織物傳感陣列制備與壓力分布檢測系統設計

王小東，許松林，裴澤光

(東華大學 機械工程學院, 上海 201620)

近年來,物聯網與智能化技術的加速發展使得柔性壓力傳感器成為智能坐墊[1]、可穿戴電子設備[2-4]、電子皮膚[5]等的核心器件。其具有可彎曲、可穿著、易于人機交互等特點,相較于傳統的機械式傳感器和半導體傳感器,在智慧養老[6]、醫療健康[7]、智能紡織品[8]等領域具有更大的優勢,同時,柔性壓力傳感器也正在向著規?；?、集成化、低功耗化方向發展。具有低成本、高性能[9]、可大規模生產的織物壓力傳感器是目前的重點研究方向。

隨著我國人口老齡化[10]的日趨嚴重,獨居老人數量不斷增多,對其生理信號進行實時監測成為必然趨勢。此外,老年人身體機能老化,相較于年輕人更容易發生意外摔倒且摔倒后更容易造成嚴重后果[11],事實上,摔倒已經成為目前導致老年人受傷、住院治療,甚至引起死亡的首要原因。因此,為老年人提供一種實用且專業可靠的跌倒檢測系統尤為重要。目前針對跌倒檢測系統的研究,總體上可分為可穿戴[12]和不可穿戴兩方面。周坤[13]設計了一種基于九軸運動傳感器的可穿戴跌倒檢測系統,根據人體姿態信息設計跌倒檢測算法以檢測老人是否摔倒?；诩铀俣扔?、陀螺儀等微機電系統設計的可穿戴摔倒檢測系統具有體積小、能耗低、易攜帶等優點,但是其費用較高且需要固定于人體的某一特定部位,這可能導致老人生活不便,因此大量的獨居老人并不傾向于使用這種系統來監測自身安全。不可穿戴系統中,最為常用的是基于視覺技術的摔倒檢測方法。其采用監控攝像頭采集老人活動視頻,經過圖像處理來判斷老人是否發生摔倒。Yu等[14]提出了一種基于視頻信息的模糊算法來提供一種高效便捷的跌倒檢測系統,但其受光線等影響較大、成本較高,且不利于保護生活隱私。徐世文[15]基于紅外線技術構建了居家摔倒檢測系統,通過紅外相機獲取人體紅外圖像,以人體標定的關鍵點為檢測目標進行判斷。Yu等[16]設計了一種可用于摔倒檢測的自供電壓敏式地毯,其基于可鑲嵌于紡織品中的摩擦電納米發生器,結合含有導電纖維的面料開發而成,為摔倒檢測提供了高靈敏度、高響應速度,但來自傳感單元之間接觸的干擾信號,會影響該檢測系統的準確性。本文開發了一種低成本的織物壓力傳感陣列,并基于該陣列設計了壓力分布檢測系統,根據獨居老人在陣列上的足底壓力分布,來觀測老人的居家活動,針對摔倒等突發情況,及時給予報警、通知家屬等幫助。

1 織物壓力傳感陣列的制備

本文設計的織物傳感陣列主要由基底織物、鍍銀導電紗線、非導電紗線、柔性壓力傳感單元組成。圖1為織物傳感陣列的整體結構示意圖。

1—經向鍍銀導電紗線;2—柔性壓力傳感單元;3—緯向鍍銀導電紗線;4—基底織物;5—經向非導電紗線;6—緯向非導電紗線。圖1 織物傳感陣列結構示意圖Fig.1 Structural diagram of fabric sensing array

一組若干鍍銀導電紗線沿著基底織物的經向以10 mm的間隔均勻排列在基底織物的正面,另一組若干鍍銀導電紗線沿著基底織物的緯向以10 mm的間隔均勻排列在經向鍍銀導電紗線的上方,在上下兩組鍍銀導電紗線的交會處均設置直徑為3 mm的圓形壓力傳感單元,使得兩組鍍銀導電紗線與壓力傳感單元上下相互接觸實現電路連通。在基底織物的反面,若干非導電紗線沿基底織物的經向間隔地排列在基底織物上,并與經向鍍銀導電紗線的位置一一對應,另一組若干非導電紗線沿著基底織物的緯向間隔地排列在經向非導電紗線的上面,并與緯向鍍銀導電紗線的位置一一對應。

