畢業(yè)論文--呼吸帶的研制

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 研究背景</b></p><p>　　隨著科技科學技術(shù)的進步,智能紡織品作為新興產(chǎn)業(yè)，開始進入人們的生活。除傳統(tǒng)紡織品的服用和裝飾用功能，其在航天、軍事、醫(yī)療等方面發(fā)揮著重要作用。電子織物，又稱智能布塊，一方面具備可穿戴和外觀柔順等一般性質(zhì)，另一方面可以監(jiān)測環(huán)境

2、事件、進行計算任務(wù)和具備無線通信能力。計算、通信、電池與連接部件做為織物內(nèi)在的組成部分，“隱”于織物之中。織物系統(tǒng)可收集敏感信息、監(jiān)測環(huán)境事件并借助無線信道將數(shù)據(jù)傳送至外部網(wǎng)絡(luò)，以供進一步地計算處理。智能布塊廣泛存在于日常生活的各個領(lǐng)域，具備非干擾（CP1HTUCNKVG）和泛在的特點。電子織物蘊含“布塊即為計算機”的理念，為實現(xiàn)穿戴式或者非穿戴式信息系統(tǒng)提供了全新的計算平臺，被視為普適計算的理想載體。</p><p

3、>　　通過把計算、通信、感知和執(zhí)行功能整合到織物之中，傳統(tǒng)概念上被動、泛在的紡織品轉(zhuǎn)變?yōu)榻换ァ⒅悄艿奈锫?lián)信息感知與處理前端，使信息網(wǎng)絡(luò)的觸角以更為透明的方式延伸到人們生活中的方方面面，也使信息系統(tǒng)能覆蓋到愈加廣闊的物理世界。具體還表現(xiàn)在，電子織物以非干擾的“人-衣”接口，實現(xiàn)系統(tǒng)所覆蓋物理空間中監(jiān)測對象的局部物聯(lián)，支持、傳感、計算、通信資源的數(shù)據(jù)共享。物理感知信息經(jīng)電子織物處理后，連接至其它織物系統(tǒng)或云端，同時還實現(xiàn)了物聯(lián)對象到各

4、級計算資源的安全、無障礙訪問。因此，它也是物聯(lián)網(wǎng)的一種重要使能部件[1]。</p><p>　　當今隨社會的發(fā)展，老齡人口增加和患慢性病青少年人數(shù)上升,加上人們對健康意識的增強,個人身體的健康狀況愈加受到人們的關(guān)注。在這種情況下，推動醫(yī)療方式從以癥狀治療為中心的傳統(tǒng)模式向以預(yù)防為主、早診斷、早治療的模式轉(zhuǎn)變。其中，醫(yī)療儀器的發(fā)展也開始從復(fù)雜的、應(yīng)用于醫(yī)院的大型醫(yī)療設(shè)備,轉(zhuǎn)向既適用于醫(yī)院又適用于家庭和個人的小型穿戴

5、式,甚至是植人式裝置。另一方面,一些特殊領(lǐng)域和行業(yè),如航空航天、深水作業(yè)和運動員訓練等對穿戴式醫(yī)療儀器也有很廣泛和迫切的需求。</p><p><b>　　1.2 研究意義</b></p><p>　　醫(yī)學中，心電、呼吸、血壓、體溫、體動等基本人體生理參數(shù)中蘊涵著豐富的人體健康信息,而生理參數(shù)的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測為了解相關(guān)系統(tǒng)的生理、病理狀況提供了豐富信息,如動態(tài)心電監(jiān)測(

6、Holter)、動態(tài)血壓監(jiān)測(AM BP)等[2]。但呼吸監(jiān)測遠沒有像心電監(jiān)測那樣得到重視和推廣,但呼吸模式監(jiān)測可以獲得豐富的生理/病理信息。呼吸信息可以通過口鼻氣流、電阻抗體積描記以及拉阻呼吸描記技術(shù)等技術(shù)來獲取,相比較而言,口鼻氣流佩帶不方便,可穿戴呼吸測試衣物是發(fā)展可穿戴系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。</p><p>　　在呼吸生理學領(lǐng)域呼吸帶已經(jīng)有了很廣泛的利用，而在語言學領(lǐng)域，呼吸帶主要用于言語呼吸動力及朗讀節(jié)奏的研

7、究。呼吸信號對應(yīng)人的生理言語表達過程中吸氣和呼氣過程。目前主要用于漢語普通話和民族語言的詩歌、小說、散文、新聞等不同文體朗讀時的呼吸韻律特性研究[3]。</p><p>　　1.3 研究目標與內(nèi)容</p><p>　　旨在提供一種性能優(yōu)良，能夠準確記錄胸腹呼吸信號的呼吸帶。</p><p>　　研究主要通過對呼吸帶進行壓阻傳感器設(shè)計，并選取適合實驗的器材和材料進行制

8、作，對得到的產(chǎn)品進行測試改良，最終得到課題要求的呼吸帶。能夠穩(wěn)定的測量呼吸信號同時，保證織物的穩(wěn)定性，長久有效工作。</p><p><b>　　1.4 章節(jié)安排</b></p><p>　　第一章，緒論。對本課題的研究背景、研究意義、研究目標和內(nèi)容進行簡要概述，有邏輯地對論文整體結(jié)構(gòu)進行排版。</p><p>　　第二章，文獻綜述。簡要闡述了

