纺织基柔性压力传感器无线传输系统设计与实现

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近年来,由于人工智能和自动化技术的迅速发展,人们对智能可穿戴电子产品的需求不断提升,并使得它成为目前的研究热点之一。智能传感纺织品是可穿戴纺织品的重要组成部分,在智能纺织品的应用中,制备具有高灵敏度的柔性压力传感器并与纺织品的无缝集成是其中最为重要的一个因素,因此目前有不同结构聚合物集合体的材料作为基材来制备柔性压力传感器。纺织材料由于具有独特的纺织结构、优良的弹性、亲肤性,并能与服装无缝连接等特性而受到广泛应用,被认为是制备柔性压力传感器的最为完美的材料。首先,由于二维纺织结构的材料与人体及物体的接触面积小,在压缩变形较大的情况下难以满足传感的要求。因此选用结构复杂、压缩量较大,并与人体皮肤有较大接触面积的纺织织物来制备柔性压力传感器,从而有效地提高器件的传感性能。其次,考虑到传统的检测设备体积较大,不能实现人体可穿戴的功能。因此选择合适的检测设备用于传感器信号的检测成为一大难题。所以需要开发一种体积较小的检测设备,既能全方位地监测人体信号,又能解决人体可穿戴的难题。本文选用三维间隔织物与聚氨酯海绵作为柔性基材,石墨烯溶液作为活性材料,分别制备两种纺织结构的柔性压力传感器,将两种传感器组合成阵列,结合两者的传感特性开发传感器控制器。研究两种不同纺织结构压力传感器的性能,分析其在人体可穿戴、静态物体分辨率识别上的应用。具体研究内容如下:1、以三维针织结构的间隔织物作为柔性基材,石墨烯溶液作为导电活性物质,通过浸泡的方法制备了三维纺织结构的柔性压力传感器。选取的间隔织物具有良好的弹性和柔韧性,内部包覆的涤纶长丝有极强的耐久性和耐腐蚀性,是制备柔性压力传感器的良好基材。制备的三维织物柔性压力传感器可重复性良好、耐久性优良、机械稳定性持久。将三维针织结构的柔性压力传感器组装成阵列,开发了压力传感器控制器,并将传感器阵列与计算机、控制器、手机蓝牙结合成电子智能纺织品。其中,控制器以STM32F103C8T6单片机作为主单元,连接外部设备,结合蓝牙,实现数据采集与无线传输。2、为了弥补三维织物存在弹性不足的缺陷,选用具有复杂多孔结构的海绵作为柔性基材,一定浓度的石墨烯溶液充当活性材料,制备高弹性的柔性压力传感器。由于海绵固有的回弹性和舒适性,使得该传感器具有优良的传感性能。组装具有三维多孔结构的柔性压阻式压力传感器阵列,连接控制器,组合成无线传输系统,以进一步探索它的应用。3、将上述制备好的两种纺织结构的柔性压力传感器组合成无线传输系统,并连接到人体的不同部位,对人体的各种生理信号进行检测。如步行、跑步、深蹲及人体静态动作的识别等,此外,整个无线传输系统还能识别静止物体的空间压力分辨,分辨手指的触摸位置以及识别接触力的大小。总的来说,我们设计的两种柔性压力传感器无线传输系统在健康医疗、运动时尚、人机交互等领域具有广阔的应用前景。
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