（纺织材料与纺织品设计专业论文）导电纤维纺织结构传感器及柔性织物键盘的设计研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

浙江卿工大学硕士学位论文 导电纤维纺织结构传感器及柔性织物键盘的设计研究 摘要 论文分为两部分：第一部分，将耐高温导电纤维材料，通过传统纺织工艺加工成一个 纺织结构温度传感器，拟解决高温下大应变测量的难题；第二部分，从织物组织设计、电 路设计，以及织物组织与电路的配合 h 发研制一种柔性织物键盘。 本论文首先对当前用于智能材料的应变传感器、温度传感器和柔性键盘的研究现状进 行了分析，论述了本文研究的目的与意义，指出论文的创新点、重点、难点、和关键点以 及主要的研究内容。 针对高温下大应变传感的要求，利用不锈钢导电针织物作为温度传感器，获得电阻与 温度之间的关系。通过实验发现，不锈钢纱线和织物的电阻都随温度发生变化，织物的电 阻随温度升高而下降，这与纱线的电阻随温度升高而升高相反，织物相对电阻变化的灵敏 度约为纱线相对电阻变化灵敏度的1 8 倍，这说明纺织结构有利于提高温度传感的灵敏度。 对碳纤维导电针织物也进行了温度传感的研究。实验表明：与不锈钢纱相反，碳纤维 纱线的电阻随温度升高而下降，这与碳纤维的本身特性相关；碳纤维纱线及其织物均具有 较好的传感线性性及重演性，且碳纤维织物随升降温循环次数的增加，升降温重演性有变 好的趋势；织物的电阻变化灵敏度略好于碳纤维纱线电阻变化的灵敏度；湿度对碳纤维织 物的电阻值影响不大。通过一系列实验与分析，证明了不锈钢纤维和碳纤维的纠织结构是 可以进行高温传感测量的。 另外，本文还定性地分析了导电针织物温度传感的机理，得出织物电阻的变化主要是 由于热膨胀导致接触电阻的变化而引起的。 利用导电纤维、导电浆料、电子元件等，通过织物组织设计与电路设计，研制出一种 柔性织物键盘，并对制得的键盘进行了相关的测试工作，该键盘除具有普通键盘的功能外， 还具有织物本身的特点，如柔性、可折叠、防尘、防异物、可洗、操作无噪音等，可为未 来可穿戴式电脑提供方便的输入设备。 关键词：智能纺织材料；导电纤维；纺织结构；温度传感；织物键盘；组织设计； 电路设计 浙江理工大学硕士学位论文 t h ed e s i g na n ds t u d yo fc o n d u c t i n gf i b e rt e m p e r a t u r es e n s i n gb a s e do nt e x t i l e s t r u c t u r ea n df a b r i ck e y b o a r d a b s t r a c t t h i st h e s i si n c l u d e st w op a r t s ：f i r s t ，t e x t i l es t r u c t u r e so fc o n d u c t i n gf i b e rw e r ed e s i g n e d u s i n gt r a d i t i o n a lt e x t i l ep r o c e s sf o rs e n s i n gl a r g es t r a i nm e a s u r e m e n tu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ； s e c o n d ，at y p eo ff l e x i b l ef a b r i ck e y b o a r dw a sd e v e l o p e df r o mt h ef a b r i cw e a v ed e s i g n ，c i r c u i t d e s i g na sw e l la st h ec o o r d i n a t i o no f t h ew e a v e a n dc i r c u i t f i r s t l y , t h es t u d ys i t u a t i o no ft e m p e r a t u r es e n s o r , s t r a i ns e n s o rm a d eo fs m a r tm a t e r i a la n d f a b r i ck e y b o a r dw e r er e v i e w e d t h e n , t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h et h e s i sw e r ed e s c r i b e d ； a l s o ，t h ei n n o v a t i o np o i n t ，e m p h a s i s ，d i f f i c u i t ya n dk e yp o i n ta sw e l la st h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t w e r ei n t r o d u c e d t h es t a i n l e s ss t e e l ( s s ) y a