1.1 試驗材料選擇

基底織物采用純滌平紋機織布料,鍍銀導電紗線采用規格為77.78 dtex/2,電阻為8.6 Ω/cm的類型。非導電紗線采用規格為40 S(14.76 dtex)/2的滌綸縫紉線。柔性壓力傳感單元由導電材料、高分子材料和有機溶劑組成,其中導電材料為直徑為30 nm的碳黑粉末,相較于金屬顆粒和導電陶瓷材料,碳黑粉末除了具有同樣良好的導電性之外,還具有較低的逾滲濃度,在高分子材料中不易發生團聚,且成本更低。高分子材料采用質量分數為30%的HK-3050型聚氨基甲酸酯(簡稱聚氨酯,分子量為30 000 Da)溶液,有機溶劑采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液。

1.2 制備工藝

1.2.1 導電復合溶液的配制

在制備織物壓力傳感陣列之前,需要先配制導電復合溶液,以備后續制作壓力傳感單元。導電復合溶液配制流程如圖2所示。

圖2 導電復合溶液配制流程圖Fig.2 Flow chart of the preparation of conductive composite solution

導電復合溶液配制具體操作流程共分為5個步驟:

1)采用JJ224BC型電子天平稱取20 g質量分數為30%的聚氨酯溶液倒入燒杯中。

2)取10 mL的DMF溶劑與聚氨酯溶液混合,以降低聚氨酯溶液濃度,從而使后續加入的碳黑粉末在聚氨酯溶液中更好地進行分散。

3)采用電子天平稱取2 g 碳黑粉末加入燒杯中與聚氨酯溶液混合形成復合溶液。碳黑粉末的質量mc可由式(1)求得:

(1)

式中:m為聚氨酯溶液的質量,g;mc為碳黑粉末的質量,g;w為壓力傳感單元中所含碳黑粉末的質量百分比(w為25%)。

4)使用玻璃棒在燒杯中手動攪拌3 min,對復合溶液進行預分散。

5)將預分散好的復合溶液送入SCIENTZ-750F型超聲波分散儀中。為提高分散頻率,促進碳黑在聚氨酯溶液中充分分散,設定超聲波分散儀功率為滿量程的60%,分散時間為40 min,間歇時間為4 s。

1.2.2 工藝流程

采用絲網印刷法在織物上制備壓力傳感陣列。相比傳統的涂覆法,雖然絲網印刷法對溶液性能要求更高,但是其可以得到圖案精度更高、厚度均勻的傳感陣列,更符合大規模制備的條件。圖3為制備織物壓力傳感陣列具體工藝流程,共包括4個步驟:

圖3 制備織物壓力傳感陣列的工藝流程Fig.3 Process of fabricating the fabric pressure sensing array

1)采用DDL-9000B-SS型縫紉機用鎖縫法將鍍銀導電紗線和非導電滌綸縫紉線以10 mm間隔沿經向分別均勻地縫制在基底織物的正面和反面。這使得鍍銀導電紗線與非導電滌綸縫紉線在基底織物的內部形成牢固的線圈鎖扣,從而固定住了鍍銀紗線。

2)采用絲網印刷方法,在掩模上制成直徑為3 mm、中心距為10 mm的6×6圓孔陣列。將導電復合溶液均勻地印刷在經向鍍銀導電紗線及其附近的織物上,然后浸入水中3 s,使導電復合溶液迅速成型。

3)將印刷好的織物放入PCD-E6000型干燥箱中烘干,烘干溫度為30 ℃,時間為30 min。導電復合溶液中的DMF溶劑析出,使得碳黑/聚氨酯導電復合材料凝固,形成壓力傳感單元的陣列。

