織物拉伸傳感器的制備方法
【專利摘要】本發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，作為天線的介質基片，測試并計算其介電常數和介電損耗；然后根據計算結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律的織物天線結構。本發明將容易拉伸變形的紡織結構與天線元件相結合，實現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；該傳感織物具有結構完整性好，在外力作用下變形穩定均勻、可以預測的特點；產品成本較低，性能穩定，有利于推廣使用。
【專利說明】
織物拉伸傳感器的制備方法
技術領域
[0001] 本發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 術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的發展，信息科學、材料科學等相關技術與傳統紡織品不斷發展融 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。將傳統服裝紡織與電子信息、半導體、無線電通訊等交叉學科的相互結合，成為了傳統 行業與高新技術的一個交匯點，為智能紡織品的蓬勃發展打下了堅實基礎，開辟了全新的 發展領域，擴寬了內涵。電子智能紡織品是傳感、通訊、人工智能等高科技手段應用于紡織 品技術上而開發出的新型紡織品。
[0003] 目前為止，對紡織結構的傳感器已經有了大量的研究。第一階段是將傳統的面料 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構的設計把 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，且無法大規模生產。第 二階段電子智能紡織品發展到把傳感器、處理器、存儲器等電子元件微化，將其與纖維結 合，制作成特種纖維，如導電纖維等，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，但是這種結構仍是將單一功能的傳感元 件、收發信號元件嵌入到紡織品中。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術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] 為了解決上述技術問題，本發明的技術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，作為天線的介質基片，測試并計算其介電 常數和介電損耗；
[0007] 步驟2:根據天線所需的工作頻率和所得到的介電常數，計算天線的輻射元的基本 尺寸，選擇一種彈性導電紗線，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律的織物天線結構；
[0009] 其中，所述高彈紗線和彈性導電紗線的斷裂伸長率均不低于50%。
[0010] 優選地，所述步驟1中，高彈紗線的介電性能為：介電常數2-8,介電損耗角正切 0.00001-0.01〇
[0011] 更優選地，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] 進一步地，所述高彈紗線密度為40-2000dtex，可以通過調整經煒紗線的模量來調 整織物的拉伸傳感靈敏度。
[0013] 優選地，所述步驟1中，織物為三維結構織物或拉伸狀態下結構變化均勻的二維彈 性結構織物。
[0014] 更優選地，所述三維結構織物為三維正交織物、三維角聯鎖織物或三維間隔織物。
[0015] 優選地，所述步驟2中，彈性導電紗線的電導率為103-108s/m。
[0016]更優選地，所述步驟2中，彈性導電紗線為彈性金屬鍍層紗線或彈性金屬包纏紗 線。
[0017] 進一步地，所述彈性金屬鍍層紗線的制作方法為:將彈性紗線在設定預拉伸的情 況下進行金屬電鍍，電鍍結束后釋放預拉伸作用力并回縮，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:彈性紗線在設定預拉伸的情況下，將導電 纖維包纏于芯紗表面，包纏結束后釋放預拉伸作用力并回縮，即可得到彈性金屬包纏紗線。
[0019] 更進一步地，所述設定預拉伸為30%_80%。
[0020] 優選地，所述步驟3中，垂直捆綁紗為柱紗或間隔紗線。
[0021] 優選地，所述織物天線結構基于微帶天線結構、平面天線結構或曲面共形天線結 構。
[0022] 優選地，所述織物天線結構基于對稱振子天線結構或相控陣天線結構。
[0023] 優選地，在拉伸作用下，織物天線結構發生變形，從而導致天線的工作頻率發生變 化;通過對天線信號的監測反推織物天線結構的拉伸變形情況，從而實現織物天線結構拉 伸傳感監測功能。
[0024]優選地，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計織造天線的尺寸。
[0025]優選地，所述天線的工作頻率可隨織物天線結構長度方向的拉伸應變而變化，也 可以隨織物天線結構寬度方向的拉伸應變而變化。
[0026]本發明織物拉伸傳感器采用三維織物制造技術，將彈性導電紗線與高彈紗線織造 成為微帶天線結構，其輻射元、接地板以及饋電線由彈性導電紗線構成，介質基片由介電性 能優良的高彈紗線構成，各個部件通過三維織造工藝織造成為一個整體。當織物發生拉伸 變形時，天線的工作頻率發生變化。通過對天線信號的監測可反推織物的拉伸變形情況，從 而實現織物拉伸傳感監測功能。為多功能紡織品和智能紡織結構提供了一種新的設計思 路。
[0027] 相比現有技術，本發明具有如下有益效果：
[0028] 1、將容易拉伸變形的紡織結構與天線元件相結合，實現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、該傳感織物具有結構完整性好，在外力作用下變形穩定均勻、可以預測的特點；
[0030] 3、該傳感織物具有柔性的紡織結構，可通過調整紗線參數和結構參數控制織物的 拉伸變形，從而調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，產品成本較低，性能穩定，有利于推廣使用，在軍工 國防、人體運動監測、智能服裝與智能結構領域具有廣泛的應用前景。
