随着可穿戴设备的迅速发展,其中的关键性元件—柔性传感器的开发和使用也得到越来越多的研究和重视。柔性传感器开发的关键是要满足人体服用和运动的需要。由纺织工艺制备的一维柔性应变式传感器凭借其天然的优势,可以满足亲肤和各种二次加工的需求,已经成为开发柔性传感器的重要平台之一。目前,典型一维柔性应变传感器有纱线类、绳类。其中,纱线类传感器的制备已被广泛研究,通常采用包缠法制备皮芯结构的导电纱线,或直接对不导电纱线进行导电处理。这类纱线传感器的制备流程比较简单,但是这类传感器的应变传感性能,诸如重复性和稳定性很大程度上取决于纱线制备工艺及敏感材料制备方法。相对而言,绳类应变传感器近年来受到关注,已初步证实了编织绳用作应变传感器的可能性:采用编织工艺一体交叉成型,稳定性高,并且其形成的交叉电路有利于拉伸过程中接触电阻的改变形成不同的导电通路。但目前很少关注编织绳的加工工艺与传感性能之间的关系。针对目前绳状一维柔性应变传感器的研究现状,本课题制备了一种基于编织绳结构的一维柔性应变传感器,将涤纶复丝采用编织工艺包在高弹性氨纶芯纱表面,形成皮芯结构编织绳,然后采用聚吡咯原位聚合的方式进行导电处理,得到编织绳柔性应变传感器。本课题将就编织绳柔性应变传感器的主要成型结构参数—编织根数和编织角对其传感性能的影响,展开传感器成型及性能评价研究。课题的主要研究内容如下:(1)针对编织绳成型结构参数—编织根数对编织绳柔性应变传感器传感性能的影响,评价不同编织根数下传感器的机电性能,根据传感范围及敏感性优化选择编织纱根数,发现编织根数的改变对编织绳传感器的传感性能有显著影响。以4根、6根、8根纱线编织可拉伸皮芯绳,并进行聚吡咯原位聚合制备传感器,采用光学显微镜对聚合处理后的编织绳柔性应变传感器进行表观形态观测,证实导电膜在纱线表面涂覆均匀良好,进而进行传感性能分析测试。在时间依赖性测试中,分别针对5分钟之内的蠕变和应力松弛进行时间常数分析,结果显示8根纱编织绳传感器的响应时间常数最小,因为编织根数多,皮芯结构包裹紧密,形成结构越稳定。在灵敏度测试中,对三种结构的编织绳柔性应变传感器进行50%的应变拉伸,测试表明编织纱根数越多,传感器的灵敏度越好。相比较而言,8根编织纱的灵敏度GF最优,可以达到0.045,但应变电阻响应范围很小,只有16%,满足不了人体运动幅度要求。这主要是由于编织根数为8根时,纱线初始模量大,拉伸时电阻易发生突变造成。另一方面,在应变为50%的拉伸循环下传感器的滞后度随着编织绳根数的增多而变大,在编织根数为8根时,滞后度为18%。原因在于8根的编织绳刚性大,纱线的柔软性降低,导致纱线的拉伸回复率降低,拉伸循环内的差异增加。此外,在重复性测试中,当循环拉伸应变为50%时,编织根数越多重复性越好,通过SEM观测可知,造成4根重复性较差的主要原因是拉伸过程中聚吡咯的破裂所致。综合比较应变响应范围、敏感性和重复性,本研究选取编织根数为6根的编织绳柔性应变传感器继续进行传感性能研究。(2)针对编织绳的另一成型参数—编织角度对编织绳柔性应变传感器传感性能的影响进行探究,对比两种成型参数对编织绳柔性应变传感器的影响程度,发现编织根数对编织绳传感器的传感性能影响更显著,并进一步阐明了编织导电绳的电阻变化机理。在编织根数为6根的编织绳柔性应变传感器的基础上,制备20°、30°、40°三种规格的编织导电绳。在灵敏度测试中,三种规格的编织导电绳的灵敏度差异不大,并就编织角度与编织根数对灵敏度的影响进行显著性分析,发现编织根数对灵敏度的影响更大。并且,随着编织角的增大,滞后度降低,对比分析编织角与编织根数对滞后度的影响发现,编织根数对传感器的滞后度影响更大。进一步,对不同拉伸速率和不同拉伸幅度下编织绳柔性应变传感器的重复性进行探究。在最大应变50%的下进行应变速度为10mm/min、20mm/min、50mm/min、100mm/min的应变-电阻测试,结果显示编织绳柔性应变传感器的电阻变化趋势没有随应变速度出现明显的改变。这说明该编织绳柔性应变传感器能够满足不同速度下的稳定性测试要求。另一方面,以应变速度为50mm/min分别进行最大应变为5%、10%、20%、30%、50%的拉伸,记录电阻随时间的变化,观察到电阻随着应变的拉伸释放循环有规律的变化,且响应重复性高。接着对拉伸过程中的应变-电阻曲线的M形峰值进行分析,随着编织绳应变的不断增加,电阻呈现先增加后减小的趋势。该趋势的主要形成原因是,在拉伸过程中接触电阻由面接触到点接触,再到面接触形成串并联电路所致。(3)评价涂层定型对编织绳应变传感器的传感性能的影响及其在人体肢体监测中应用效果,结果显示涂层定型对编织绳柔性传感器的传感性能有一定的改善作用,并证明其满足服用需要。对原位聚合后导电绳进行PDMS涂层定型处理,评价涂层过后传感器的电阻环境稳定性和表观形态。PDMS涂层在编织导电绳表面的被覆效果良好,同时对比经过30天的电阻变化,证明PDMS涂层对编织绳的聚吡咯导电层有很好的抗氧化保护作用。进一步测试比较涂层前后编织绳传感器的传感性能,相较于涂层之前的机电性能,传感器的灵敏度和重复性没有显著改善,但滞后度明显变小,仅为1.11%,证明PDMS对编织绳传感器的滞后度有显著改善。在此基础上,进一步检验编织绳柔性应变传感器应用于人体关节运动监测状态的可行性,选用传感性能最佳的编织根数为6根的编织绳柔性应变传感器进行不同速率下的手指关节全弯曲运动测试。结果表明,在不同的运动频率下,传感器的电阻随运动频率实时变化,能明显区分运动频率,这说明编织绳柔性应变传感器可以满足的肢体运动状态监测。综上可得,针对编织绳柔性应变式传感器,通过研究其编织结构参数—编织根数和边编织角对传感性能的影响,建立了编织工艺及结构与传感性能之间的关系,初步阐明了其拉伸电阻变化机理,证实了涂层定型对传感性能的改善,并验证了该传感器在人体肢体运动状态检测方面的应用效果。此外,这些研究结果对其他基于编织绳结构的柔性可穿戴器件具有推广应用价值。