4)取出烘干后的織物,用縫紉機的鎖縫法將鍍銀導電紗線和非導電滌綸縫紉線以10 mm間隔均勻的沿著緯向分別縫制在織物的正面和反面。該方法將壓力傳感單元置于經向鍍銀導電紗線和緯向鍍銀導電紗線的交會處,從而使得經、緯鍍銀導電紗線通過壓力傳感單元實現電路導通,如圖4所示。

1—經向鍍銀導電紗線;2—壓力傳感單元;3—緯向鍍銀導電紗線;4—基底織物;5—線圈鎖扣;6—經向非導電紗線;7—緯向非導電紗線。圖4 織物壓力傳感陣列橫截面示意圖Fig.4 Diagram of the cross section of the fabric pressure sensing array

2 柔性壓力傳感單元的性能研究

對織物壓力傳感陣列中的壓力傳感單元進行電力學試驗,以評估其傳感性能?？紤]到老年人的體重值分布范圍大,織物壓力傳感陣列應具有盡可能大的壓力檢測范圍。對于下列試驗中進行的壓力-電阻試驗,依據一個體重為80 kg、足底面積約400 cm2的男性[17]所產生的足底壓力為標準,計算出試驗中施加在織物壓力傳感陣列上的壓力。傳感陣列中每個傳感單元的面積為0.07 cm2,由式(2)可計算該織物壓力傳感陣列在受壓時單個壓力傳感單元所受到的力(F):

(2)

式中:mp為男性的體重,mp=80 kg;g為重力加速度,g=9.80 N/kg;S1為男性足底面積,S1=400 cm2;S2為單個傳感單元的面積,S2=0.07 cm2。

計算得到F=0.14 N。根據預試驗發現計算得到的壓力值F小于壓力傳感單元的壓力檢測上限(0.30 N)。此外,考慮到老年人群中還存在一部分大體重群體,因此本試驗中所施加的力的最大值取0.30 N。

隨機選取織物壓力傳感陣列中的一個傳感單元,對其進行加壓和釋壓試驗,以研究電阻值隨壓力的變化情況。將該傳感單元處相交的緯向鍍銀導電紗線和經向鍍銀導電紗線分別通過導線接入TH2832型數字電橋的2個外接測試夾子,并對壓力傳感單元的電阻值進行記錄。然后將壓力傳感單元置于ZQ-990LB型電動萬能拉伸試驗機的正下方,如圖5(a)所示。加載時測試壓力設置為0～0.3 N,卸載時測試壓力設置為0.3～0 N,壓力施加速度設置為0.05 N/s。從圖5(b)可以看出,加壓時,傳感單元受壓變薄,使得傳感單元與其上下2個鍍銀導電紗線中的銀纖維束之間的間距減小且接觸點增多,從而電阻值下降。同理,壓力卸載時,傳感單元由薄變厚至初始厚度,電阻值升高至初始值附近,顯示出較好的壓阻效應。

圖5 傳感單元電力學性能的測試過程與 加載-卸載測試曲線Fig.5 Testing process of the electromechanical properties of the sensing unit and its loading-unloading testing result

對圖5(b)加載-卸載的離散測點進行曲線擬合,結果如圖6、圖7所示。加載離散測點的擬合結果如式(3)所示,擬合優度的確定系數為0.984。

圖7 壓力卸載擬合曲線Fig.7 Fitting curve for the pressure unloading data

R(x)=1 874.8e-9.436x+628.4

(3)

卸載離散曲線的擬合如式(4)所示,擬合優度的確定系數為0.994。

R(x)=1 893.2e-10.022x+639.2

(4)

式中:因變量R為電阻值;自變量x為施加的壓力值。

在0、11.6、25.0 kPa壓強作用下,分別計算加載和卸載時傳感單元的靈敏度,以反映一定壓強變化下傳感單元的電阻變化率。計算結果如表1所示,其中,0 kPa對應的壓力值為0 N,11.6 kPa對應的壓力值為0.14 N,25.0 kPa對應的壓力值為0.30 N。由此可知,傳感單元的靈敏度隨著壓強的增大而降低。

