基于經編間隔織物的壓力電容傳感器特性

孫 婉，繆旭紅，王曉雷，蔣高明

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

壓力電容傳感器，是利用電容器受力時極板間距、極板面積或中間介質的改變而引起電容值變化的原理[1]，將被測壓力轉化為與之有一定關系的電信號輸出的傳感器。傳統的壓力傳感器元器件笨重突兀，不能隨織物一起發生形變，且人體舒適感低，不能滿足智能紡織品發展的需求，因此促進了柔性傳感器的發展。目前，國內對柔性壓力電容傳感器的研究較少，傳感器的結構也較為單一，主要為薄膜結構，應用于觸覺感應領域[2-3]，主要研究影響傳感器靜態特性的因素。國外對柔性壓力電容傳感器的研究起步較早，傳感器結構豐富，不僅有織物結構，還有紗線結構,并且應用領域廣泛，可應用于醫療健康、運動監測、安全防護和觸覺感應：Meyer、Holleczek等[4-5]設計了基于間隔織物結構的壓力電容傳感器，實現了姿態監測；文獻[6-7]設計了基于機織物結構的壓力電容傳感器陣列，實現了壓力分布的監測；文獻[8-10]設計了基于紗線結構的壓力電容傳感器，這種結構的傳感器體積較小，主要用于觸覺感應。國外對柔性壓力電容傳感器的研究更成熟，多為采用陣列形式，能夠實現監測壓力分布情況，但是國外對壓力電容傳感器的基本特性研究較少。而國內對織物結構的壓力電容傳感器幾乎沒有。經編間隔織物是三維立體結構，能承受較大的壓力，而且經編間隔織物多用于坐墊和床墊[11-12]，因此本文采用經編間隔織物結構的壓力電容傳感器，用于人體坐姿監測。本文在經編間隔織物上下表面貼覆導電布，制成單個壓力電容傳感器，并研究其傳感特性，為設計壓力電容傳感器陣列，實現人體坐姿監測奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 間隔織物壓力電容傳感器的制備

本文中的壓力電容傳感器，是以經編間隔織物為介質，用導電布做柔性電極，貼覆在經編間隔織物的上表面和下表面，制成具有一定厚度的間隔織物電容器，尺寸規格為10 cm×10 cm。用絕緣膠布將導線固定在導電布上，作為測量電容時夾具夾持點，如圖1所示。當間隔織物受到壓力的作用，間隔絲彎曲，上下電極間距縮小，從而引起電容值的變化，這就是間隔織物壓力電容傳感器的工作原理。

圖1 經編間隔織物壓力電容傳感器Fig.1 Pressure capacitive sensor based on warp-knitted spacer fabric

傳感器介質規格：傳感器以經編間隔織物為介質，本文所用的經編間隔織物是在RDN6機器上織造的，樣布由常熟源碩織造公司提供，其詳細規格如表1所示，上下組織結構如圖2所示。采用這6種規格樣布，主要研究間隔絲粗細、間隔絲密度和間隔絲長度對傳感器特性的影響。由經編間隔織物的壓縮可知，表面結構對其壓縮性能影響不大，因此本文不研究表面結構對間隔織物壓力電容傳感器性能的影響。

表1 經編間隔織物規格Tab.1 Warp-knitted spacer fabric specification parameters

圖2 經編間隔織物表面結構Fig.2 Surface structure of warp-knitted spacer fabric.(a) Structure 1; (b) Structure 2; (c) Structure 3; (d) Structure 4; (e) Structure 5; (f) Structure 6

傳感器電極：電極采用一種單面膠導電布，這種單面膠導電布由深圳市永譽膠黏制品有限公司提供，是在高強度的聚脂纖維布上鍍以高導電的銅與鎳混合金屬，再涂布以高導電性的亞克力自黏膠而成。其厚度為0.1 mm，寬度為10 cm，長度可根據使用情況自行剪裁，本文使用長度為10 cm，電阻為105Ω/cm2，具有一定的柔韌性、導電性，耐磨及抗高溫性，另具較為優良的服貼性。

1.2 實驗儀器與實驗條件

本文主要研究間隔織物壓力電容傳感器的電力學性能，即力與電容的關系，采用YF-900壓縮儀器為TH2830型電容測量儀器。實驗溫度為16 ℃，濕度為64%。

為減少寄生電容對實驗的影響，以及防止電容與壓縮儀器產生諧振現象，在壓縮儀器的上下鐵盤上用強力膠黏貼木塊，木塊與間隔織物壓力電容傳感器直接接觸，根據作用力與反作用力原理，木塊的添加并不會改變力值大小。電容測量儀器的測試速度設定為慢速，測試頻率采用100 kHZ。根據 FZ/T 01051.2—1998《紡織材料和紡織制品壓縮性能 第2 部分 連續壓縮特性的測定》進行壓縮實驗，壓縮速度為10 mm/min，樣品規格為10 cm×10 cm。實驗方式如圖3所示，每壓縮10%的應變，記錄此時的力與電容值。每種規格樣品，取5次實驗中結果的平均值作為最后實驗結果。由于間隔織物具有一定的厚度，不能進行100%的壓縮，而且隨著壓縮距離的減少，應力越來越大，為保證實驗的精確性，當應變超過60%時，以實際的壓縮距離作為應變。