9、可穿戴呼吸測量方法的發(fā)展現(xiàn)狀，并綜述了作為關(guān)鍵材料之一的導電纖維研究狀況，其中對導電纖維和織物傳感器兩個研究方向進行了簡要說明，概述了近些年的研究方法和內(nèi)容，以此作為本課題的研究基礎(chǔ)。</p><p>　　第三章，呼吸帶的方案設(shè)計。對呼吸帶傳感器進行設(shè)計，樣品制作方法，分析選取導電紗線及基布和硅膠，設(shè)計試驗方法。</p><p>　　第四章，呼吸帶壓阻傳感器的實驗與分析。按照試驗方法和參數(shù)

10、進行實驗，分析實驗過程中存在的問題并不斷對產(chǎn)品進行改良，最終得到符合要求的傳感器。</p><p>　　第五章，結(jié)論與展望。對本課題的研究進行歸納總結(jié)，并對現(xiàn)有方案的不足之處及以后相關(guān)的研究工作進行了展望，期望在后續(xù)試驗中提出更有價值和意義的方法。</p><p><b>　　2文獻綜述</b></p><p>　　2.1 可穿戴呼吸測量方法&

11、lt;/p><p>　　2.1.1 電感應(yīng)體積描記技術(shù)</p><p>　　物體橫截面積的變化可以通過電磁感應(yīng)測量，可用在呼吸測量中，用來反映胸部輪廓的擴張與收縮。其原理是將彎成弧狀的絕緣線圈，恰當?shù)沫h(huán)繞在人體的胸腹部，并在其中接入交變電流，由電磁感應(yīng)現(xiàn)象生成磁場。隨人體呼吸時胸腹部的變化，線圈磁通量亦變化并自身產(chǎn)生感應(yīng)電流來抵制外接的交變電流。此時調(diào)節(jié)恰當?shù)碾娙?，電感參?shù)，使線路發(fā)生諧振，使

12、功耗全為電阻熱。線路中隨時間電感變化導致諧振條件變化，運用調(diào)頻-檢波或調(diào)頻-撿頻思路獲得對呼吸信號的監(jiān)測[4]。通過電磁感應(yīng)體積掃描技術(shù)可以獲取呼吸頻率、吸氣時間分數(shù)、呼/吸氣比等時間參數(shù)和潮氣量、分鐘通氣量、胸腹呼吸貢獻比等容積參數(shù)、呼吸流速、峰值吸氣流速等力學參數(shù)。電感應(yīng)體積掃描技術(shù)可以獲取豐富的呼吸信號參數(shù)，便于人們準確分析和判斷。目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于臨床對睡眠的監(jiān)測，而研究者亦在進一步完善該技術(shù)。</p><

13、p>　　2.1.2 阻抗體積描記技術(shù)</p><p>　　人體的阻抗是包括人體皮膚，血液，細胞，組織及其結(jié)合部在內(nèi)的含有電阻和電容的全阻抗，是確定和限制人體電流的參數(shù)之一。通過安放在胸部的一對電極能夠測得人體胸部電阻抗的變化[5]。人體在呼吸時身體和胸部肌肉隨呼吸運動張緊或松弛，并且由于肺部吸氣量的改變，整個胸部阻抗亦隨之在變化。這時安放在人體上并與皮膚接觸的電極，得以通過輸出信號來反映胸部阻抗的變化情況。

14、當前該技術(shù)研究的熱點主要是織物電極的研發(fā)和無縫織造一次成型技術(shù)的應(yīng)用。一般的粘貼式電極長時間于皮膚接觸會導致皮膚過敏，且長時間佩戴后回因為脫水而致信噪比降低等弱點[6]，這種情況下織物電極是一種理想的選擇。織物電極需要其材料為可以導電的材料，目前應(yīng)用于織物電極的導電材料有聚吡咯導電織物、涂炭導電織物、鍍金屬導電織物等。而用于織物一次成型的機械設(shè)備主要是無縫專用針織設(shè)備和針織橫機，相關(guān)機械設(shè)備有Santoni SPA5，Steiger S

15、A4等。</p><p>　　2.1.3 壓電呼吸描記法</p><p>　　1880年人們發(fā)現(xiàn)石英晶體在機械外力的作用下，其晶體表面產(chǎn)生了相反極性的電荷即極化。這種現(xiàn)象稱之為壓電效應(yīng)。已發(fā)現(xiàn)的擁有壓電效應(yīng)的材料有：壓電高聚物、壓電陶瓷、而壓電高聚物又包含有PVDF薄膜家族等。因為PVDF薄膜擁有較高的壓電常數(shù)，并且質(zhì)量輕、加工性好、柔性好、加工性好、頻率響應(yīng)寬和能夠鑲于織物中等優(yōu)勢，而廣

16、受關(guān)注。壓電薄膜材料，在壓力作用下，其內(nèi)部的晶體會產(chǎn)生極化，由于晶體基本平行排列，可以將受壓后的材料分為極化方向和平行于極化方向,能夠得到如下結(jié)論：內(nèi)部正負電荷相抵消，材料帶電量是由晶體表面積決定而與晶體厚度無關(guān)。對于擁有壓電現(xiàn)象的纖維，極化方向與纖維軸向垂直，這時可能存在兩種狀況。一種是全部的電荷都集中在纖維表面，這時在它表面分別連上電極就能夠輸出電極信號。另一種則是負電荷聚集在纖維芯層，正電荷聚集在纖維表層，此時以電纜的形式能助其輸

