水滴傳感器織物設計與制作*

徐 帥

鹽城工業職業技術學院，江蘇 鹽城 224005

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水滴傳感器織物設計與制作*

徐 帥

鹽城工業職業技術學院，江蘇 鹽城 224005

設計了一種簡單實用的水滴傳感器織物，其結構牢固、性能可靠。由于其檢測面積大且具備柔性，故能用于工業、醫療等特殊場合。根據這種水滴傳感器織物的結構，開發了一種先添加襯墊紗再進行剪紗的加工方法，降低了水滴傳感器織物的制作難度。

水滴傳感器，織物，智能紡織品

顧名思義，水滴傳感器就是指能夠檢測有無水滴存在的檢測元件。目前，市場上已有一些商品化水滴傳感器，可應用于智能窗簾、汽車雨刷器等民用場合。這類水滴傳感器一般是在一塊微小電路板上鍍兩個柵狀電極而制成，利用水的導電性進行工作，其性能穩定，能滿足一般場合的使用要求。但這類水滴傳感器只能進行小面積、固定位置的檢測，不適用于一些重要場合。如現代化的機房內集中裝有眾多服務器、工作站等重要信息設備，需要對溫度和濕度加以嚴格控制，大多數機房還裝有精密空調系統。此時，防水對象是位置不確定的凝結水，所以必須進行大面積檢測。再如醫療場所內，需要隨時監測危重病人的血液外滲或排汗排尿情況，這不但需要可進行大面積檢測的水滴傳感器，還要求其是柔性的。

隨著近年來智能紡織品的蓬勃發展，出現了一些基于紡織品的水滴傳感器。國內專利《濕度傳感器及其管理系統》(專利號為2008800124399)[1]公布了一種濕度傳感器。它包括兩個電極板和處于其間的用于吸收濕氣的吸收層等，通過檢測所述電極板之間的電容變化和電阻變化來測量濕度。它的一個或兩個電極板可以是織物。這種傳感器為多層結構，因此有一定厚度，不利于大面積生產和使用。另一個國內專利《具有濕度傳感器的針織品》(專利號為2010106107803)[2]公布了一種具有濕度傳感器的針織品。它是將導電紗織入針織面料，并采用柵狀電極結構，利用紗線遇水時的導電性變化來檢測有無水滴。這種水滴傳感器織物采用針織結構，引出電路較復雜，而且針織結構的保形性和牢固程度較差，因此其適合用作內衣，而不適合在工業場合使用。考慮到機織結構緊密、牢固，適合在工業、醫療場合使用，因此本文開發了一種基于機織物的水滴傳感器。

1 水滴傳感器織物的結構與原理

圖1為目前廣泛使用的一種水滴傳感器——YL-83雨滴模塊。本文開發的水滴傳感器織物采用與其相同的結構(圖2)，由不導電經紗1、導電經紗2、不導電緯紗3和導電緯紗4織制而成。不導電經紗1布置在布身位置，導電經紗2布置在織物左右兩側的布邊位置。不導電緯紗3作為主要紗線，與兩種經紗交織，形成織物主體；導電緯紗4作為功能紗線，沿經紗方向間隔一定距離布置，且交替地在接近一側布邊處斷開一定距離，形成柵狀電極。當水滴(即圖2中橢圓形陰影部分)滴在布面上時，在其范圍內的紗線吸水而成為導體，兩側布邊因而導通。此時，電流流經途徑為左側導電經紗2→導電緯紗4→不導電經紗1(含水)→右側導電經紗2，不導電緯紗3即使吸水，由于緯紗之間的距離較大，不參與導電。考慮到水滴滴在布面上時所形成的浸潤面積及為了節省材料，導電緯紗4沿經紗方向間隔布置時彼此間的距離為2～10 mm。此外，為了不破壞織物結構和不增加剪紗難度，導電緯紗4在接近一側布邊處所斷開的距離為1～5 mm。

圖1 YL-83雨滴模塊

圖2 水滴傳感器織物的基本結構

2 水滴傳感器織物的制作方法

上述水滴傳感器織物需要剪去一些紗線，如僅靠人工找到并剪去，勢必增加制作難度。為此，本文采用：

(1) 添加襯墊紗。在整經或上機時添加襯墊紗5-1和5-2(圖3)，襯墊紗的位置在織物左右兩側緯紗需要斷開處。襯墊紗宜選用與布身經紗不同的紗線，如不同顏色、不同粗細，以便于與布身紗線區別。