mk n i t t e ds t r u c t u r ew a sd e s i g n e df o rs o l v i n gt h ed i f f i c u l tp r o b l e m o fl a r g es t r a i nm e a s u r e m e n tu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e i th a sb e e nf o u n dt h a tt h er e s i s t a n c eo fs s y a ma n ds sf a b r i cw e r ea f f e c t e db yt e m p e r a t u r e ，t h er e s i s t a n c eo ft h ef a b r i cd e c r e a s ea st h e t e m p e r a t u r ei n c r e a s e s , i nc o n t r a s tw i t ht h es sy a m o fw h i c ht h er e s i s t a n c ei n c r e a s e s 嬲t h e t e m p e r a t u r ei n c r e a s e s t h es e n s i t i v i t yo f t h ef a b r i cr e l a t i v er e s i s t a n c ec h a n g ew i t ht e m p e r a t u r ei s a b o u t1 8t i m e sa sh i i g ha st h a to ft h ey a m w h i c hs u g g e s t st h a tt e x t i l es t r u c t u r ei su s e f u lt o i n c r e a s et h es e n s i t i v i t yf o rt e m p e r a t u r es e n s i n g a ni n v e s t i g a t i o na l s oh a sb e e nc o n d u c t e do nc a r b o nf a b r i c ( c f la st e m p e r a t u r es e n s o r t h e r e s u l ts h o w e dt h a t ，t h er e s i s t a n c eo fc a r b o nf i b e ry a m sd e c r e a s e sa st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ， w h i c hr e l a t e dt ot h ei n t r i n s i cp r o p e r t yo f t h ec a r b o nf i b e r ；c a r b o nf i b e ra n dc fd i s p l a yah i g h e r l i n e a r i t ya n dr e p e a t a b i l i t yt h a nt h o s eo fs sy a m sa n ds sf a b r i c t h er e p e a t a b i l i t yb e t w e e nt h e t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n ga n dd e c r e a s i n gb e c o m e ss m a l l e ra st h ec y c l ei n c r e a s e s 1 1 1 er e s i s t a n c e s e n s i t i v i t yo f f a b r i ci ss l i g h t l yb i g g e rt h a nt h a to fc a r b o nf i b e ry a m s ，a n dt h eh u m i d i t yh a ss l i g h t e f f e c to nt h er e s i s t a n c eo fc a r b o nf i b e rf a b r i c b yt h ee x p e r i m e n t sa n da n a l y s i s ，i ti sp r o v e dt h a t t h es sa n dc a r b o nf i b e rk n i t t e ds t r u c t u r e sc a nb eu s e dt om e a s u r et h eh i g ht e m p e r a t u r e i na d d i t i o n ，w ea n a l y z e dt h em e c h a n i s mo ft h et e m p e r a t u r es e n s i n gq u a l i t a t