17、出信號，即在芯層和表層都加入導電層[7]，相對較復(fù)雜。在國內(nèi)目前的研究主要停留在薄膜的性能改良上。而國外研究者更多關(guān)注于壓電材料制成同軸電纜形式。且致力于以纖維的形式制成壓電材料，以此縮短加工工藝流程。</p><p>　　2.1.4 拉阻呼吸描記法法</p><p>　　材料受外力作用后電阻率隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做壓阻效應(yīng)。由于人體呼吸時胸腹部會周期性收縮與擴張，所以將衣物和具有壓阻

18、效應(yīng)的材料整合到一起，貼在人體胸腹部，當壓阻材料受壓力變形時，產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，材料形變頻率通過連入的分壓電路能夠記錄，從而反映人體的呼吸信號。此方法要求高品質(zhì)靈敏度的傳感器和較高穩(wěn)定性的織物，但測試原理簡單。目前的壓阻傳感器主要分為兩類：第一類是由導電織物自身形變而產(chǎn)生信號變化的傳感器。第二類為涂料或橡膠自身，剩下織物成為復(fù)合材料的傳感器。通過壓電衣物監(jiān)測人體平靜時呼吸時，實驗表明由于此時呼吸頻率較低，通過壓電衣物測得的信號表現(xiàn)為更多的噪

19、音，因而采用壓阻法比壓電法適合對病人夜晚的監(jiān)測。目前壓阻法用導電金屬涂覆纖維做導電紗線，用于對呼吸信號測量的測量。例如用滌綸纖維涂覆銀來制得導電針織物，測量呼吸信號就可以比較穩(wěn)定。國內(nèi)外對于導電纖維的研究眾多，作為如今研究的熱點，人們主要關(guān)注于如何制備具有彈性的導電纖維及織物，使其能夠滿足人們對于穿著舒適性的需求。</p><p><b>　　2.2 導電纖維</b></p>

20、<p>　　所謂導電纖維通常是指電阻率在見cm以下的纖維(20℃，65%R.H.)。導電纖維是隨電子工業(yè)發(fā)展起來的新型纖維，受到科研人員長期的關(guān)注和研究，如今已經(jīng)取得長足的發(fā)展和應(yīng)用。因傳統(tǒng)的纖維材料特別是化學纖維，幾乎都是電的不良導體，所以，其特有的導電性使其可以用于靜電的消除和電磁波的吸收，此外導電纖維可以用于電信號的探測和傳輸，因而，隨電子產(chǎn)業(yè)在可穿戴領(lǐng)域的發(fā)展，導電纖維越來越多的被應(yīng)用于電子紡織品的制造，并發(fā)揮著不可或

21、缺的作用。</p><p>　　2.2.1 導電纖維的發(fā)展歷程</p><p>　　導電纖維發(fā)展到今天已經(jīng)經(jīng)歷了三個階段：[8]</p><p>　　第一階段是金屬纖維階段。美國在1936年最早發(fā)明了集束拉絲法用來生產(chǎn)金屬纖維，用該方法生產(chǎn)的微米級纖維在30多年后才達到商業(yè)應(yīng)用水平。金屬纖維相比傳統(tǒng)纖維具有優(yōu)異的導電性，導熱性，耐磨性以及高強高模等優(yōu)異性能，但由于其

22、在加工過程中成紗困難，可染性差，手感差，因而只適用于機械制造和建筑業(yè)，如汽車制造中的剎車片磨擦材料，水泥中加入鋼纖維制成鋼纖維混凝土。</p><p>　　第二階段是表面滲碳型有機導電纖維。如BASF公司Resistat，將導電的碳粉通過表面滲碳的方式加入到普通的纖維表面，其優(yōu)點是表面電阻值比較低，但導電的碳粉易受摩擦和洗滌等外界因素的影響而從普通纖維表面脫落，從而造成該纖維面料的導電性能隨時間逐漸降低。同時，掉

23、落下來的碳粉既是純凈空氣中的灰塵， 而且導電碳粉不易在纖維表面均勻分布。</p><p>　　第三階段是復(fù)合紡絲型有機導電纖維。通過運用最新的復(fù)合紡絲工藝鐘紡公司研發(fā)了 Belltron 9R型導電纖維，得到了雙組分的電纖維。其纖維外層為具有高導電性能的超薄皮狀導電聚合物，內(nèi)部則完全是尼龍-6 聚合物。不同于滲碳纖維，不會因為摩擦、洗滌而導致碳粒子脫落；也不同于金屬纖維，不會因折損脫落而損傷接觸物的表面。復(fù)合紡絲

24、型有機導電纖維是將導電的碳粉與熔融狀的基體材料充分混合后，經(jīng)特殊的噴絲孔與基體材料復(fù)合成纖，形成了雙組份的導電纖維。其產(chǎn)品特性表現(xiàn)為不會因為摩擦、洗滌而致使碳粒子脫落，具有良好的耐洗、抗彎曲、耐磨損等性能。</p><p>　　2.2.2 導電材料制作織物傳感器研究</p><p>　　織物傳感器擁有獨特的優(yōu)點:透氣、柔軟、可穿著等，人們利用導電紡織結(jié)構(gòu)具有的的電一力學性能來制作傳感器的研