圖3 織物未剪紗時布面結構示意

(2) 穿綜、穿筘。左右兩側的襯墊紗各穿入單獨的一片綜框，但穿筘時不單獨占用一個筘齒，而是與其鄰近的經紗穿入同一筘齒。

(3) 織造。如圖4或圖5所示，織入不導電緯紗3時，經紗和緯紗以平紋組織交織，但襯墊紗5-1和5-2始終位于不導電緯紗3之上。如圖4所示，織入圖3中A—A′剖面處的導電緯紗4時，左側需要斷開的緯紗連續浮在3根經紗上，形成小段緯浮長，此時襯墊紗5-1位于這些緯紗之下；右側不需要斷開的緯紗仍按照平紋組織規律與經紗交織，同時襯墊紗5-2仍位于這些緯紗之上。如圖5所示，織入圖3中B—B′剖面處的導電緯紗4時，織造過程同上，但左、右側交織規律互換。最終織成的織物布面結構如圖3所示。

圖4 A—A處剖面

圖5 B—B′處剖面

(4) 剪紗。織物完成織造下機后，提起左右側襯墊紗5-1和5-2，再剪去壓在墊紗5-1和5-2上面的那部分導電緯紗。剪完后，襯墊紗5-1和5-2自然落下，所得織物布面結構如圖1所示。

圖6 織物上機圖

依照上述方法，實際制作時采用的織物上機圖如圖6所示，其中“2×n”中的“2”指代圖1和圖3中的導電經紗2，“×n”為其循環次數；“1×m”中的“1”指代圖1和圖3中的不導電經紗1，“×m”為其循環次數。

3 驗證與測試

為了驗證水滴傳感器織物的使用效果，本文制作了1塊水滴傳感器織物實物。

織物組織為平紋；經紗為40S(約14.6 tex)純棉紗、70 den(約7.8 tex)/36 f鍍銀錦綸長絲，其中鍍銀錦綸長絲共48根，分布在織物兩側作為邊紗；緯紗為40S(約14.6 tex) 純棉紗、70 den(約7.8 tex)/36 f鍍銀錦綸長絲；經密為283根/(10 cm)，緯密為220根/(10 cm)；相鄰的2根導電緯紗的間距為6 mm，即每隔13根不導電緯紗3引入1根70 den/36 f鍍銀錦綸長絲，其算式為(220/100)6≈ 13；每根導電緯紗4在接近布邊的導電經紗2處的斷開距離為1 mm，即需要斷開3根經紗的距離，其算式為(283/100)1≈3。圖7為制成的水滴傳感器織物實物照片。

圖7 水滴傳感器織物實物照片

然后，分別在干燥狀態下及布面上滴1滴水，對上述織物實物的兩側布邊之間的電阻進行檢測。用2塊尺寸為50 mm×25 mm×25 mm的銅塊分別壓住織物兩側布邊，再使用絕緣表和萬用表進行測量。測得干燥狀態下的電阻為330.100 MΩ，布面上滴1滴 水之后的電阻隨時間的變化見表1，可見除前3 min 外，當水被織物充分吸收后，電阻均下降至1.000 MΩ 以下，且完全能夠通過電壓比較電路檢測到。

表1 吸水后兩布邊間電阻

4 結論與展望

本文設計了一種簡單實用的水滴傳感器織物，其結構牢固、性能可靠、電路引出簡單、使用方便。由于其檢測面積大且具備柔性，故能用于工業、醫療等特殊場合。本文還根據這種水滴傳感器織物的結構，開發了一種先添加襯墊紗再進行剪紗的加工方法，并通過實踐證實了此方法能降低制作難度。

當然，本文開發的水滴傳感器織物還存在一定不足，主要是其初期的響應速度較慢。如何優化織物結構和選擇紗線材料以提高響應速度，是進一步研究的內容。

[1] 徐世烈.濕度傳感器及其管理系統：CN 2008800124399[P].2011-01-26.

[2] M.賈恩, C-S.弗蘭克, K.邁爾，等.具有濕度傳感器的針織品：CN 2010106107803[P].2011-07-13.

Design and manufacture of water droplet sensor fabric

XuShuai

Yancheng Institute of Industry Technology, Yancheng 224005, China

A simple and practical water droplet sensor fabric, which had a solid structure and reliable performance, was designed. Because of its large detection area and flexible shape, it could be used on special occasions such as industrial and medical fields. Furthermore, in terms of the structure of the water droplet sensor fabric, a processing method, which was to add warp yarns first and then to cut some weft yarns, was developed, and this method was conductive to a decreased difficulty in manufacturing the water droplet sensor fabric.

water droplet sensor, woven fabric, smart textile

*江蘇省高校品牌專業建設項目(PPZY2015C254)

2016-04-28

徐帥，男，1983年生，講師，主要研究領域為智能紡織品與紡織機電一體化

TS106

B

1004-7093(2016)10-0011-04