（纺织工程专业论文）织物线缆的制造及其通讯信号的传输特性研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

织物线缆的制造及其通讯信号的传输特性研究 摘要 怎样能使人们穿得更好呢 生活在科技飞速发展时期的人们已 经不满足于款式新颖 面料舒适的衣服 人们越来越希望把高科技织 入到服装中 使电子产品成为自己的 第二皮肤 电子织物应运而生 尤其在军用服装上 电子织物更成为各国科学家争相发明 改进的对 象 用于连接各种元器件的织物线缆近年来有了 定的研究进步 但 是在织物线缆的结构制作 导电特性及平行导线间串扰的影响研究及 减小串扰的方法方面还存在一定的问题 本课题根据模拟的试验装置 探讨平行导线传输信号的间距影 响 不同间距下的传输带宽 衰减 干扰等参数 得出适当的导线排 布间距 在此基础上进行织物线缆的设计和织造 并对所织制的织物 线缆进行串扰的特性分析 具体内容如下 1 模拟试验装置的设计 2 测试平行导线不同间距时的传输带宽 衰减 干扰等传输参 数 寻找织物线缆适当的导线间距 以及合适的导线接线方 式 3 设计织物组织结构 选用不同的纱线材料进行织物线缆的制 造 摘要 4 对所织制的织物线缆进行导电特性的分析 研究平行导线的 线间介质及环境湿度的改变对串扰的影响 通过实验和分析 完成了如下工作 1 利用信号发生器 示波器 实验板 0 0 9 m m 的细铜导线组成 研究平行导线信号传输的模拟试验装置 2 找到了制造织物线缆的合适的导线间距 实验证明 织物线 缆中 l m m 的导线间距可以使信号较好地传输 研究了并联 信号线对信号传输的影响 实验表明 以g s s s g 方式接线时 信号的传输特性较好 3 用平纹和斜纹组合的结构来设计织物线缆 既可以使线缆实 现良好的绝缘性 又可以使织物的外观平整 减少铜导线的 突出点及屈曲 4 平行导线的线间介质对信号传输的串扰影响较大 不同纺织 材料作介质时 由于纤维的介电系数受环境湿度影响较大 故改变环境湿度将引起信号串扰的变化 环境湿度由4 n 大 变化时 线间串扰呈现出先减小后增大的趋势 信号串扰对 干扰线和受扰线都有影响 且变化趋势相同 关键词 织物线缆 平行导线 串扰 介电系数 a b s t r a c t o nt h em a n u f a c t u r eo fe l e c t r i c a if a b r i cc a b l ea n di t s s i e n a t r a n s m i s s i o nc n i g n a l 1r a n s m l s s o n l l a r a c t e r l s t ll c s a b s t r a c t h o wc a n p e o p l e w e a rb e t t e r l i v i n gi nt h e p e r i o d o fr a p i d d e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y p e o p l ec a n n o tc o n t e n t t h e m s e l v e sw i t ht h ef a s h i o n a b l ea n dc o m f o r t a b l ec l o t h i n go n l y t h e r ei s g r o w i n gh o p et h a tt h eh i g h t e c h c a nb ea p p l i e di n t ot h e i rg a r m e n t s e l e c t r o n i cp r o d u c t ss h o u l db e c o m et h e i ro w n s e c o n ds k i n e l e c t r o n i c f a b r i c sh a v ee m e r g e da st h et i m e sr e q u i r e e s p e c i a l l yi nm i l i t a r yc l o t h i n g i th a sb e c o m et h e t a r g e t o fs c i e n t i s t s c o m p e t i n gi n v e n t i o na n d i m p r o v e m e n t c o n d u c t i v ef a b r i c sf o rt h ec a b l er e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s h a v eb e e np r o g r e s s e d b u tt h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m so nt h es t r u c t u r e o fp r o d u c t i o ni nt h ec a b l e t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fc r o s s t a l kb e t w e e n t h ep a r a l l e lc o n d u c t o r sa n dt h ew a yt or e d u c et h ei m p a c to fc r o s s t a l k t h i ss t u d yu s eas i m u l a t e dd e v i c et