25、究已經(jīng)取得了一些研究人員的重視。</p><p>　　2010年王金鳳、龍海如等人采用電導率為 516 Ω/m、細度為 110 dtex的鍍銀導電纖維為原料織制雙羅紋和緯平針針織物，均沿緯向拉伸，確定織物拉伸與電阻之間的關(guān)系，并求得運用這種關(guān)系制得傳感器的靈敏度，最后得出豎條紋雙羅紋針織物靈敏度最大，橫條紋雙羅紋針織物次之，鍍銀紗緯平針織物最小。而且在彈性織物中，織物的電阻是先隨伸長的增加而增加，在超過測量織物的

26、彈性范圍后，織物電阻隨著伸長的增加而減小。對雙羅紋在測量中表現(xiàn)出來重復(fù)性和穩(wěn)定性，使其可以用于呼吸等信號的測量，從而開發(fā)出可以長期有效用于呼吸監(jiān)測的傳感器[9]。</p><p>　　Huang等人利用導電材料的壓阻效應(yīng)，以導電纖維（碳涂層）和滌綸/彈力纖維混紡成紗，有經(jīng)包纏工藝制的紗線傳感器，可用于呼吸信號的監(jiān)測。其應(yīng)變敏感系數(shù)為5-17。進一步研究發(fā)現(xiàn)，該傳感器電阻和應(yīng)變之間可能為二次函數(shù)關(guān)系而不是線性相關(guān)，

27、并且包纏紗的捻度對傳感器性能并沒顯著影響，且導電雙層包纏的電阻與壓力的線性度更高等[10]。</p><p>　　Paul Calvert等人通過在織物傳感器處纖維上噴涂銀和導電聚合物，從而使得其所在的涂層位置具有導電性能，在實驗中人們通過在傳感器涂層處不同位置施加外力測得電阻變化。實驗結(jié)果得出，該傳感器能檢測日提關(guān)節(jié)處的運動，而且可以通過改變紗線加捻數(shù)改變其性能，對紗線加捻數(shù)越多，則紗線間抱合力越大越緊接觸點也

28、就越多，從而導電性能更好[11]。</p><p>　　2.3 兩根長絲紗的相交</p><p>　　2.3.1 電學模型</p><p>　　兩根紗線相交叉時會在交叉處形成接觸電阻，如果對其施加壓力則由接觸電阻公式2-1知，接觸電阻值將隨壓力改變而變化。</p><p><b>　?。?-1）</b></p>

29、;<p>　　由此我們將分析其電力學性質(zhì)。如圖1所示,是兩根相交叉的導電長絲紗，接通的電流如果想從其中一根長絲紗流入另一根長絲紗，則電流必須通過兩根紗的交織點。</p><p><b>　　圖1相交叉長絲紗</b></p><p>　　為了研究在兩根紗線接觸點處的電一力學的性能,我們使用圖2所示的電路圖來模擬紗線接觸點處的導電機理</p>

30、<p><b>　　圖2</b></p><p>　　兩根相交導電長絲紗電路模型</p><p>　　圖2兩根相交導電長絲紗線的電路模型圖中左邊的部分為紗線的橫截面,假設(shè)每根紗線有n根長絲紗,那么用右圖電路來模擬兩根紗線的相交導電情況,對于其中一根紗線，其總電阻為各根長絲紗單電阻的并聯(lián)值。所以,我們可以用一個并聯(lián)電路來模擬，但是對于紗線中每一根單獨的長絲紗,

31、其接觸電阻是是由其在紗線中的位置決定的，是由長絲紗至紗線表面的長絲紗間接觸電阻串聯(lián)得來的。如果將紗線表面至紗線最里層長絲紗分為第1至n層，則長絲紗當前位置至紗線表層，經(jīng)過幾個接觸電阻即是幾個接觸電阻串聯(lián)，如：第一層為一個接觸電阻，第三層為3個接觸電阻串聯(lián)，如此類推?？傠娮杩煽醋鍪沁@n根電阻的串聯(lián)與并聯(lián)的組合。用式可以表示為:</p><p><b>　?。?-2）</b></p>

32、<p>　　式中的系數(shù)“2”是因為這兩根紗線的對稱性，而在實際計算中,如果計算所有纖維之間的接觸電阻會很困難,并且,由于等效電阻是所有這些回路的倒數(shù)和,而且越是靠里層的長絲紗,貢獻的等效電阻值就越小，所有,我們?yōu)榱擞嬎闩c分析方便,就忽略里層的長絲紗接觸電阻,而電流大部分都將從接觸電阻值小的表面通過，所以我們看做全部電流都從表面接觸的纖維中通過，這樣,兩根紗線間的接觸電阻由兩根紗線直接接觸的表面纖維決定。當兩根相交的紗線受壓

33、接觸力增大,使每一個接觸的電阻阻值同時降低,因而總的接觸電阻就表現(xiàn)出減小的趨勢，總電阻就可以近似表示為:</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　即只由表面接觸的紗線決定</p><p>　　當在相交處受到自豎直方向的壓力時，長絲紗與長絲紗的接觸面積增大，更有利于電流的流通.因此，等效總接觸電阻隨外加壓力的增大而逐漸

