智能纺织品中的柔性传感器及其应用

Vol. 4 No 3Jua. 2019

第4卷第3期2019年6月

服装学报

Journal of Clothing Research

智能纺织品中的柔性传感器及其应用

温雯，方方*

(东华大学服装与艺术设计学院，上海200051)

摘要：传感器是智能纺织0实现智能化的核心部分，柔性传感器以其柔软、可弯曲拉伸和电学性

能优异等特I,在可穿戴智能纺织0中发挥着重要的作用。以传感器工作原理为分类依据，综述

了近年来用于智能纺织0的柔性传感器研究进展，分别介绍不同传感器的感知机理、传感材料以 及应用现状等；总结了目前用于智能纺织0的柔性传感器主要研究方向：生理参数检测、压力检 测、动作检测，并对3个研究方向的应用进行综述。在此基础上指出了智能柔性传感器存在的问 题及其发展前景。

关键词：可穿戴技术;智能纺织品；柔性传感器;智能纺织材料

中图分类号:TP019.4 文献标志码：A 文章编号：2096 -1928(2019)03 -0223 -07

Application and Research Progress of Flexible Sensor for Smart Textiles

WENWea , FANG Fang *

(CoUege of Fashion and Design,Doughrn University, Shanghai 200051, Chian)

Abstroh : Season arc the corn of smart textiles to achieve intellineace , and flexitle season with soft , flexible , stretch and other characteristics piny an important role in wearable smart textiles. Based ou the seasing principle of season widely used in ccrreat ayplicanou , this paper reviews the research prooress of flexible season used in 1111:611106x 0 1:6x 111x 0 in recent years

from the perception mechanism , s ensing materialn and ayplicatiou status of diPerect secsors. The main research dmections of chrrect fexible sensor arc sommarizep , that is pressure mommring research , physiolooichi mommring research and acticm

recounibou research. Moreover, the paper points dt the problems and development prospect of intellipent fexible sensors.

Key words ：wearable techaoloey , smart textile ,eexible sensor, smart textile materiai

智能纺织品是指将电子、计算机、生物、材料等 高新技术融入纺织服装中,使纺织服装能够模拟生 命系统,具有感知和反应双重功能3］等，其中传感

器是智能纺织品能够感知和反馈外界环境变化的 一个关键部件。随着人们对智能纺织品的要求越

来越高,对传感器测量的范围、精度和稳定性等方 面的期望值也逐步提高，同时希望传感器还能够具 有柔韧、延展、便于携带和折叠等特点。近年来，可

穿戴式柔性传感器技术的发展成为智能纺织品研 究领域的一大热点［3］,柔性传感器与纺织材料相结

合,使得智能纺织品在实现智能化的同时,还能够 保持织物的柔软、舒适等特性⑷,在医疗健康监测、

健身运动、军事、航空航天等领域发挥着重要的作

用［5］。文中根据不同的感知机理将现有柔性传感 器分为柔性压力-电学传感器和柔性应变-电学传感

器，介绍了这两类传感器的研究进展及其在人体生 理参数、压力以及运动监测方面的最新应用。

1柔性传感器的分类及特点

智能纺织品通常由3部分组成:传感器、致动 器和控制单元［67］ 0作为可穿戴式的柔性监测装

置，传感器需嵌入纺织品中，并能充分接触人体皮

， 测 的体 数 ，

人

体正常的活动，保持一定的穿着舒适性。目前用于

收稿日期S018 -06 -03；修订日期：2018 -10-10。

作者简介:温雯(1994—),女,硕士研究生。

*通信作者:方 方(1674—),女，副教授,硕士生导师。主要研究方向为服装数字化和服装人体工效学

Email : fangfang @ dhu. ePu. ch

-224-服装学报第4卷

智能纺织品的柔性传感器种类较多，分类方式各异。如按信号转换机理分类,柔性传感器主要包括电容式、电阻式、电感式、光纤式柔性传感器等⑻;按织物结构分类，柔性传感器主要包括基于针织结构的柔性传感器⑼和基于机织结构的柔性传感器叫

有效地将外部刺激转换为电信号是柔性传感器应用的关键技术。根据传感器不同的电信号转换机制与工作原理，可将常见的技术相对成熟、使用范围较广的传感器分为4类:以压力-电学为主的柔性传感器、以应变-电学为主的柔性传感器、柔性光纤传感器以及柔性气敏传感器。

