經(jīng)編光纖傳感織物結(jié)構(gòu)變化對光纖彎曲損耗的影響

楊 昆， 李美奇， 張 誠， 郭 溪

(1. 天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學 電子與信息工程學院， 天津 300387)

隨著新型材料與紡織技術(shù)的不斷發(fā)展和融合，用于監(jiān)測生理參數(shù)[1-3]、壓力[4]和應(yīng)變[5]等信號的智能傳感織物，在生物醫(yī)學、通信和航空等領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。其中，光纖傳感織物因具有抗電磁干擾、靈敏度高、安全和柔韌性好等特點，在可穿戴領(lǐng)域占有一定的優(yōu)勢且受到許多研究人員的青睞[6-8]。機織結(jié)構(gòu)挺括密實、透氣性和彈性較差，而針織結(jié)構(gòu)具有良好的彈性、回復(fù)性和柔軟性等特點[9]，因此針織結(jié)構(gòu)更適合作為光纖傳感織物的載體。目前，國內(nèi)外關(guān)于針織結(jié)構(gòu)光纖傳感織物的研究主要集中在實現(xiàn)光纖傳感器和紡織結(jié)構(gòu)的整合方式上[10-12]，且大都基于緯編結(jié)構(gòu)，對經(jīng)編結(jié)構(gòu)的研究較少。另外，傳感織物在實際使用的過程中會受到拉伸力或者其他外力作用，光纖也會受其影響發(fā)生彎曲，從而產(chǎn)生彎曲損耗[13-15]，直接影響了其傳感性能。

本文利用經(jīng)編技術(shù)，將光纖作為襯緯紗線織入雙梳經(jīng)編結(jié)構(gòu)中，形成經(jīng)編光纖傳感織物。分析織物在受到縱向拉伸力時，其織物結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律及其對光纖彎曲損耗的影響，并通過測試電壓值的變化來表征光纖中光信號的傳輸效果。

1 實驗部分

1.1 材 料

傳感織物由編織紗織造的地組織和光纖襯緯紗組成。襯緯紗選用江西大圣有限公司生產(chǎn)的直徑為1 000 μm的聚合物光纖，其最小彎曲半徑為 25 mm，傳輸損耗為210～230 dB/km。編織紗參數(shù)如表1 所示。

表1 編織紗參數(shù)

Tab.1 Parameters of knitting yarns

紗線編號種類顏色線密度/tex排列位置工作針數(shù)Y1棉紗紅色36.67前梳8Y2棉紗粉色33.33前梳34Y3棉紗黃色36.00前梳4Y4棉紗白色35.00后梳46

1.2 織 物

地組織為經(jīng)平絨組織(前梳經(jīng)絨墊紗，后梳經(jīng)平墊紗)。采用粉色和白色紗線分別編織織物的主體，紅色紗線標示光纖襯緯紗的橫移范圍，黃色紗線標示布邊，各色紗線在每把梳櫛上的穿紗方式參見圖1。

圖1 編織紗的穿紗方式

Fig.1 Threading of knitting yarns

光纖以2個半徑為10 mm的半圓反向連接的形式(見圖2)襯入到地組織中，與地組織一起構(gòu)成了傳感織物[16]。

圖2 傳感單元形狀

Fig.2 Shape of sensing unit

依據(jù)襯緯光纖的墊紗軌跡要求，結(jié)合織物線圈形態(tài)系數(shù)(線圈寬度和高度的比值，在數(shù)值上等于織物縱密和橫密的比值)，計算得出光纖襯緯紗的墊紗數(shù)碼:0-0/0-0/2-2/3-3/4-4/5-5/6-6/7-7/7-7/6-6/5-5/4-4/3-3/2-2/0-0/0-0//。

本文的傳感織物在實驗室的經(jīng)編小樣織機[17]上編織。該機為單針床，機號E12，采用舌針。傳感織物樣品如圖3所示?？梢钥闯鲆r緯光纖的墊紗軌跡，織物的上機寬度為95 mm，下機寬度為70 mm，橫向收縮率為26.3%，橫密值為7根/cm，縱密值為8根/cm。

圖3 經(jīng)編光纖傳感織物成品(反面)

Fig.3 Warp knitted optical fiber sensing fabric(back side)

1.3 性能測試

1.3.1 線圈結(jié)構(gòu)測量

將試樣織物水平放置，設(shè)置試樣初始夾持長度為2.5 cm，參照FZ 70002—1991 《針織物線圈密度測量法》，利用Z16APOA型Leica超景深三維顯微系統(tǒng)測量在縱向拉伸率為0%、10%、15%、20%和25%時試樣的線圈高度和寬度，選擇8個不同的位置測量，取平均值。

1.3.2 織物厚度測量

參照GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，利用YG141LA型織物厚度儀和42BYG250Bk-B型電動平移臺測量試樣厚度。設(shè)置電動平移臺拉伸總長度為20 mm，每次拉伸距離為2 mm，利用織物厚度儀測量每次縱向拉伸后的織物厚度，共5次，取平均值。壓腳面積為 2 000 mm2，加壓壓力為2 kPa，加壓時間為30 s。

1.3.3 傳感織物光性能測試

利用IF E91D型光源為試樣提供光信號，利用IF D91 PIN型光電探測器將檢測到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并通過Lab View數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。利用dp1308a型電源為光源和光電探測器提供電壓。設(shè)置電源電壓為5 V，設(shè)置電動平移臺的額定工作頻率為3 000 Hz，拉伸總長度為20 mm，拉伸和回復(fù)總時間為60 s，分別采集拉伸回復(fù)60 s和拉伸回復(fù)20 mm過程中的電壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 線圈結(jié)構(gòu)和織物厚度