34、減小.根據(jù)這一原理來制作適用于呼吸測量的壓阻傳感器.</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　目前以衣物為依托的可穿戴式呼吸測量方法主要有電感應(yīng)體積描記技術(shù)、阻抗體積描記技術(shù)、壓電呼吸描記法，壓阻呼吸描記法。前兩種測試方法，由于測試信號全面且較精，因而應(yīng)用較為廣泛。后兩種不僅測試原理簡單，而且采集方法便捷，但存在反應(yīng)信息較為單一?？纱┐?/p>

35、式呼吸測量研究中，由于其導電材料，傳感器技術(shù)，抗干擾等各個方面不夠完善，還有很多方面亟待改進。導電纖維是發(fā)展可穿戴紡織品不可或缺的新型纖維材料，已由最初的金屬纖維發(fā)展出表面滲碳型有機導電纖維、復(fù)合紡絲型有機導電纖維等，此類纖維具有良好的導電性和耐久性，特別是在低濕度下仍具有良好的耐久抗靜電性，因此在工業(yè)、民用等領(lǐng)域有著很大的用途。 而Huang、王金鳳等研究人員利用導電材料已經(jīng)開發(fā)出應(yīng)用于呼吸測量發(fā)面的傳感器。</p>&

36、lt;p>　　通過分析兩根紗線相交的電學模型，來分析壓力與接觸電阻之間的關(guān)系，兩根紗線間的接觸電阻由兩根紗線直接接觸的表面纖維決定，隨所受壓力的增大，材料的接觸電阻逐漸減小。</p><p><b>　　3呼吸帶的方案設(shè)計</b></p><p>　　本課題旨在提供一種性能優(yōu)良，能夠記錄胸腹呼吸信號的呼吸帶。要求不僅要具有織物的可穿戴行，而且要有準確和穩(wěn)定記錄胸

37、腹呼吸信號的能力。</p><p>　　3.1 實驗材料的選擇和傳感器設(shè)計</p><p>　　一條呼吸帶包括三個部分：壓阻傳感器、松緊帶、電纜。而傳感器是呼吸帶組成件中最復(fù)雜最重要的組成部分，其質(zhì)量的好壞直接決定著呼吸帶的成功與否，因此其材料的選擇在實驗中尤為重要。</p><p>　　3.1.1 實驗材料的選擇</p><p>　　導電紗

38、線：選用實驗室中電阻率為430 Ω·m、線密度為11.1 tex的鍍銀導電長絲紗經(jīng)過合股加捻的方式，制得20根合捻，5捻度/10厘米的單股導電紗線。</p><p>　　基布：滌綸具有優(yōu)越的物理機械性能，且有良好的耐熱和耐腐蝕性，因而選用6cm×6cm滌綸平紋布作為傳感器的基布。</p><p>　　硅膠：硅膠與固化劑攪拌均勻.模具硅膠外觀是流動的液體，硅膠的軟硬程度可

39、以通過設(shè)定不同的硅膠和固化劑配比來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。A組份是硅膠，B組份是固化劑，本次試驗中兩種組分的配比為A:B=1：1。</p><p>　　3.1.2 傳感器試樣的制備方法</p><p>　　無硅膠：將制得的導電紗線通過刺繡的方法，縫制于滌綸基布，并使紗線交織點位于滌綸基布中心位置。</p><p>　?。?）有硅膠：同上通過刺繡方法將導電紗線縫制與滌綸基布，且使紗

40、線交織點位于滌綸基布中心，將配得的硅膠攪拌均勻置于模具，等待時間，待其初步凝固，將其扣于滌綸基布上導電紗線交織出，待其完全凝固即制作完成。</p><p>　　3.2 實驗儀器和方法</p><p><b>　　3.2.1實驗儀器</b></p><p><b>　　加壓三維運動平臺</b></p><

41、;p>　　樣品加壓三維運動平臺如圖3所示，其主要由施壓裝置和壓力數(shù)據(jù)采集裝置兩部分組成，其中施壓裝置部分由三維運動平臺、伸縮式電機及彈簧組成.先由電腦上控制平臺的運動到達合適的位置。再運用電腦上軟件控制伸縮式電極在豎軸方向伸縮，來調(diào)節(jié)施加在樣品上的壓力.電機下方連接彈簧，與電機自帶的伸縮裝置協(xié)同運動，通過電腦軟件設(shè)計伸縮電極的初速度、加速度、以及位移量，來實現(xiàn)對樣品施加壓力大小，和加壓頻率。壓力采集裝置由平臺底部的硅壓力傳感器來實

42、現(xiàn)實時測量，并由電腦軟件記錄壓力變化情況。</p><p><b>　　圖 3</b></p><p>　　Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元</p><p>　　Agilent 34970A如圖4是以經(jīng)典的臺式數(shù)字萬用表作為測量引擎， 將其嵌入到了它的3插槽主機箱內(nèi)，并且該系統(tǒng)能夠通過其緊湊的機箱提供具有內(nèi)置信號調(diào)理功能的通用輸入