圖4 傳感器的應力與電容以及電容變化率曲線Fig.4 Sensor characteristic curve of stress-capacitamce (a) and stress-relative capacitance(b)

圖3 實驗過程示意圖Fig.3 Experimental process

2 結果與分析

將實驗數據在Origin中作圖，得到應力-電容曲線圖、應力-電容變化率曲線，結果(見圖4)和應力-應變曲線圖(見圖5)。分別研究這6種間隔織物壓力電容傳感器的線性度和靈敏度。

圖5 傳感器的應力與應變曲線Fig.5 Sensor characteristic curve of stress-strain

2.1 間隔織物壓力電容傳感器曲線特征

由間隔織物壓力電容傳感器的應力-電容曲線(見圖4(a))可知，這6種傳感器應力-電容曲線都呈現出以下規律：隨著應力的增大，電容逐漸增大。當應力小于50 kPa時，電容的增大趨勢較為急劇；當應力大于50 kPa時，電容的增大趨勢逐漸變緩。結合間隔織物壓力電容傳感器的應力-應變曲線，以及對傳感器的輸出特性進行線性化處理的原則，將應力-電容曲線劃分為3個階段[13]，且這3個階段對應傳感器壓縮的彈性區、平臺區和壓潰區[14]。第1階段為0～30%應變區域，該區域為壓縮的彈性區，電容隨應力的增大呈現出近似線性的增大趨勢；第2階段為30%～60%應變區，該區域為壓縮的平臺區，電容隨著應力的增大而急劇增大；第3 階段為60%～85%應變區，該區域為壓縮的壓潰區，電容隨應力的增大而呈現出緩慢增大的趨勢。

2.2 間隔織物壓力電容傳感器線性度特征

線性度是描述傳感器靜態特性的幾個性能之一。所謂傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離直線的程度，又稱為非線性誤差[13]，可用下式表示：

式中：ΔImax為輸出量和輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差；YFS為輸出滿量程值。

由傳感器的應力-電容曲線圖可知，間隔織物壓力電容傳感器是非線性的，絕大多數傳感器都不具備y=bx這種理想線性特性。在使用非線性傳感器時，為直觀顯示，便于使用，必須對傳感器的輸出特性進行線性化處理[15]。擬合直線的方法很多，同一種傳感器，采用不同的擬合方法，其線性度是不同的，因此擬合的原則是通過簡便的計算獲得盡可能小的非線性誤差，常用的方式有端點直線法、端點平移直線法、最小二乘法。端點直線法，計算簡便，但是擬合精度低，非線性誤差大，只能粗略估計，只適用于靜態特性曲線非線性較小的傳感器；端點平移直線法，其非線性誤差比端點直線法降低一半，提高了擬合精度；最小二乘法擬合精度很高，但是計算繁瑣，不過現在利用擬合軟件可以較為方便地擬合[15]。本文采用最小二乘法利用Origin軟件對間隔織物壓力電容傳感器的3個階段進行y=a+bx線性擬合，計算每個階段的線性度，分別用E1、E2和E3表示，線性度計算結果如表2所示。

表2 傳感器3個階段的線性度及應變范圍Tab.2 Linearity and strain range of sensor in three stages

線性度越小，其非線性誤差越小，則傳感器線性越好。由線性度計算結果可知，這6種傳感器都在第1階段呈現出較好的線性，這一階段處于壓縮的彈性階段，應變隨應力呈現出近似線性的變化，而在小應變階段，電容隨應變的變化也可以看成近似線性的變化，因此第1階段線性度最好。而隨著壓縮的進行，應變與應力的線性度越來越差，電容與應變的線性度也越來越差，因此傳感器在第2階段和第3 階段的線性度逐漸變差。

2.3 間隔織物壓力電容傳感器靈敏度性能

傳感器的靈敏度S是其在穩態下輸出的增量Δy與輸入增量Δx的比值，表示傳感器對輸入變化的反應能力[15]。在國際傳感器領域，尤其是電容傳感器領域，研究學者們大都以單位壓力ΔF下電容變化的百分比ΔC/C0表示傳感器的靈敏度[16-18]，計算公式為：