os t u d yh o wt h ep a r a l l e lw i r e s p a c i n ga f f e c t se l e c t r i c a ls i g n a lt r a n s m i s s i o n t r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h a t t e n u a t i o na n di n t e r f e r e n c ei nd i f f e r e n ts p a c i n g d r a w st h ea p p r o p r i a t e i n t e r v a l st oa r r a n g ef a b r i cd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g a n da n a l y z e st h e a b s t r a c 丁 c r o s s t a l kc h a r a c t e r i s t i c d e t a i l sa r ea sf o l l o w i n g 1 d e s i g no f at e s td e v i c e 2 t e s tt r a n s m i s s i o np a r a m e t e r s s u c ha sb a n d w i d t h a t t e n u a t i o na n d i n t e r f e r e n c ei nd i f f e r e n ts p a c i n g f i n do u ta p p r o p r i a t ei n t e r n a lw i r e s p a c i n gi nf a b r i c s a sw e l la st h ea p p r o p r i a t ew i r ec o n n e c t i o nm o d e 3 d e s i g nf a b r i cs t r u c t u r e s e l e c tm a t e r i a l sf o rd i f f e r e n ty a m f a b r i cc a b l e m a n u f a c t u r i n g 4 a n a l y z et h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft h ef a b r i cc a b l e i n v e s t i g a t eh o w t h ed i f f e r e n tm e d i ab e t w e e np a r a l l e lw i r el i n e sa f f e c ts i g n a lc r o s s t a l k a n dh o wt h ec h a n g eo fe n v i r o n m e n th u m i d i t ya f f e c t st h ec r o s s t a l k b ye x p e r i m e n t s a n d a n a l y s i s t h e f o ll o w i n gw o r kh a sb e e n c o m p l e t e d 1 b u i l das i m p l et e s td e v i c et ot e s tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i g n a l t r a n s m i s s i o n b yu s i n g a s i g n a lg e n e r a t o r a no s c i l l o s c o p e a n e x p e r i m e n t a lb o a r d a n d0 0 9 m mc o p p e rw i r e s 2 f i n do u ts u i t a b l ec o p p e rw i r es p a c i n go fm a n u f a c t u r i n gf a b r i cc a b l e t h er e s u l t ss h o wt h a tb yu s i n glm ms p a c i n gf o rc o p p e rw i r e si m b e d i n t oaw o v e nf a b r i c t h ef a b r i cc a nt r a n s m i ts i g n a lb e t t e r t h et e s t i n d i c a t e st h a tc o n n e c t i n gi naf o r mo fg s s s g r e p r e s e n t i n gg r o u n d a n d s i g n a l w i r e s c a ng e tt h eb e s tc h a r a c t e r i s t i c s o fs i g n a l t r a n s m is s i o n 1 w h e nw ed e s i g nt h ec o m b i n e ds t r u c t u r eo ff a b r i cc a b l ew i t hp l a i na n d t w i l l t h ec a b l ec a na c h i e v eg