43、以及模塊化的靈活性。它具有6 1/2位 (22比特) 分辨率，0.004%的基本dcV精度和超低的讀數(shù)噪聲。與高達250通道/秒的掃描速率相結(jié)合，可以提供實驗所需的速度和精度。對于測量溫度、交流/直流電壓、電阻、頻率還是電流，34970A都能夠勝任。</p><p><b>　　圖 4</b></p><p><b>　　3.2.2試驗方法</b>

44、;</p><p>　　呼吸帶作為可穿戴設(shè)備，其舒適性亦是需要關(guān)注的對象，由于在實際監(jiān)測中其不可避免的會對人體的接觸部位產(chǎn)生束縛力，是人體感受到服裝壓力[12]。而舒適服裝壓力范圍為1.96 ~ 3.92 kPa,所以我們對6cm×6cm傳感器施加壓力范圍為2N ~ 8N。成年人平靜呼吸時頻率約為16～20次/min，因此將施壓頻率設(shè)定為18次/min，即0.3 Hz，模擬人體呼吸狀況。</p&g

45、t;<p>　　靜態(tài)加壓測試電-力學的性能</p><p>　　靜態(tài)加壓就是在固定不變的載荷作用下電阻的響應(yīng)，壓力感應(yīng)式織物傳感器在受壓和不受壓下，電阻率落差是產(chǎn)生電信號的基礎(chǔ),如果希望其能有良好的電信號響應(yīng),那么其在受壓狀態(tài)下該傳感器必須有良好的導電性,所以在一定壓力作用下下具有較高的導電率是織物傳感器成功的關(guān)鍵[13]。</p><p>　　（2）動態(tài)加壓測試電-力學的性

46、能</p><p>　　動態(tài)加壓實在不斷變化的載荷作用下電阻的響應(yīng)，是織物傳感器應(yīng)用于實際檢測前，在儀器上對其模擬實際的測試，能夠較真實的反映其性能。如果希望其有良好穩(wěn)定的電信號響應(yīng)，那么其在變化的壓力狀態(tài)下，該傳感器必須有良好的穩(wěn)定性，所以在變化的壓力作用下，具有良好的穩(wěn)定性是織物傳感器成功的關(guān)鍵。</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p&

47、gt;<p>　　本課題研究的是一種可穿戴智能紡織品中，監(jiān)測呼吸信號的可穿戴紡織品，旨在提供一種可監(jiān)測胸腹呼吸信號的呼吸帶。此呼吸帶采用了壓阻式傳感器作為傳感元件，從而實現(xiàn)對呼吸信號的監(jiān)測。該呼吸帶作為可移動醫(yī)療設(shè)備，可以實現(xiàn)對人體呼吸信號的監(jiān)測，在保證對呼吸信號準確監(jiān)測的同時，由于呼吸帶的柔軟和輕便，特別是可以方便的佩戴在人體而不會造成過多負擔，從而提高了和服裝的融合性。本章主要從四個方面對呼吸帶傳感器的設(shè)計方案進行說明

48、：</p><p>　　（1）本課題采用了壓阻式傳感器，通過刺繡的方法將導電紗線固定在滌綸基布上，來制作傳感件，分為有硅膠和無硅膠兩種。</p><p>　?。?）導電紗線,基布，硅膠的選擇，導電紗線由導電長絲紗合股加捻制的，滌綸基布采用平紋6cm×6cm規(guī)格，硅膠與固化劑配比為1:1。</p><p>　　實驗機器的選擇為實驗室現(xiàn)有的加壓三維運動平臺，A

49、gilent 34970A數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元。</p><p>　　（4）方案設(shè)計：初步的實驗方式是用靜態(tài)加壓和動態(tài)加壓來分別測試同一傳感器，獲得實驗數(shù)據(jù)。實驗大體如下</p><p>　　第一步：實驗前的準備：包括導電紗線制作，硅膠配制，滌綸基布準備。</p><p>　　第二步：傳感器制備方法</p><p>　　將制得的導電紗線通過刺繡

50、的方法，縫制于滌綸基布，并使紗線交織點位于滌綸基布中心位置，有硅膠的需將配得的硅膠攪拌均勻置于模具，等待時間，待其初步凝固，將其扣于滌綸基布上導電紗線交織出，待其完全凝固即制作完成。。</p><p><b>　　第三步：試驗方法</b></p><p>　　對傳感器的測試分為靜態(tài)加壓和動態(tài)加壓兩種：</p><p>　?。?）靜態(tài)加壓：在固定

51、不變的載荷作用下電阻的響應(yīng)，壓力感應(yīng)式織物傳感器在受壓和不受壓下，電阻率落差。</p><p>　　（2）動態(tài)加壓：是在不斷變化的載荷作用下電阻的響應(yīng)，在連續(xù)變化的壓力狀態(tài)下，測量壓力感應(yīng)式織物傳感器的電-力學性能。</p><p>　　4 呼吸帶壓阻傳感器的實驗與分析</p><p>　　4.1 傳感器試樣制備</p><p>　　采用電

52、阻率為430 Ω·m、線密度為11.1 tex的鍍銀導電長絲紗，通過合股加捻制備傳感原件.20根紗線一股合捻，股線捻度為5捻/10cm.將所制備的紗線用針縫制于一塊6 cm×6 cm的滌綸基布上，將交織點布置在基布的中心位置，按表4-1所示制得樣品.其中樣品1和2分別制作3個試樣，以便重復(fù)測試.為保證接觸點在測量時不被移動，樣品中的鍍銀紗線均由滌綸縫紉線加固.樣品2為硅膠涂覆樣本，用以進行涂覆硅膠前后電阻的對比實驗.