圖4 不同拉伸率下線圈高度、線圈寬度和延展線長度

Fig.4 Stitch height(a) and stitch width(b) at different stretch rates

光纖通過局部襯緯的形式襯入地組織中，實現(xiàn)了光纖與經(jīng)編織物的結(jié)合，這樣既能將光纖“編入”織物中，又能獲得較為穩(wěn)定的織物結(jié)構(gòu)。圖4、5分別示出傳感織物縱向拉伸過程中地組織受到縱向拉伸時線圈結(jié)構(gòu)和織物厚度的測量結(jié)果?？梢姡趯?jīng)平絨織物進行縱向拉伸時，隨著拉伸距離增大，織物線圈高度增大，而線圈寬度減小?？椢锖穸仍诶爝^程中呈減小趨勢，回復(fù)過程中呈增大的趨勢。

圖5 織物厚度與拉伸長度的關(guān)系

Fig.5 Relationship between fabric thickness and stretch length

2.2 傳感織物光性能

圖6示出60 s內(nèi)拉伸長度與輸出電壓的關(guān)系?？梢?，傳感織物在拉伸回復(fù)60 s的過程中電壓表現(xiàn)為先減小后增大的周期性循環(huán)。電壓值波峰波谷出現(xiàn)的時間和拉伸回復(fù)時間基本吻合。進一步分析拉伸回復(fù)20 mm過程中電壓值變化規(guī)律(見圖7)發(fā)現(xiàn)：傳感織物在拉伸過程中電壓呈減小的趨勢，當電壓減小到一定程度后趨于平穩(wěn)；在回復(fù)過程中，電壓呈先增大后減小的趨勢。

Fig.6 Relationship between stretch length and output voltage within 60 s

Fig.7 Relationship between stretch length and output voltage within 20 mm. (a)Stretch;(b)Recovery

假設(shè)在拉伸過程中，光纖只產(chǎn)生了宏彎損耗[18]，那么隨著拉伸距離增大，光纖彎曲半徑增大，宏彎損耗減小[19]，電壓應(yīng)呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，這與實際測試結(jié)果不符，因此推斷在拉伸回復(fù)過程中，光纖所產(chǎn)生的損耗不僅只有宏彎損耗。

當傳感織物受到縱向拉伸力時，織物結(jié)構(gòu)改變，由于受到拉力和線圈的擠壓，襯緯光纖隨之會在織物水平方向和厚度方向發(fā)生彎曲變形。水平方向表現(xiàn)為光纖彎曲半徑隨織物拉伸而增大，宏彎損耗減小。厚度方向上，為便于分析，將光纖在織物中的形態(tài)進行簡化處理，并假設(shè)光纖未被拉伸時不受外力作用為直線狀態(tài)，光纖和棉紗橫截面為均勻光滑的圓形。對于一個線圈單元來說，光纖在織物中的狀態(tài)如圖8所示。當拉伸傳感織物時，假設(shè)襯緯光纖和編織紗的直徑不變，從織物截面方向(見圖9)可看出，襯緯光纖受到來自織物正面線圈(F1，F(xiàn)2)和反面延展線(F3)的外力作用，由原來的直線狀態(tài)變成微彎狀態(tài)。

圖8 光纖在織物中的形態(tài)模擬

Fig.8 Morphology simulation of optical fiber in fabric

圖9 拉伸時織物截面圖

Fig.9 Sectional view of fabric during stretching.(a)Unstretched; (b) Stretched

當傳感織物在受到縱向拉伸力時，織物厚度減小，擠壓光纖，造成光纖產(chǎn)生極小的微彎。根據(jù)微彎損耗理論可知，微彎個數(shù)和微彎凸起的高度與微彎損耗成正比[20]。地組織延展線和圈干交叉點越多，微彎個數(shù)越多；拉伸作用力越大，織物對光纖的擠壓作用越大，微彎凸起的高度越大，因此拉伸過程中產(chǎn)生的微彎損耗越大，電壓越小。由此可知，在對傳感織物進行縱向拉伸時，宏彎和微彎相互作用，若宏彎作用大于微彎作用，電壓則呈現(xiàn)增大趨勢；若微彎作用大于宏彎作用，電壓則表現(xiàn)為減小趨勢。對于本文傳感織物，拉伸回復(fù)過程中，電壓先減小后增大，說明拉伸時產(chǎn)生的微彎作用大于宏彎作用。這是由于經(jīng)平絨地組織較為厚實，延展線較長，對光纖的束縛力較大，產(chǎn)生的微彎損耗也越大。

3 結(jié) 論

本文將光纖作為襯緯紗線織入以經(jīng)平絨為地組織的經(jīng)編織物中，形成了經(jīng)編光纖傳感織物，并對其施加縱向拉伸力，分析了織物結(jié)構(gòu)變化規(guī)律和光纖彎曲損耗對傳感織物光信號傳輸效果的影響。傳感織物在縱向拉伸過程中，織物厚度減小，織物對光纖產(chǎn)生擠壓從而造成光纖微彎。拉伸時，宏彎和微彎損耗相復(fù)合，若宏彎損耗起主導(dǎo)作用，則表現(xiàn)為電壓增大；若微彎損耗起主導(dǎo)作用，則表現(xiàn)為電壓減小。光纖的彎曲損耗還受很多因素的影響，同時這些因素也影響了光纖的其他性能，本文雖然簡化這些影響因素，但在實際應(yīng)用和研究中應(yīng)該統(tǒng)籌考慮各種影響因素，使光纖傳感織物達到更好的效果。

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