o o di n s u l a t i o na n dt h ea p p e a r a n c eo ft h e f a b r i cf o r m a t i o nl o o k sf l a t a l s o t h ep r o t u b e r a n c ea n df l e c t i o n so f c o p p e rw i r e sc a nb er e d u c e d 2 t h em e d i u mb e t w e e np a r a l l e lw i r el i n e si s a n i m p o r t a n tf a c t o r o f c r o s s t a l k w h e nt e x t i l ef i b e r sa r et h em e d i a b e c a u s ef i b e rd i e l e c t r i c c o e f f i c i e n ti s g r e a t l yi m p a c t e db yt h ee n v i r o n m e n th u m i d i t y i tw i l l c a u s e s i g n a l c r o s s t a l kc h a n g e sw h e nt h ee n v i r o n m e n th u m i d i t y c h a n g e s a st h e e n v i r o n m e n th u m i d i t yg r o w sf r o ml o wt oh i g h c r o s s t a l ks h o w sad e c r e a s ea n dt h e na ni n c r e a s et r e n d t h ea g g r e s s o r n e ta n dt h ev i c t i mn e ta r eb o t ha f f e c t e db yt h ed i s t u r b a n c e a n dt h e i m p a c tf o l l o w st h es a m e t r e n d y uy a n t e x t i l ee n g i n e e r i n g s u p e r v i s e db yp r o f e s s o r d i n gx i n k e y w o r d s e l e c t r i c a l f a b r i cc a b l e p a r a l l e lw i r e s c r o s s t a l k d i e l e c t r i c c o e f f i c i e n t 附件一 东华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 所呈交的学位论文 是 本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中己明确注明和引 用的内容外 本论文不包含任何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 j 跌 日期m 俨皿月2 峒 附件二 东华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件和电子版 允许论文被查阅或借 阅 本人授权东华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 在一年解密后适用本版权书 本学位论文属于 不保密时 学位论文作者签名 j 款 日期q 7 锄2 月醐 指导教师签名 丁辛 同期 口孑年 月扩日 第 帚0 l 高 1 1 研究背景及意义 第一章引言 迄今为止 微电子集成的电子织物 简称电子织物 还没有一个准确的定义 实际上 电子织物是 种嵌入电子元器件的织物 它可以是衣服 头盔或其他形 式的佩戴物等等 具有柔性的特征 且具备电子产品的多种功能 按照工程师们 的设想 真正的电子织物可以和衣服的面料完全融合在一起 看起来就和普通的 织物没有什么差别 随着纺织科技和电子通讯技术的不断发展 电子织物将成为 圜常生活的一部分 作为织物 电子织物必须满足所谓的 可穿戴性 的特殊要求 即 有良好的 服用性能 并具有可洗性 同时也必须保证所嵌入的魄予元器件的特有性能可以 得到充分的体现 目前 将电子元器件合理分布在服装中的工作已经有了实质性的进展 已经 出现了 些方法可以将电子元件成功的植入到服装中 便服装含有导电线缆 微 电子元器件和特种连接器 织物导电线缆 在论文的以下部分中将其简称为织物 线缆 是其中的 种 该类线缆将导线嵌入到织物中 在不影响织物柔软和舒适 的前提下 使织物具有传输电信号的功能 在这类产龋中 传统的电线甚至整个 电路都被纺织品所取代 但是在织物线缆的制造及通讯信号的传输特性研究方 面 国内外的研究还不成熟 因此 如何实现电子元器件与纺织品的结合 确傺 织物线缆对通讯信号的顺利传输 是电子织物丌发领域的一个新课题 它将使纺 织产品和电子产晶在服装上达到形式和内容的统一 也将在提升我国纺织新产品 的开发上发挥重要的作用 为了保证织物酌轻薄糯柔软 对于嵌入纺织品中的平行导线 不仅在缨度上 有较高的要求外 且不能采用传统线缆的屏蔽方式 因此摆在科研工作者面前的 闻题是导线中信号间的串扰润题 认清信号窜扰熬主要因素 提出高频信号防于 扰的切实可靠的办法已成为开发织物线缆的当务之急 织物线缆的顺利织制及通 第一章引言 讯信号干扰 