i v e l y , a n d c o n s i d e r e dt h a tt h er e s i s t a n c ec h a n g eo f t h ef a b r i ci nt e m p e r a t u r ec h a n g i n gm a i n l yc a u s e db yt h e c o n t a c tr e s i s t a n c eb e t w e e ny a r n s af l e x i b l ef a b r i ck e y b o a r dw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db yc o n d u c t i n gf i b e r s ，c o n d u c t i n g p a s t ea n de l e c t r i ce l e m e n t s t h r o u g ha c t u a lo p e r a t i o nt e s t , t h ef a b r i ck e y b o a r dn o to n l yh a st h e o r d i n a r yk e y b o a r df u n c t i o n ，a l s oh a st h ef a b r i cc h a r a c t e r i s t i c ，s u c ha ss o f t ，f o l d a b l e ，d u s t p r o o f , f o r e i g nb o d y p r o o f , w a s h a b l e ，o p e r a t i o nn o i s e l e s se t c i ti sa v a i l a b l ef o rp r o v i d i n gt h ec o n v e n i e n t i n p u td e v i c et ow e a r a b l ec o m p u t e r h 浙江卿工大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：s m a r tt e x t i l em a t e r i a l ；c o n d u c t i n gf i b e r s ；t e x t i l es t r u c t u r e ；t e m p e r a t u r e s e n s i n g ；f a b r i ck e y b o a r d ；w e a v ed e s i g n ；c i r c u i td e s i g n 1 1 1 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学术论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我 对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：耘9 争 日期：姊? 月fp 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印版和屯子版，允许论文被查询或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年后解密适用本版权书。 本学位论文属于， 不保馥可。 学位论文作者姓名：鞠p 日期：k 声j 7 1 l 矿e t 指导教师签名：梏献 日期：。7 年夕, e l 彩e t 浙汀理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文研究目的与意义 近年来，随着科学技术的发展，特别是航空、航天技术的飞速发展，对材料的要求 越来越来高，传统材料一旦制成成品，就不可能在使用过程中对其性能实施动态监控，并 且材料只能被动地受环境的影响，不能针对环境的变化做出适当的反应。对于这些不足。 在上世纪7 0 年代末8 0 年代初，受自然界生物具备的某些能力的启发，美国军方为提高 飞行器的性能，首先提出了“智能材料”的概念。 智能材料或者智能纺织品可以定义为“能够在最佳条件响应外界环境的变化，月按照 这种变化显示自己功能的材料叫“，它可以感知到外界环境的变化，并针对这种变化做出 瞬时主动响应，具有自诊断、自适应、自修复、以及靠自身驱动完成特定功能的能力，表 现出动态的自适应性。通过反应的方式，我们可以将它划分为以下三类口】。消极智能材 料，仅具有对外界环境和刺激感知的能力；积极智能材料，具有对外界环境和刺激感 知且反应的能力；高级智能材料，不仅具有对外界环境和刺激感知和反应的能力，还 表现出动态的自适应性。 目前智能材料能够感知的外界“刺激”主要有：机械、光、化学、电、磁【4 1 等等信号 的激励，能够对包括“应力、应变、损伤、温度、压力等参数1 5 ) ，进行检测，但是参阅大 量的文献陋。2 j 之后，我们发现目前在高温下进行大应变的测量尚未有报道，而这种状况是 常常遇到的，比如说复合材料在成型及使用过程就要遇到高温并发生大应变的情况。