织物层3或所述 第一导电织物层1之间具有间距；在使用时，第一导电织物层1和第二导电织物层3分别通过导电线6连接后端电路。当对第一导电织物层1的表面施加压力时，触点5透过透孔4与另一 侧的第二导电织物层3接触通电并输出该施力位置相对应的电阻值，此时第一导电织物层 1、第二导电织物层3、导电线6和后端电路形成一个回路。在第一导电织物层1的表面的不同位置施加压力，传感器输出电阻随施加压力的位置变化而变化，且输出电阻与施力位置呈 线性关系。通过测量电阻值大小，能够检测施力位置的长度量。一组样品的输出电阻与被测长度量的理论关系曲线和实际测得曲线在图6中给出。 [0053] (2)用于检测位置的角度量： [0054] 请参见图1和图4，本发明的电阻式柔性织物位置传感器采用三层结构，包括自上而下依次设置的第一导电织物层1、弹性隔离层2和第二导电织物层3。 [0055] 其中，第一导电织物层1和第二导电织物层3均设有输出电信号的导电线6。第一导电织物层1优选为涤纶平纹机织布，第一导电织物层1表面涂覆有导电涂层，导电涂层优选 为石墨烯硅胶复合材料或者聚吡咯、聚乙炔、聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)‑聚苯乙烯磺酸等本征导电高分子材料，导电涂层通过丝网印刷工艺在第一导电织物层1的表面形成有棘齿形平 面导电图案7；第二导电织物层3优选为由镀银纤维织造而成的涤纶机织导电织物。第一导 电织物层1和第二导电织物层3均通过胶黏剂与所述弹性隔离层2粘结，弹性隔离层2优选为 由聚氨酯长丝织造而成的经编弹性针织布，胶黏剂优选为热熔型聚氨酯膜。 [0056] 所述弹性隔离层2密布有多个透孔4，所述第一导电织物层1或所述第二导电织物层3上设有与所述透孔4配合的触点5，所述触点5与另一侧的所述第二导电织物层3或所述 第一导电织物层1之间具有间距；在使用时，第一导电织物层1和第二导电织物层3分别通过导电线6连接后端电路。当对第一导电织物层1的表面施加压力时，触点5透过透孔4与另一 侧的第二导电织物层3接触通电并输出该施力位置相对应的电阻值，此时第一导电织物层 1、第二导电织物层3、导电线6和后端电路形成一个回路。在第一导电织物层1的表面的不同位置施加压力，传感器输出电阻随施加压力的位置变化而变化，且输出电阻与施力位置呈 线性关系。通过测量电阻值大小，能够检测施力位置的角度量。 [0057] (3)用于检测施力位置的方位信息： [0058] 请参见图1和图5，本发明的电阻式柔性织物位置传感器采用三层结构，包括自上而下依次设置的第一导电织物层1、弹性隔离层2和第二导电织物层3。 [0059] 其中，第一导电织物层1和第二导电织物层3均设有输出电信号的导电线6。第一导电织物层1优选为利用提花织机对尼龙导电纱和棉涤混纺纱共同织造有S形迂回平面导电 图案的导电织物层，第二导电织物层3优选为由镀铜镍纤维织造而成的涤纶机织导电织物。 第一导电织物层1和第二导电织物层3均通过胶黏剂与所述弹性隔离层2粘结，弹性隔离层2 优选为由聚氨酯长丝织造而成的经编弹性针织布，胶黏剂优选为苯乙烯类嵌段共聚物型热 塑性弹性。 [0060] 所述弹性隔离层2密布有多个透孔4，所述第一导电织物层1或所述第二导电织物层3上设有与所述透孔4配合的触点5，所述触点5与另一侧的所述第二导电织物层3或所述 第一导电织物层1之间具有间距；在使用时，第一导电织物层1和第二导电织物层3分别通过导电线6连接后端电路。当对第一导电织物层1的表面施加压力时，触点5透过透孔4与另一 侧的第二导电织物层3接触通电并输出该施力位置相对应的电阻值，此时第一导电织物层 1、第二导电织物层3、导电线6和后端电路形成一个回路。在第一导电织物层1的表面的不同位置施加压力，传感器输出电阻随施加压力的位置变化而变化，且输出电阻与施力位置呈 线性关系。通过测量电阻值大小，能够检测施力位置的方位信息(如长度值、角度量等)。 [0061] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0062] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。 |
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