53、硅膠的軟硬度可通過設(shè)定不同的樹脂和固化劑配比調(diào)節(jié)，本實驗將兩種組分的配比設(shè)定為m(硅膠)∶m(固化劑)=1∶1.</p><p>　　表4-1 樣品 </p><p>　　4.2 實驗內(nèi)容及結(jié)果</p><p>　　4.2.1 靜態(tài)加壓</p><p>　　對于兩種試樣均采用靜態(tài)加壓，使用Agilent 34970A數(shù)字萬

54、用表測其電阻，采集頻率為10 Hz。由于鍍銀紗線存在自身電阻不穩(wěn)定性，在無受力狀況下，確保其電阻穩(wěn)定，而后再施加壓力.由于在人體實際應(yīng)用時呼吸帶和人體間存在擠壓，因而需加一個2N的預(yù)加壓力。通過靜態(tài)加壓確定其電阻與壓力之間的關(guān)系，求得傳感器的靈敏度， 探討傳感器靈敏性需求是否滿足。 傳感器的靈敏度就是在穩(wěn)定工作情況下輸出量變化與引起這種變化的輸入量變化之比值。靜態(tài)靈敏度K就是線性傳感器校準曲線的斜率。傳感器性能要求越好，則傳感器靈敏性要

55、求越高。</p><p>　　靜態(tài)靈敏度的計算方法為：,ΔR為電阻變化量， ΔF為織物所受壓力變化量。</p><p>　　由測得數(shù)據(jù)得表4-1：</p><p>　　表4-2 為靜態(tài)加壓測得數(shù)據(jù)</p><p><b>　　由表4-2作圖5：</b></p><p>　　樣品1靜態(tài)壓力-電阻變化

56、 樣品2靜態(tài)壓力-電阻變化</p><p><b>　　圖 5</b></p><p>　　由列表4-2發(fā)現(xiàn)，樣品1和樣品2的3個試樣的電阻起始值不完全相同，這是因為傳感器導線夾持位置存在誤差，且傳感器接觸點接觸狀態(tài)存在不同.總體來說，存在幅值差異較小，且涂覆硅膠可以有效減小幅值差異。</p><p>　　圖5顯示無硅膠

57、和有硅膠的刺繡型壓力傳感器，電阻與壓力的關(guān)系，從這2塊樣品織物電阻與壓力的關(guān)系圖可以看出，傳感器電阻隨著所受壓力的增加而減??； 在壓力比較小的情況下， 電阻與壓力成線性相關(guān)；而在壓力比較大的情況下， 電阻變化并不明顯。</p><p>　　由以上數(shù)據(jù)可得:無硅膠傳感器Ω/N，有硅膠傳感器Ω/N，因為且的近乎兩倍，所以可以得知是否涂覆硅膠對傳感器有很大影響，且涂覆過硅膠的傳感器其靈敏度遠大于未涂覆硅膠的傳感器。&l

58、t;/p><p>　　由圖5可以發(fā)現(xiàn)，兩試樣電阻幅值變化差異很大，且涂覆硅膠試樣電阻幅值變化遠大于未涂覆試樣。這是因為硅膠是絕緣體，涂覆過程中部分阻隔了導電紗線中長絲與長絲見的導電接觸，對電流在紗線間傳遞起阻礙作用，因而增大了接觸電阻的起始值，由于硅膠的彈性存在有利于改善壓力傳感器的信號穩(wěn)定性。</p><p>　　4.2.2 動態(tài)加壓</p><p>　　通過加壓三維

59、運動平臺對兩試樣均采用動態(tài)加壓，測試時覆蓋一個透明薄板在試樣上方，彈簧通過對薄板施壓間接對接觸點進行加壓。 通過平臺底座的硅壓力傳感器完成對壓力數(shù)據(jù)的采集。由于壓力采集裝置存在誤差，調(diào)節(jié)好后彈簧位置保持不表可減小誤差。施壓情況如圖6。</p><p>　　圖6 動態(tài)壓力-時間變化</p><p>　　施壓頻率設(shè)定為18。5次/min，即0.3 Hz，施壓范圍為2N～7N,來模擬人體呼吸狀況

60、。電阻信號由Agilent 34970A測量，采集頻率為10 Hz。</p><p>　　人體正常呼吸時，由于呼氣和吸氣人體的胸腹部會周期性收縮與擴張。呼吸頻率是一分鐘呼吸的次數(shù)。 由于呼吸時附在人胸部的呼吸帶與人肌膚間壓力會變化， 所以呼吸頻率可以通過穿戴于胸腹部的織物壓力傳感器來監(jiān)測，但是要確保傳感器的穩(wěn)定性。 因此本研究對織物試樣進行了反復(fù)施壓， 測量其電阻值是否變化， 以確定是否滿足傳感器穩(wěn)定性要求。&l

61、t;/p><p>　　動態(tài)施壓情況下兩試樣在120s內(nèi)，壓力-電阻變化如圖7圖8所示：</p><p>　　圖7 樣品1動態(tài)壓力-電阻變化</p><p>　　圖8 樣品2動態(tài)壓力電阻變化</p><p>　　觀察圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著施壓次數(shù)的增加，電阻值曲線整體明顯向阻值變小方向偏移。這是由于傳感器接觸點發(fā)生塑性變形，在持續(xù)的施壓過程中，傳感器接