为了 在高温状态下对大应变进行测量，我们需要一种既能耐高温又能进行大应变测量的传感 器，于是，我们提出了一种新的方法来达到这种要求，利用导电纤维本身的耐高温，通过 纺织结构的弹性性能来达到大应变的要求，制作容易、成本低，这种思路对传感器的研制 及设计具有一定的指导意义并推动智能复合材料的发展，因此本论文的研究有着重要的应 用前景。在论文中，我们首先设计了一种导电纺织结构传感器，然后对该传感器的电阻对 温度响应进行了测试，根据实验结果进行回归分析，得出理论计算式，并且对其有效性与 可靠性进行了论证。 此外，本文还利用导电纤维，通过织物组织设计、电路设计，电子元件与织物的结合， 设计了种织物键盘，该研究在国内尚无公开报道。 1 2 国内外发展动态及研究现状 智能结构材料的首要功能就是感知，它是利用埋入材料中的传感元件来感受各种信 息，经过处理分析，然后指示或控制驱动件工作。智能纤维因尺寸小而特别适合作传感 浙江珲工大学硕士学位论文 元件，存航天航空“】、建筑旧等等领域具有十分重要的作用，具体地从技术角度来讲，目 前智能结构材料的“感知”功能在应变、温度方面的应用最为广泛。 1 2 1 用于智能材料应变传感器的研究现状 目前应用于智能结构材料的应变传感器丰要有光导纤维、形状记忆合金、导电纤维、 压电材科、导电聚吡咯膜等等。如r y u t a r oo i s h i 等人l i “，将形状记忆合金埋入复合材料中， 构成一个智能结构复合材料。他们通过测量形状记忆合金相变时发出的声信号( a c o u s t i c e m i s s i o n ) 来判断出应变的大小以及位置，取得了较好的效果，可以作为对复合材料进行 “健康”检测的应变传感器。d d l c h u n g 在混凝土结构承受变动载荷的容易损伤以 及发生大应变的地方埋入特制的压电材料，通过电阻值的变化来预报构件的剩余疲劳寿 命，也取得了理想的效果。此外，b a r b e r 等人d s 将碳纳米管作为玻璃纤维一丙纶的界面应 变传感器也取得了与传统的微机械测试一致的效果，但该传感器只能在小应变下使用 ( 0 5 2 ) ，限制了它使用范围。 近几年，随着导电高聚物材料的发展，出现了许多导电高聚物材料应用于应变传感的 报道，浙江大学的y l i ，香港理工大学的x u e p 测等，他们将导电聚吡咯膜( p p y ) 覆 盖于织物之上，做成了一个柔性的应变传感器。关于p ry 的应用国外也有相关报道，包括 j a e w o o kp y u 以及k e i i c h ik a n e t o l 2 2 肄人也有在这方面的研究。通过他们的试验表明由 p p y 做成的应变佑感器具有高应变以及较高的稳定性，能够作为对织物、穿着式电脑的传 感之用，但是这种应变传感器不能够在高温情况下应用，也影响了它的使用范围。 1 2 2 用于智能材料温度传感器的研究现状 近年来，由于光导纤维温度传感器具有体积小，损耗低、抗电磁干扰、绝缘性好等优 点，尤其是自光纡布拉格光栅( f i b e r b r a g g g r a t i n g o r f b g ) 传感器以来，由于其具有线性 输出、绝对测量、且测量误差较小( 误差在0 5 1 9 ) 2 3 1 等等优势，广泛应用于工业生产中 【”，成为目前智能材料温度传感器的首选，在国内外也有丈量的应用2 5 - 2 ”。但是由于其检 测设备复杂，成本高，且只能适崩于小应变下的温度传感，检测技术还不十分成熟，影响 了它更大范围的应用。 除光纤以外，最近国内外出现了大量的能够对温度传感的材料，比如4 h s i c 、6 h s i c 、 3 c s 。c 1 3 ，、r u c h f ”1 ( 二氧化钌) 、p l z t ( 镧掺杂p z t ) 口2 】，非接触式的磁薄膜、绝缘体 上外延硅( s i l i c o no ni n s u l a t o r , s 0 1 ) i 圳等等。经实验表明，这些温度传感元件具有较高的 灵敏性，线性度以及热稳定性。 经过大量文献检索和阅读，我们发现单独处理对温度与应变的传感，技术已相当成熟， 2 浙汀理工大学硕士学位论文 实现的手段也比较多，但是对于高温下进行大应变的测鼍尚未有报道，而在实际使用中这 种情况是常常出现的，比如说如要对复合材料成型过程进行监测，因此我们利用耐高温导 电纤维设计了一种纺织结构，通过纺织结构的弹性来达到大应变的要求，满足了在高温下 进行应变测量或高温大应变同时测量的要求，在本论文中对这种纺织结构的温度传感性能 进行了表征和测试。 1 2 3 柔性键盘 键盘作为计算机外围设备的重要组成之一，现在普遍使用的键盘是一个刚性整体，我 们几乎每时每刻都和它打交道，长期使用键盘从事大量录入工作的人，肩、颈肌肉始终处 于紧张状态，容易导致手指重复负荷致伤、肩周炎等。随着时代的发展，人们开始注重键 盘的人性化设计，于是就出现了柔性键盘。柔性键盘作为全新的键盘，它可以卷或折叠， 打开正如普通的电脑键盘，具有体积小，操作简单，携带方便等优点。柔性键盘在国内虽 然没看到相关的报道，但在国外已经有柔性键盘的应用实例，包括在p d a l ”j 、标准键盘 和手机f 3 7 】上的应用，l o g i t c c h 、o r a n g e 、t e c h p i n c h 、s p y d e r 等公司有相关的产品 3 s l 。