【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] 下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明 而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人 員可以對本發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利要求書所限定 的范圍。
[0036] 實施例1
[0037]結合圖1，三維正交結構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電紗線，將細度為400dtex的彈性滌綸紗（美國杜 邦公司）預拉伸50%情況下進行化學鍍銀，鍍銀結束后使紗線回縮得到彈性的導電滌綸紗 線。
[0039] (2)設計天線工作頻率為2.5GHz，所制備的三維織物厚度為1.5mm，其介電常數r = 2,根據天線設計理論(參見《天線理論與技術》第六章，鐘順時編著)計算得到單輻射元微帶 天線尺寸參數;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，FD為饋電線的寬度。
[0040] (3)織造單輻射元微帶天線預制件。設計基本結構預制件包括三層，最上層為彈性 導電紗線織造的輻射元結構層;其下層為由彈性滌綸紗線作為經煒紗織造的基體織物層， 基體織物層有兩層經紗和三層煒紗組成，起到支撐輻射元的作用；最下層為彈性導電纖維 織造的接地板層;三層織物結構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，到達饋電線時，繼續 織造后半部分輻射元以及天線結構，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，即完成三維正交結構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關系，利用該對 應關系可以通過監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方向拉伸應變與工作頻率關系
[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度560dtex氨綸紗(江蘇僑新纖維有限公司）線作為 彈性導電紗線。將氨綸紗預拉伸50%情況下，浸漬到多壁碳納米管水性分散液（中國科學院 成都有機化學有限公司）中，待水分烘干揮發后釋放預拉伸作用力，使紗線回縮得到彈性可 拉伸的導電紗線。
[0047] (2)設計天線工作頻率為3GHz，所制備的三維織物厚度為1.3mm，其介電常數r = 2， 根據天線設計理論計算得到單輻射元微帶天線尺寸參數，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，FD為饋電線的寬度。
[0048] (3)織造單輻射元微帶天線預制件。設計基本結構預制件包括三層，最上層為彈性 導電紗線織造的輻射元結構層;其下層為由彈性氨綸紗線作為經煒紗織造的基體織物層， 基體織物層有兩層經紗和三層煒紗組成，起到支撐輻射元的作用；最下層為彈性導電纖維 織造的接地板層;三層織物結構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，到達饋電線時，繼續 織造后半部分輻射元以及天線結構，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，即完成三維正交結構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關系，利用該對應 關系可以通過監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方向拉伸應變與工作頻率關系
【主權項】
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，作為天線的介質基片，測試并計算其介電常數 和介電損耗； 步驟2:根據天線所需的工作頻率和所得到的介電常數，計算天線的輻射元的基本尺 寸，選擇一種彈性導電紗線，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律的織物天線結構； 其中，所述高彈紗線和彈性導電紗線的斷裂伸長率均不低于50%。2. 如權利要求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2-8,介電損耗角正切0.00001-0.01。3. 如權利要求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 物為三維結構織物或拉伸狀態下結構變化均勻的二維彈性結構織物。5. 如權利要求4所述的一種織物拉伸傳感器的制備方法，其特征在于:所述三維結構織 物為三維正交織物、三維角聯鎖織物或三維間隔織物。6. 如權利要求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 性導電紗線的電導率為103-10 8s/m。7. 如權利要求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，彈性導電紗線為彈性金屬鍍層紗線或彈性金屬包纏紗線。8. 如權利要求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:將彈性紗線在設定預拉伸的情況下進行金屬電鍍，電鍍結束后釋放 預拉伸作用力并回縮，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:彈性紗線在設定預拉伸的情況下，將導電纖維 包纏于芯紗表面，包纏結束后釋放預拉伸作用力并回縮，即可得到彈性金屬包纏紗線。9. 如權利要求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 構基于微帶天線結構、平面天線結構或曲面共形天線結構。10. 如權利要求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， 織物天線結構發生變形，從而導致天線的工作頻率發生變化;通過對天線信號的監測反推 織物天線結構的拉伸變形情況，從而實現織物天線結構拉伸傳感監測功能。
【文檔編號】G01N27/00GK105928980SQ201610242678
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月19日
【發明人】許福軍, 王義斌, 朱鴻飛, 謝惺
【申請人】東華大學