表1 不同壓強下傳感單元的靈敏度Table 1 Sensitivity of sensing unit under different pressures

此外,為了表征織物壓力傳感陣列所能承受的壓強范圍和電阻變化范圍,對上述6×6的織物壓力傳感陣列的所有傳感單元進行加壓測試,取平均值,并計算標準差,得到傳感單元壓強-電阻曲線,如圖8所示。由圖8結果可知:壓強從0 kPa增加到接近25 kPa時,傳感單元電阻平均值從2 500 Ω左右快速降低到最低響應電阻500 Ω附近;傳感單元的電阻值標準差較大,這是由于手工印刷與縫制導致的傳感單元電阻一致性較差。后續將通過采用機器印刷、自動縫制和數據處理算法對這一問題進行改善。

圖8 傳感單元的壓強-電阻曲線Fig.8 Curve of the pressure-resistance relationship for the sensing unit

為了探究織物壓力傳感陣列的電力學穩定性,隨機選取一個壓力傳感單元,利用電動萬能拉伸試驗機對其施加垂直于其表面方向的周期性交變壓力0—0.3—0 N,循環施壓16個周期,壓力作用頻率為1/12 Hz。周期性交變壓力作用下的壓力-電阻曲線如圖9所示。由圖9可知,在交變壓力作用下,電阻值始終隨著壓力的變化而變化,當壓力值升高達到最大值0.3 N時,電阻值也迅速降低至最小值,反之,當壓力值降低至0 N時,電阻值也隨之回到初始值附近。在這個過程中,傳感單元的電阻值隨壓力的變化而顯著變化。由于傳感單元在卸壓后變形回復時會存在一定的滯后性,釋壓回彈時無法完全恢復至初始值,使得整體平均的電阻值呈現略微下降的趨勢,但整體上可保持較好的穩定性,表明本文設計的織物壓力傳感陣列傳感單元具有良好的電力學重復性。

圖9 周期性交變壓力作用下傳感單元的壓力-電阻曲線Fig.9 Curve of the pressure-resistance relationship for the sensing unit under cyclic loading-unloading

3 壓力分布檢測系統設計

在上述工作的基礎上,設計了壓力分布檢測系統,如圖10所示。

該系統中將織物壓力傳感陣列中的經向鍍銀導電紗線和緯向鍍銀導電紗線分別與多路復用器1(MUX1)和多路復用器2(MUX2)進行電連接。將控制模塊(Arduino Uno R3)的輸入和輸出分別接入MUX1和MUX2,通過多路復用實現對織物壓力傳感陣列中的每一個壓力傳感單元進行編址和測量電阻。對壓力分布檢測系統的檢測效果進行了測試,受試者站立于柔性壓力傳感陣列上,將采集到的每個傳感單元的電阻值代入上述加載擬合式(3)中,求得對應的壓力值并將其轉換為壓強,以繪制足底壓力分布云圖,如圖11所示。后續研究將在控制模塊的另一端接入無線通信模塊(NodeMcu),以實現遠程讀取每一個傳感單元的電阻值,通過分析這些電阻值的變化,將壓力分布檢測系統應用于居家老人的摔倒檢測,此外該系統還可以應用于人體坐姿遠程監測、身份識別、家庭安防等領域。

圖11 足底壓力分布圖Fig.11 Plantar pressure distribution of human body

4 結 語

本文制備了一種柔性壓力傳感器,將柔性壓力傳感器與導電紗線進行電連接,構建了織物壓力傳感陣列,并對該織物壓力傳感陣列的電力學性能進行測試,結果表明其具有可靠的電力學穩定性和重復性。利用Arduino Uno控制器和多路復用器對傳感陣列中所有傳感單元進行編址,并實現電阻值實時測量,結合本文設計的壓力分布檢測系統獲得了人體足底壓力云圖。研究表明,該織物壓力傳感陣列及壓力分布檢測系統具有穩定性好、成本低、響應范圍廣的優點,可以更好地監測老人摔倒現象,且其在醫療健康、智能家居、機器觸覺等領域均有廣泛的應用前景。