实际 上，所有这些公司采用的就是一家英国公司名日q e l e k s e n 公司的技术5 州，该公司的技术称为 e l e k t e x 在大约几毫米厚的纺织织物结构中，在x 、y 和z 等3 个轴向有感知，通过这种功能， 织物能够很准确地探测出受压力的部位。 此外，新西兰研制成功用羊毛编制的计算机键盘删，该毛织品键盘是利用s o f t s w i t c h 工艺，毛织品键盘可以像围巾一样卷起来。在羊毛中添加有合成的特殊纤维，这种特殊纤 维能在受压时从绝缘体变成导体。根据特殊纤维的这一性能，只要按压键盘，信号就可以 传送给计算机。毛织品键盘是利用软交换工艺制成的，该工艺常用于制作内装播放器或电 话的运动服。 由此可见，国外已经在柔性织物键盘方面进行了研究，已出现了一些相关的产品，但 国内还未看到相关报道。为此，作为电子织物的应用，我们设计出一个柔性的织物键盘， 与e l e k s e n 公司的产品相比，我们设计的织物键盘为标准的1 0 7 键键盘，与普通键盘更为接 近，而且我们是通过组织设计来形成个个凸起按键，从而达到键盘的手指按键感觉。 1 3 论文研究的主要内容 本文主要结合当前智能材料的研究发展现状，通过纺织结构设计一种导电织物传感 器，拟解决高温下的大应变测量问题，并利用导电纤维。通过织物组织设计、电路设计， 电子元件与织物的结合，研制了个柔性织物键盘。具体地说，论文主要进行了以下几方 面的工作： 3 浙江理工大学硕士学位论文 1 不锈钢导电织物的温度传感性能。通过对不锈钢纱线及其导电织物在温度变化下 的电阻的测量，对数据进行线性回归，德到电阻与温度之间的关系。基于得到的实验数据， 对不锈钢纱线及其织物的温度传感性能进行研究。 2 碳纤维导电织物的温度1 感性能。通过对碳纤维及其织物在温度变化下的电阻测 量，得到电阻温度之问的关系，并进一步探讨了其温度传感的灵敏度、线性性、重演性等 方面的问题。 3 根据实验的结果对不锈钢纤维纱、织物及碳纤维纱，织物在灵敏度、线性度、重 演性作了比较分析，提出相应的应用范围。 4 从针织物的模型出发，对导电织物结构传感器的传感机理进行了定性地分析。 5 研制了一种织物键盘。在织物的组织设计方面，采用了填芯的双层组织，模拟织 物的按键凸起的效果，在电路设计方面，本文采用以下两种方案：按照键盘电路，将导 电纤维锈在基布之上；导电银浆用丝网印刷的方法印在基布上。 1 4 论文的创新点、重点、难点和关键问题 1 4 1 创新点 1 拟解决目前国内外在高温下进行大应变测量的难题。 2 率先在国内研制出柔性织物键盘。 1 4 2 重点 1 参考国内外有关耐高温传感器的研究资料，设计一种合理织物结构，能在高温下 作大应变测量或高温大应变同时测量的导电织物传感器。 2 要研制出方便使用的柔性织物键盘，对于按键的处理足整个键盘设计的重点，键 盘按键的基本要求是：按键在非按下情况时，是处于突起状态的，而在按下之后，要求按 键会压下，待到放开之后按键会弹起。 1 4 3 难点 如何有效地提高织物温度传感灵敏度、重演性和线性性，以及织物传感机理的探讨为 本论文的难点之一。 在柔性键盘的设计中，织物的设计及与电路的配合亦将是难点所在。 1 4 4 关键问题 1 在导电纺织结构传感器设计中，如何选择合适的结构达到温度传感时在灵敏度、 重演性、线性度等方面都较好显得尤为重要。 2 在织物键盘的设计中，电路的铺设将是决定设计成败的关键所在。 4 浙江理工大学硕七学位论文 第二章不锈钢纤维及其织物的电阻对温度响应 2 1 引言 合金电阻常随温度的变化而变化。通过实验，我们得到材料电阻随温度变化的规律， 从而可以将其应用于对温度的测量。作为合金材料之一，不锈钢纤维具有强度高、耐高温、 导电性能好、稳定性能好、抗腐蚀能力强和良好的屏蔽、防磁、防辐射等优点，而被广泛 应用于纺织服装、航空、石油、化工、军工等领域，发展前景十分广阔4 “。在本章中，我 们将探讨不锈钢纤维及其织物在较大温度变化下，温度与电阻的关系，进而考察不锈钢纤 维纺织结构作为温度传感器的可行性。 2 2 试样 2 2 1 不锈钢纤维 本文选择的不锈钢纤维试样( 由比利时b e k a e r t 公司提供) ，其规格如下表所示： 表2 1 不锈钢纤维性质 t a b l e 2 1p r o p e r t i e so f s t a i n l e s ss t e e lf i b e ru s e di nt h ee x p e r i m e n t 指标 数值 纤维直径 股数 每股根数 每米捻数 捻向 线密度 成分 杨氏模量e 破坏应变乞 破坏应力o j 1 2 9 m 1 2 7 5 1 0 0 z 2 5 0 t e x ( g l ，0 0 0 m ) f e ：7 1 8 8 ，c r ：2 0 7 7 9 包h i ：7 3 5 4 4 7 x1 0 1 0 ( p a ) 1 3 8 6 1 6 5 2 ( n r a m 2 ) 2 2 2 不锈钢织物 不锈钢织物试样为纬平针织物，尺寸规格为“1 0 c m x 2 c m ”，组织如图2 1 所示。 