本征导电纤维集合体的电—力学性能及其作为应变、压力传感器的性能分析

论文摘要

随着高新技术对传统纺织行业的渗透，纺织品正在日益功能化，智能化。智能纺织品就是纺织品发展的一个新领域。纺织品作为传感器具有其独特的优点：柔软、可穿着、透气、轻薄、造价低等。利用导电纺织结构的电—力学性能作为传感器的应用已经得到了一些研究小组的重视，因为在下一代电子产品中，可穿着将是一个崭新的应用领域。目前大多数的纺织结构传感器是基于导电高分子材料，这种材料具有很多优点：易合成，敏感度高等，但是也具有其缺点：环境稳定性差、不耐高温、毒性等，所以，在没有克服这些缺点之前，本征导电纺织结构传感器是一个很好的替代，它具有环境稳定性好、耐高温、制作简单等优点。虽然已经有很多成功的本征导电纺织品作为拉、压传感器的应用实例，但是缺乏一个系统的关于本征导电纺织结构作为拉伸、压力传感器的机理研究。多数的研究是基于其宏观电—力学性能的研究。本文提出了本征导电纺织结构作为拉力、压力传感器应用的机理。从纤维—纤维集合体—织物结构的电—力学性能分析，找到纺织结构作为拉力、压力传感器应用的传感机理。并对每一层次结构的电—力学性能进行模型与实验分析，找到影响纺织结构作为传感器的主要影响因素及其最佳的设计形式。同时对设计的传感器进行了性能分析，与模型分析的结果做对比，验证模型，设计高性能传感器。通过本课题的研究发现，拉力、压力传感器的传感原理就是纱线与纱线之间的接触电阻随外界应力的变化而变化。如何设计出合理的纤维、纱线和织物结构是决定传感器性能好坏的主要因素。同时纤维的本身力学性能、表面状况也是影响传感器性能的重要因素。通过实验发现，作为应变传感器，短纤维纱线因为其可以提供更多的接触电阻而优于长丝纱。弯曲刚度大的纤维具有更好的回复性，低的滞后性。表面光滑的纤维有利于传感器的回复性。相对于机织物与非织造物，针织物结构可以抵抗大的变形而作为大应变传感器。同时其结构可以提供特殊结构的纱线之间接触的线圈来实现织物的传感特性。对于单编链结构应变传感器，织物密度是影响传感器性能的主要因素。对于压力分布传感器，机织结构因其可以提供规则的接触电阻“栅格”以及对侧向压力敏感而作为压力分布传感器的主要结构。本研究使用刺绣的方法来实现两个系统纱线的接触电阻“栅格”的规则分布。实验发现在接触点使用硅胶涂层可以提高接触电阻—应力的敏感度、回复性，同时可以扩大感应范围。对于引线，相对于全扫描电路，单独引线以及“共地”都可以降低电流之间的干扰效应。同时介绍了这些传感器的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 导电纺织品的出现及其发展趋势
• 1.1.1 可穿着电子纺织品的出现
• 1.1.2 导电纺织品的出现
• 1.1.3 导电纺织品的应用
• 1.2 导电纺织品在传感领域的应用
• 1.3 本课题的研究内容及创新点
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究的创新性
• 本章小结
• 参考文献
• 第2章 本征导电纤维及纤维集合体的电—力学性能
• 2.1 单根纤维的导电机理及电—力学性能
• 2.1.1 导电金属纤维
• 2.1.1.1 静态电阻
• 2.1.1.2 电—力学性能
• 2.1.2 导电碳纤维
• 2.1.2.1 静态电阻
• 2.1.2.2 电—力学性能
• 2.2 多纤维的导电机理及电—力学性能
• 2.2.1 两根单纤维的接触
• 2.2.2 连续长丝纱的电—力学性能
• 2.2.2.1 机理
• 2.2.2.2 实验材料及方法
• 2.2.2.3 实验结果
• 2.2.3 短纤维纱线的电—力学性质
• 2.2.3.1 机理
• 2.2.3.2 实验材料及方法