間隔織物壓力電容傳感器是非線性傳感器，其應力-電容變化率曲線上的Δy/Δx只能表示在某一工作點的靈敏度。本文上述部分進行了間隔織物壓力電容傳感器線性度研究，將應力-電容曲線分階段進行線性處理。仍采用相應的分段方式，分別對應力-電容變化率曲線3段進行擬合，用該階段的斜率表示這個階段的靈敏度。間隔織物壓力電容傳感器3個階段的靈敏度分別用S1、S2和S3,結果如表3所示，并記錄相應的應力范圍。

表3 傳感器3個階段的靈敏度及應力范圍Tab.3 Sensitivity and stress ranges for three stages of sensor

2.3.1間隔織物壓力電容傳感器靈敏度特征

由表3可知，這6種規格的傳感器，其靈敏度在整個壓縮過程中呈現出先增大后減小的規律，其中第2階段的靈敏度最高，第3階段的靈敏度最低。由于經編間隔織物的規格不同，其壓縮性能不同，每個階段內的應力范圍也不同。由上述結果可看出：第2階段應力范圍最小，在2.281～14.844 kPa；第3階段應力范圍最大，在172.210～368.065 kPa。這主要是因為第2階段是壓縮的平臺區，此階段的應力的增幅很小，在幾千帕至十幾千帕之間(見圖5)，而應變很大可達30%，電容變化率在120%左右(見圖4(b))，其靈敏度高。而第3階段是壓潰區，應力增幅很大，應變較小，在10%～25%之間，雖然這個階段電容變化也很大，可達188.393%～716.201%，但是應力的增幅更大，所以這個階段的靈敏度最低。

2.3.2間隔織物壓力電容傳感器靈敏度影響因素

結合間隔織物的規格(見表1)可知，在傳感器的第1階段和第2階段中，靈敏度受間隔絲粗細的影響較大，呈現出間隔絲越細，靈敏度越大的趨勢。而在第3階段，靈敏度的高低與間隔絲粗細之間的關系不明顯，但是與間隔絲的密度呈現一定規律：在傳感器的第3階段，靈敏度主要受到間隔絲密度的影響，間隔織物間隔絲的密度越大，靈敏度越低。2#的靈敏度最大，其間隔絲密度最小為63；3#的靈敏度最小，其間隔絲密度最大。

當間隔絲粗細相同時，壓力電容傳感器的電容變化率受間隔絲長度和間隔絲密度影響。當間隔絲的長度相差不大時，靈敏度主要由間隔絲密度決定，間隔絲密度小時，電容變化率大，如1#和2#；當間隔絲長度相差較大時，在壓力電容傳感器的第1階段和第2階段，其靈敏度主要受間隔絲長度的影響，間隔絲密度對靈敏度的影響較小，間隔絲越長，靈敏度越大，產生這種現象的主要原因是間隔絲的抗彎剛度與間隔絲長度的平方成反比[19]，相同應力下，間隔絲越長，形變越大，電容變化率越大，從而靈敏度越高。但隨著壓力電容傳感器極板間距離的減小，進入傳感器的第3階段，間隔絲密度對其靈敏度的影響越來越大，這時候間隔絲密度越小，靈敏度越大。如3#和4#、5#和6#，在第1、第2階段，間隔絲較長的3#和5#，其靈敏度大，在第3階段，間隔絲密度較小4#和6#，其靈敏度較大。

另外，間隔織物壓力電容傳感器靈的重復性與間隔織物的抗壓回彈性和抗壓縮疲勞性有密切關系。隨著壓縮次數的增加，間隔織物的初始厚度降低，造成初始電容值變大，而應力逐漸減小，從而產生重復性誤差。

3 結 論

以6種規格的間隔織物為介質，對間隔織物壓力電容傳感器的輸出曲線進行線性處理，將傳感器的輸出曲線即應力-電容曲線分為3個階段，研究了間隔織物壓力電容傳感器的靜態特性中的線性度、靈敏度，得到主要結論如下。

1)間隔織物壓力電容傳感器的應力-電容曲線，在小應力下，電容呈現出較為急劇的增大趨勢，在大應力下，呈現緩慢增大趨勢的特征。傳感器第1階段的線性度最好，而后隨著壓縮的進行，線性度越來越差。

2)間隔織物壓力電容傳感器第2階段的靈敏度最高，第3階段的靈敏度最低。間隔絲的粗細對第1第2階段的靈敏度影響較大，間隔絲越細，其第1第2階段的靈敏度越高。第3階段的靈敏度主要受到間隔絲密度的影響，間隔絲密度小的傳感器，其靈敏度高。

3)在設計間隔織物壓力電容傳感器時，綜合線性度、靈敏度和重復性能等，選擇合適規格的間隔織物作為壓力電容傳感器的介質。

FZXB