浙汀理工大学硕士学位论文 f i 9 2 1p l a i nw e f t - k n i ts t r u c t u r e 图2 1 纬平组织织物 2 3 实验方法 2 3 1 实验仪器 德国m e m m e r t 烘箱，量程为0 - 3 0 0 c ；记录试样电阻的数字万用表采用美国a g i l e n t 公司的3 4 4 0 1 a 数字万用表，最大量程为2 0 0 m o ，分辨率达到0 0 0 0 1 f ) 。 2 3 2 实验装置 图2 2 为测试纱线的仪器装置示意图。如图所示，将纱线试样放置在烘箱中，由两根 不锈钢纱线与试样两端相连，引至烘箱外的a g i l e n t 万用表。试验过程中，万用表实时测 量试样电阻。纱线的试样长度为l m ，与试样连接的纱线为l m 。 f i 9 2 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h et e s ti n s t r u m e n tf o ry a r n 图2 2 测试纱线仪器示意图 2 4 结果与讨论 2 4 1 不锈钢纤维电阻的温度响应 6 浙汀理工大学硕士学位论文 02 0 0 4 0 06 0 08 0 0 蛋嘲母竹“m 屯k f i 9 2 3t h er e s i s t i v i t yo f f e l c r l a lw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 图2 3 不同温度下铁，镉铝合金电阻率m 与本文采用的不锈钢纤维试样各成分比例相当的铁镉铝合金在不同温度下的电阻 率如图2 3 所示，曲线提示电阻率在2 5 0 5 5 0 k 之间几乎为一直线，即合金电阻率随温度增 加而呈线性增加。在该实验中，温度范围设定为2 5 2 5 0 。c ( 2 9 8 5 2 3 k ) ，因此认为在此温度 范围内，电阻率随温度增加而线性增加。此外，金属中参与导电的为自由电子，当温度升 高时，虽然自由电子数目基本不变( 当温度变化范围不是很大时) ，但每个自由电子的动能 增加，因此，在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的 阻力，导致金属电阻亦随温度的升高而增加 4 ”。 7 浙汀珲工大学硕士学位论文 3 1 6 3 1 4 3 1 2 3 1 0 3 1 8 3 16 3 1 4 3 12 3 10 十5 r c - 2 5 2 02 53 03 54 04 55 05 56 0 ( a ) 十5 2 。c , - 2 5 0 cf m e a s u r e do u n c et h ec h a m b e r ) l i n e a r o f d a t a 2 02 5 t 0 e 篇m ( 笔) 5 0 跖 ( b ) f i 9 2 4t h er e s i s t a n c eo f s sy a r nc h a n g ew i t ht e m p e r a t u r e ( a ) i nt h ec h a m b e r ( b ) o u t o f t h ec h a m b e r 图2 4 不锈钢纱线电阻随温度变化 8 一e lio8矗董m 一ello一8c苗一霉正 浙江珲工大学硕士学位论文 一 誊 i 窖 罡 o 8 岳 蕾 嚣 芷 耋 互 罡 2 02 53 03 54 04 55 05 56 0 t e m p e r a t u r e ( o c ) - - i i - - 5 2 * 0 - 2 酽c ( m e a s u r e do u t s i d ei h ec h a m b e r l 2 02 53 03 54 04 55 0 5 56 0 t e m p e r a t u r e ( 。c ) f i 9 2 5 t h er e l a t i v er e s i s t a n c eo f s s y a r nc h a n g e w i t h t e m p e r a t u r e ( a ) i n t h ec h a m b e r ( b ) o u t o f t h e c h a m b e r 图2 5 不锈钢纱线相对电阻随温度变化 为了考察在烘箱外测量时连接线对测量结果的影响，我们将测量探头分别放置在烘箱 内外进行测试，由于探头不耐高温，所以仅升温至5 2 c 。不锈钢纱线在烘箱内外测试得到 的电阻一温度，相对电阻一温度曲线分别如图2 4 、2 5 所示。由实验曲线可知不锈钢纱线 9 ：2 伸 5 0 5 o 5 o 5 ：一孚；酊8c郭gz如；b19 浙江理工大学硕士学位论文 随着温度的升高，它的电阻、相对电阻均增加。图2 4 ( a ) 是烘箱内测得的纱线电阻值，图 2 4 ( b ) 是在烘箱外测量得到的总电阻值减去烘箱外纱线电阻值。烘箱外测量得到的电阻值包 含了烘箱内的纱线、连接线及烘箱外的纱线三部分电阻值。由于烘箱外纱线不受箱内温度 变化的作用，因此总电阻值减去该部分电阻值后与烘箱内测量值的差异就是由连接线对测 量结果影响的表现。