1.1柔性压力-电学传感器

柔性压力-电学传感器包括柔性电容式传感器、柔性压阻式传感器、柔性压电式传感器等,通过被测物体在压力作用下电容、电流或电压的变化，进而间接探测外界压力的变化。由于柔性压力-电学传感器具有较高的测试灵敏度和精确度，故得到广泛运用。

柔性电容式传感器一般采用柔性材料（导电薄膜、纤维、纱线、织物等）作为电容器极板,并以泡沫、橡胶等为间隔层，根据电容器工作原理,传感器将感知压力或剪切力的变化量传递给用户［11 ］o这种柔性传感器可与纺织品结合，制备出能够感知外力变化、结构简单、灵敏度高且柔软易变形的智能纺织品，其最大的优势在于可实现对微小静态外力的检测。

相比于电容式传感器，柔性压阻式传感器具有尺寸小、形式多样、分辨率高且易与纺织品结合的特点。压阻式传感器是根据材料的压阻效应以及集成电路制成的传感器［1213］，受压力作用时，由于传感材料内部金属粒子之间发生转移，从而产生导电性，通过测量电阻的变化推断施加压力的大小。该传感器通常采用碳系材料或石墨烯等灵敏系数大、具有良好压阻性能的复合材料作为压阻材料。将该传感器与纺织品结合可用于测量作用于织物上的压力、加速度等参数。但是，基于压阻和电容信号机制的压力传感器存在着信号串扰等问题，影其测量o

柔性压电式传感器是通过对压电材料施加压力后产生压电效应而制成的传感器［14］o其中压电材料是指在机械压力下可产生电荷的特殊材料，目前多采用压电系数高且灵敏度高的导电材料复合压电薄膜或偏聚氟乙烯（PVDF）薄膜等。采用压电薄膜制成的智能纺织品可检测人体部位弯曲时所产生的压力，或对人体足底步态稳定性进行检测等，具有灵敏度高、结构设计简易且性能稳定等优点。由于输出的是电压信号，因此柔性压电式传感器在电路设计以及信号采集上相对简单，灵敏度高且信噪比高;但这类传感器会产生电荷泄露，输出的流应等o

11柔性应变-电学传感器

柔性应变-电学传感器是一种具有“应变-电阻效应”的传感器,如拉阻式传感器等。柔性拉阻式传感器也称柔性应变传感器飞］，其原理与压阻式传感器相同，即材料、织物受到机械应力作用后，传感器本身的电信号发生变化,可将被测物体上局部形变转换成直观可测的电学变化。此类传感器的制备成本低，且测试原理以及采集方式简易，具有舒适性佳、灵敏度高等优点。在智能纺织品领域，这种传感器通常按照制备方式分类，主要包括柔性涂层式应变传感器和柔性嵌织式应变传感器。

涂层式应变传感器以聚毗咯涂层柔性传感器口句为代表，通过在织物表面以涂层加工形式（如印花、印刷、拼贴）涂覆导电高分子聚合物制得织物柔性应变传感器。涂覆原料通常选择碳系复合涂层"］，这种高分子导电涂层在织物上有很好的附着力，同时具有良好的灵敏度和线性相关度;但存在层工、易层等o 嵌织式应变传感器以导电纤维、纱线材料为主要传感元件，可采用机织或针织的交织方式制备相应的导电纺织品。通过纱线线圈结构在应变力作用下产生的形变影响电阻变化，实现测量。常用的纺织用导电纤维材料包括3种类型：金属导电纤维、碳纤维和有机导电纤维”〕o其中复合型有机导电纤维是将具备导电能的纱线其纱线过包芯纱等复合方式得到复合导电纱线，其综合性能最为优良。由导电纤维纱线制备而成的应变传感器具有灵敏度优良且测量方便、穿戴舒适性高的优点;但由于线圈结构的特殊性，对于可穿戴纺织品而言,其耐水洗性、可重复性仍需要进一步改善。

1.1柔性光纤传感器

柔性光纤传感器是利用光导纤维的传光特性,把被测物理量转换为光特性变化的传感器］o其中光包括光的、、等

参量。相较于传统的柔性电阻式传感器，柔性光纤传感器具有量、高、应、重复好以及稳定性高、成本低等优势。目前国内外文献中，探讨将光纤织入纺织品中构成光纤传感器。光纤传感器除了能够感知压力、温度、速度、振动和角