62、觸點處紗線不斷被擠壓，接觸狀態(tài)不可恢復(fù)所致。呼吸帶要進入實際應(yīng)用，必須避免這種情況的發(fā)生。觀察圖8在傳感器接觸點處涂覆有硅膠，由于硅膠具有良好的彈性，能夠帶動纖維在受壓后恢復(fù)到原來的位置[14]。</p><p>　　4.2.3 呼吸帶制作</p><p>　　結(jié)合上述兩種試樣測試結(jié)果，可知涂覆硅膠可以提高壓力傳感器的靈敏度，使其可以得到更清楚的呼吸信號，并且由于硅膠的彈性，傳感器在長時間

63、的測試中，可以避免傳感器接觸點的塑性變形引起的信號偏移，擁有更好的可重復(fù)性。據(jù)此，在呼吸帶制作中選用涂覆硅膠的傳感器,放入彈性腰帶上的暗兜中綁在測試者腰部，調(diào)節(jié)彈性腰帶搭扣，使松緊適中.將夾頭夾住導電紗線，通過Agilent 34970A對電阻進行實時測量，即可獲得用于監(jiān)測呼吸信號的呼吸帶。</p><p><b>　　4 .3本章小結(jié)</b></p><p>　　本

64、章通過無硅膠和有硅膠覆蓋兩種傳感器的對比試驗，進行了敏感度，重復(fù)性等方面測試。</p><p>　　(1)靜態(tài)加壓測試中有硅膠覆蓋的傳感器較無硅膠覆蓋的傳感器在敏感度更為優(yōu)宜。其敏感度是未涂覆硅膠傳感器的近兩倍，因而涂覆過硅膠的傳感器其靈敏度遠大于未涂覆硅膠的傳感器。</p><p>　　(2)動態(tài)加壓測試中有硅膠覆蓋傳感器較無硅膠覆蓋的傳感器在重復(fù)性方面更為有益。由于硅膠的彈性，傳感器在

65、長時間的測試中，可以避免傳感器接觸點的塑性變形引起的信號偏移，擁有更好的可重復(fù)性。</p><p>　　本課題研究的是一種可穿戴智能紡織品中，監(jiān)測呼吸信號的可穿戴紡織品，旨在提供一種可監(jiān)測胸腹呼吸信號的呼吸帶。而通過靜態(tài)和動態(tài)對傳感器壓力-電阻方面的測試，得知有硅膠涂覆傳感器在敏感度和重復(fù)性方面都較優(yōu)異，可以滿足我們對呼吸帶傳感器的需要。</p><p><b>　　5 結(jié)論與

66、展望</b></p><p><b>　　5.1 結(jié)論</b></p><p>　　本文基于壓阻效應(yīng)原理，通過刺繡的方法，利用導電纖維來制的用于呼吸帶的壓阻傳感器。通過靜態(tài)和動態(tài)加壓測試，分析研究實驗得出以下幾點結(jié)論:</p><p>　　（1）涂覆硅膠試樣電阻幅值變化遠大于未涂覆試樣。這是因為硅膠是絕緣體，涂覆過程中部分阻隔了導電

67、紗線中長絲與長絲見的導電接觸，對電流在紗線間傳遞起阻礙作用，因而增大了接觸電阻的起始值，由于硅膠的彈性存在有利于改善壓力傳感器的信號穩(wěn)定性。</p><p>　?。?）通過涂覆硅膠的方法可以提高傳感器的可重復(fù)性，由于硅膠的彈性存在，傳感器在長時間的測試中，能夠帶動纖維在受壓后恢復(fù)到原來的位置，避免傳感器接觸點的塑性變形引起的信號偏移，擁有更好的可重復(fù)性。</p><p><b>

68、　　5.2 展望</b></p><p>　　由于實驗時間的限制，本文主要針對的是傳感器單觸點壓力/電阻研究。而對于傳感器多觸點的壓力/電阻特性沒有做深入的研究，希望接下來的實驗可以從這方面著手。除此之外，可以將導電紗設(shè)計更多紡織結(jié)構(gòu)，對其壓力-電阻特性進行研究。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[

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75、、壓力傳感器的性能分析[D].上海：東華大學紡織學院，2006:109.</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　大學四年的學習生活即將結(jié)束，在老師，同學的傾力支持下，四年中有辛苦更多的是收獲，，四年求學生涯的結(jié)束，對我的人生而言是新的征程的開始。</p><p>　　本論文是在我的導師楊旭東老師的親切關(guān)懷和耐心指導下

76、完成的。在課題開始階段楊旭東老師給予我很大的幫助和指引。在實驗室操作階段，彭曉慧學姐對我進行了不厭其煩的指導和幫助，在實驗中她會為我的實驗操作提出她自己建議，并幫助我解決實驗中出現(xiàn)的問題，從而我的實驗得以順利進行。沒有他們的幫助和改進，就沒有我這篇論文的最終完成。在此我向指導和幫助我的老師表示最衷心的感謝。</p><p>　　同時，我也要感謝本論文所引用的各位學者的專著，如果沒有這些學者的研究成果的啟發(fā)和幫助，