根据拟合结果，得到在烘箱内测试时的电阻变化灵敏度分别为：升温 时0 0 1 6 0 2o h m c ，降温时为0 0 1 7 8 1 0 h m 。c 。烘箱外测量时，纱线的电阻变化灵敏度分别 为：升温时为0 0 2 0 5 lo h m ，降温时为0 0 2 1 3 7o h m c 。 图2 5 0 ) 与图2 5 ( b ) 分别是纱线在烘箱内、烘箱外测量时相对电阻变化与温度的关系曲 线。由图可知，在烘箱内测量的相对电阻变化的灵敏度：升温时为o 0 5 1 6 c ，降温为 o 0 5 7 4 0 ( 2 。而在烘箱外测试时的值为：升温时为o 0 6 5 8 4 c ，降温时为o 0 6 8 6 0 。c 。 从以上的数据看，在烘箱外测量得到的电阻变化灵敏度高于在烘箱内测试时得到的 值，因此可以认为纱线在高温与低温的交接处( 纱线在烘箱内外交接处) 会对测量产生影 响，本文从理论上作如下解释： ， 假定纱线在高低温交接处为外部纱线的一个点热源，通过热传导的方式向外部纱线传 热、向外界散热，因此将探头放置在烘箱外测量时得到的总电阻j 孙实际是由三部分组成的： r o ( 烘箱内纱线) 、r - ( 受温度梯度影响的部分纱线烘箱内外的过渡纱线) 及r 2 ( 烘 箱外纱线) ，则有： 凰= r o + r i + r 2 2 - ( 1 ) 两边对温度丁求导，得到： 垫：垫一垫 a ra ，a ， 2 - ( 2 ) 式中，等、等分别为烘箱外测量纱线总的电阻变化灵敏度及纱线实际的电阻温度 d d 变化灵敏度( 纱线在烘箱内测量得到的电阻变化灵敏度值) ，孚、娶都已经从上面的分 0 10 1 析中得到，那么两者作差就能得到连接线的电阻变化灵敏度。 升温时，将相应的值分别代入公式2 - ( 2 ) ，即： 卫一o r , r r 塑盟 o to to t 坐：0 0 2 0 5 1 0 0 1 6 0 2 a ， 坐：0 0 0 4 4 9 0 h m 。c a 7 浙江珲工大学硕士学位论文 同理，可以得到娶为0 0 0 3 5 6 。h m c 。 t 7 1 由于烘箱内测量温度变化受到限制，凼此在烘箱外做实际标定时要做一个修正，根据 上面的t i 算得到该修正值分别为：升温o 0 0 4 4 9 0 h m c ，降温则为0 0 0 3 5 6 0 h m c 。 f i 9 2 6t h er e s i s t a n c eo fs sy a r nv s t e m p e r a t u r ed u r i n gg r a d i n gh e a t i n ga n dc o o l i n g 图2 6 分阶段升降温不锈钢纱线电阻与温度的关系 图2 6 为不锈钢纱线在分阶段升温降温过程的电阻变化情况，本实验设定的分阶段升 温降温是指从2 5 c 到2 5 0 c 之问以5 c 为一个阶段，每次测试到达设定温度后，平衡若干 小时，待试样电阻值趋于稳定后再进入下一阶段测试。在升温过程中，电阻变化率为0 0 1 7 2 2 o h m 。c ，而在降温过程中，电阻变化率为o 0 18 0 6o h m c 。在每个温度点上，纱线在升降 温过稃的电阻值存在差异，究其原因可能是由于纱线电阻对温度响应的滞后引起的。 图2 7 是分阶段升、降温过程中相对电阻变化( 尺r o ) 与温度( t ) 的关系图。相对 电阻变化灵敏度在升、降温过程中分别为o 0 2 9 0 2 。c 、o 0 2 7 6 8 ，相差为o 0 0 1 3 4 。 一go)q口g苎p西 浙江理工大学硕士学位论文 f i 9 2 7t h er e l a t i v er e s i s t a n c eo f s sy a r nv s t e m p e r a t u r ed u r i n gg r a d i n gh e a t i n ga n dc o o l i n g 图2 7 分阶段升降温不锈钢纱线相对电阻与温度的关系 图2 8 与图2 9 分别是不锈钢纱线在快速升降温过程中，电阻、相对电阻与温度的关 系图。所谓快速升降温是指将不锈钢纱线从2 5 连续不问断地升温至2 5 0 ( 2 后平衡2 4 h ， 再快速降温至2 5 c 后平衡2 4 h 。从图2 8 中可以发现，与分阶段升降温相比，纱线的电阻 温度响应在快速升降温过程中的“滞后现象”更为明显。升降温的电阻变化率分别为：升 温o 0 1 7 1 5 0 h t r d 。c ，降温则为o 0 1 6 7 6o h r r d c 。升温时相对电阻变化灵敏度( a r r 。a t ) 为 0 0 2 8 7 7 9 ，降温的相对变化灵敏度值为0 0 2 7 9 8 。 