• 2.2.3.2.1 实验材料
• 2.2.3.2.2 实验方法
• 2.2.3.2.3 实验结果
• 2.2.4 两根相交纱线的电—力学性能
• 2.2.4.1 两根长丝纱的相交
• 2.2.4.1.1 机理
• 2.2.4.1.1.1 电学模型
• 2.2.4.1.1.2 实验材料及方法
• 2.2.4.1.1.2.1 实验材料
• 2.2.4.1.1.2.2 实验方法
• 2.2.4.1.3 实验结果
• 本章小节
• 参考文献
• 第3章 本征导电织物的电—力学性能
• 3.1 织物结构及其导电机理
• 3.1.1 机织物
• 3.1.2 针织物
• 3.1.2.1 织物结构
• 3.1.2.2 导电机理及模型
• 3.1.2.2.1 单个线圈的导电模型
• 3.1.2.2.2 织物的导电模型及其解析解
• 3.1.2.2.2.1 织物的导电模型
• 3.1.2.2.2.2 织物的导电模型的解析解
• 3.1.2.3 模型的模拟
• l和接触电阻R_c的计算'>3.1.2.3.1 长度电阻R_l和接触电阻R_c的计算
• 3.1.2.3.2 线圈的力学结构模型
• 3.1.2.4 实验
• 3.1.2.4.1 长度的测量
• 3.1.2.4.2 纱线接触电阻与接触压力之间的关系
• 3.1.2.4.3 织物的电阻拉力之间的关系
• 3.1.2.4.4 实验结果
• 3.1.2.4.4.1 长度的测量结果
• 3.1.2.4.4.2 接触电阻与接触力的关系
• 3.1.2.4.4.3 织物的电阻拉力之间的关系
• 3.1.2.5 模拟结果
• 3.1.3 非织造
• 本章小节
• 参考文献
• 第4章 本征导电织物应变传感器
• 4.1 传感原理
• 4.1.1 传统传感器设计原理
• 4.1.2 纺织结构应变传感器
• 4.2 结构设计
• 4.2.1 原理分析
• 4.2.2 结构设计分析
• 4.3 材料及制作
• 4.3.1 材料
• 4.3.2 制作
• 4.3.2.1 不锈钢连续长丝织物
• 4.3.2.2 碳短纤维织物
• 4.4 性能分析
• 4.4.1 实验方法
• 4.4.2 实验结果
• 4.4.3 影响因素
• 4.4.3.1 拉伸速度的影响
• 4.4.3.2 温度的影响
• 4.4.3.3 密度的影响
• 4.4.3.3.1 对敏感度的影响
• 4.4.3.3.2 对线性度的影响
• 4.4.3.3.3 对重复性的影响
• 4.4.3.3.4 对滞后性的影响
• 4.4.3.3.5 对应变测试范围的影响
• 4.4.3.4 织物结构的影响
• 4.4.3.4.1 模型分析
• 4.4.3.4.2 实验分析
• 4.4.4 环境稳定性
• 4.5 传感器应用
• 本章小节
• 参考文献
• 第5章 本征导电织物压力分布传感器
• 5.1 传感原理
• 5.1.1 传统压力分布传感器设计原理
• 5.1.2 织物压力传感器传感原理
• 5.1.2.1 传感单元（压力大小的测试）
• 5.1.2.2 扫描电路（压力分布的测试）
• 5.1.3 织物压力传感器制作原理
• 5.2 制作
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 制作工艺
• 5.2.3 传感元性能测试
• 5.2.4 电阻变化量（敏感度）的提高
• 5.2.5 涂层厚度的影响
• 5.2.6 涂层对感应区域的影响
• 5.3 硬件与软件
• 5.3.1 扫描电路原理与硬件
• 5.3.2 干扰（Crosstalk）分析及其解决方法
• 5.3.3 实验结果
• 5.3.4 应用
• 本章小节
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文情况