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 t e m p a r a m r e ( ， f i 9 2 8t h er e s i s t a n c eo fs sy a r nw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ed u r i n gh e a t i n ga n dc o o l i n gd i r e c t l y 图2 8 快速升降温不锈钢纱线电阻与温度的关系 t e m l * m k l f e ( cj f i 9 2 9t h er e l a t i v er e s i s t a n c eo f s sy a r nw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ed u r i n gh e a t i n ga n dc o o l i n gd i r e c t l y 图2 9 快速升降温不锈钢纱线相对电阻与温度的关系 2 4 2 不锈钢织物电阻的温度响应 1 3 一o苜u#暑磊岳 浙江珥! 工大学硕士学位论文 由以上讨论可以得到，由于不锈钢纱线的电阻与温度之间存在着一定的线性关系，所 以其可以作温度传感之用。但纱线电阻响应灵敏度较低，不能满足实际测量要求，于是本 文设计了种针织物结构，使其成为一个导电纤维纺织结构传感器，下面就探讨其电阻对 温度的响应情况。 织物电阻测试的实验装置如图2 1 0 表示，织物试样为“l o c m 2 c m ”纬平针织物，其 两端分别用氏为1 0 0 c m 的不锈钢纱线与万用表的测试夹头连接，其中烘箱内纱线长7 0 c m ， 烘箱外纱线长为1 3 0 c m 。 f i 9 2 1 0t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h et e s ti n s t r u m e n tf o r f a b r i c 图2 1 0 测试织物仪器示意图 为了了解织物在升温与降温过程中电阻响应的差异，我们首先对织物在2 5 。c 一2 5 0 一2 5 温度范围内作分阶段升降温试验，得到的屯阻与温度的关系曲线如图2 1 i 所示。由 图可知，与不锈钢纱线不同，不锈钢织物的电阻值随着温度的上升而下降。在升温过程中， 电阻变化率为0 1 5 4 1 6 0 h m * c ，而在降温过程中，电阻变化率为0 1 5 1 4 3 0 h m 。c 。而且， 对于同一温度点所对应的电阻值向言，升温时的电阻要比降温时高。 由分阶段升降温相对电阻与温度的关系图( 图2 1 2 ) 来看，在分阶段升温、降温过程中 相对变化灵敏度分别为0 3 1 7 6 8 0 o ( 2 、- 0 3 2 8 8 5 7 c 。且在较低温度( 低于5 0 。c ) 范围内 升温与降温电阻值差异较小，显然织物电阻对温度响应亦存在着“滞后效应”，这主要是 由试样内部结构对温度响应的滞后性引起的。当温度迅速改变时，试样内部结构并没有完 全改变，从而使得电阻值在升温过程中偏大而在降温过程中偏小。 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 f i 9 2 1 1t h er e s i s t a n c eo fs sf a b r i cw i t ht e m p e r a t u r ed u r i n gg r a d i n gh e a t i n ga n dc o o l i n g 图2 1 l 不锈钢织物分阶段升降温电阻与温度的关系 f i 9 2 1 2t h er e l a t i v er e s i s t a n c eo f s sf a b r i cv s t e m p e r a t u r ed u r i n gg r a d i n gh e a t i n ga n dc o o l i n g 图2 1 2 分阶段升降温不锈钢织物相对电阻与温度的关系 1 5 浙汀邢工大学硕士学位论文 f i 9 2 1 3t h er e s i s t a n c eo f s sf a b r i cv s t e m p e r a t u r ed u r i n gh e a t i n ga n dc o o l i n gd i r e c t l y 图2 1 3 快速升降温不锈钢织物电阻与温度的关系 f i 9 2 1 4t h er e l a t i v er e s i s t a n c eo f s sf a b r i cv s t e m p e r a t u r ed u r i n gh e a t i n ga n dc o o l i n gd i r e c t l y 图2 1 4 快速升降温不锈钢织物相对电阻与温度的关系 图2 1 3 、图2 1 4 分别为快速升降温过程中的电阻、相对电阻与温度关系曲线图。显然， 快速升降温过程中，织物电阻对温度响应的升降温“滞后性”更为明显。由拟合结果可知 1 6 浙江理工大学硕士学位论文 在升温过程中，电阻变化率为0 1 5 4 1 8o h m c ，而在降温过程中，电阻变化率为- 0 1 7 6 1 5 o h m 。它们的相对电阻变化率分别为0 3 2 5 3 “o ( 2 和0 3 7 1 3 8 。 2 4 3 升降温速率对不锈钢织物电阻对温度响应的影响 通过以上讨论，我们发现：由于不锈钢织物电阻对温度响应存在着“滞后性”，因此 对于菜个温度点来说，由分阶段升降温和快速升降温到达该温度点，其电阻对温度响应在 灵敏度、线性范围和升降温重演性方面都是不同的。 不锈钢织物在2 5 - - 2 5 0 。c