防干扰问题的解决对导电织物的开发制造具有积极的意义 1 2 研究内容与方法 本课题的研究目标为实现普通圆形同轴电缆的扁平化 即将同轴电缆中同心 排列着的导线和屏蔽层用类似机织物中纱线分布的方式平行排列 减少导线在织 物厚度方向上的尺寸 改善织物线缆的柔软程度 在此基础上探索扁平化后的导 线对电信号的传输特征 也就是将平行导线织入到织物中 制成所谓的导电线缆 在满足信号的传输的同时 实现与织物良好的结构整体性和可穿戴性 基于服用纺织品对柔软 舒适 耐磨等方面的要求 本课题将o 0 9 m m 的铜 导线代替机织物中的纬纱 织入到机织物中 在不破坏纺织品服用性的同时 合 理布线以满足信号j i r 页 n 传输的要求 研究的内容及采用的方法是 1 平行导线间的信号传输特性研究 通过模拟实验装置 将导线平行排列 研究平行导线在不同频率下的信号传 输特性 如高频信号通过传输导线后的衰减问题 平行导线i n j 高频信号的串扰问 题等等 然后 通过改变平行导线的间距 了解在不同间距下平行导线问的信号 串扰情况 以及降低信号串扰的措施 根据现有的研究 当平行导线相距较近时 相邻导线间会有串扰现象产生 通过选择合适的间距和适当的接地方式 将会使信号之间的串扰大大降低 为此 在织物线缆的制造之前 首先在实验装置上模拟织物线缆的构造特点 探索平行 导线间信号的串扰特性 找出信号传输损耗较小时的间距 为设计和制造织物线 缆作参考 信号的间距 信号线的排列方式 信号线的长度等对高频信号的衰减有很大 的影响 信号间的干扰也会引起信号的衰减 因此 衰减是表征信号传输特性的 一个重要的参数 在一定的条件下 信号衰减可以反映出信号间串扰的程度 为 此 本论文也将研究在不同条件下的信号衰减的情况 从而反映出信号传输时的 干扰变化 2 织物线缆的设计和制造 2 第一章引者 织物线缆采用平纹和斜纹组合的组织 为了制造的方便起见 仅在纬纱中加 入铜导线 即以铜导线作为单独的纬纱直接织入到织物中 由于铜丝细度较小 在织造时铜丝的断头率较高 而且铜丝的强伸性比涤棉 纱小 织物下机时 铜丝会突出在织物的表面 所以要设计织物的适当密度 减 少铜丝的交织点 以减少织物下机收缩时铜丝的突出 为了研究不同的介质材料 对串扰的影响 织物在设计时要采用低经密高纬密的结构 由于所研究的信号传 输特性与导线i 倒的介质有关 所以在织物设计中拟选择不同纤维材料的纬纱 作 为织物线缆的基本材料 本课题将平纹作为织物线缆的基本组织 用0 0 9 m m 的铜丝织造斜纹组织 这样可以做到织物线缆的外观比较平整 铜丝大部分被纱线所覆盖 满足了传输 线的绝缘性 且在服用时不易被磨损 3 织物线缆的电传输特性分析 织物线缆织制完成后 需要对织物中导线的电学传输特性进行研究分析 由 于导线 白j 介质材料不同时 介质的介电系数不同 信号间的串扰会发生变化 因 此 拟使用不同纤维的纱线作为线缆织物的纬纱 和铜导线一起织制织物线缆 探索不同纤维材料的织物线缆对信号的传输性能 另外 由于纤维材料回潮率的 不同 受环境湿度的影响不同 势必导致织物线缆在不同湿度环境下信号的传输 性能 通过改变环境湿度 在不同的湿度条件下测量织物线缆中信号间的串扰 评价环境湿度对信号传输的影响 并观察导线接地方式对串扰影响的变化 高频信号在传输的过程中 受到的干扰比较复杂 本课题忽略了其他因素的 影响 主要从电容串扰方面分析干扰高频信号的因素 测试时 由于空间电磁波 接头电阻 仪器误差等因素的影响难以避免 使试验时的误差不能完全消除 因 此所得到的结论应该在严格的条件下予以进一步的论证 1 3 章节安排 论文第一章引出了本课题的研究背景 阐述了其研究意义 研究内容及方法 第二章为文献综述部分 叙述了电子织物的发展历程及电信号传输特性的研究进 展 前人的研究为本课题提供了一个起点 从而确定了本课题研究的内容和方法 第一章 j l 吉 第三章着重讨论了模拟实验装置上的平行导线在以空气为介质时的串扰 衰减情 况 并得出了间距 接地不同时的信号的辐频特性曲线 分析了不同频段的信号 传输特征 参考了第三章得到的实验结果 第四章介绍了织物线缆的设计和织制 为第五章的实验作了准备 第五章介绍了介质材料不同时的信号间的串扰情况以 及湿度变化时对信号串扰的影响 并且比较了信号线周围导线接地时对减小串扰 的作用 最后在论文的第六章对本课题的工作予以总结并给出研究工作的主要结 论 4 第 二章文献综述 2 1 电子织物的用途 第二章文献综述 电子织物的应用非常广阔 尤其在军事领域应用潜力更大 电子技术与纺织 技术的不断发展与融合 为电子织物的发展开辟了新的道路 嵌入电子元器件的 服装将时装与信息技术融为一体 不仅能感知外界的压力 温度 电荷等的刺激 而且有可能根据外界刺激变化做出相应调节 赋予服装独特的功能 也拓展服装 的内涵 军服的智能化 首先应该是信息化 将计算机等高性能电子产品集成 到服装上 通过信息感知和传输技术 使服装成为让后方实时掌握战士的生理状 况 使战士及时获得后方指挥部提供的敌情信息和后方指挥部下达的作战指令的 信息化装置 2 1 可穿戴技术应该能够使人类的生活变得更加美好 未来出现的电子织物将使 人们的感觉更加方便 舒适 电子织物会给人们带来穿着和功能性应用上的双重 作用 3 o 织物线缆属于电子织物的一种 它将以独特的柔软性 可沈性 可穿戴性等 纺织品特有的性能及可靠的信号传输能力取代传统的电缆 用于嵌入纺织品上的 电子元器件的相互联接 增强电子智能织物的服用性 2 2 电子织物的实现方式 随着个人计算机高速化和多媒体化的迅速进展 其外围设备的种类和数量r 益增多 其中包括输入用的键盘 鼠标 电子游戏用的控制器 操纵杆 打印机 扫描器 调制解调器 扬声器 硬盘机 c d r o m 等等 而由于数字化家电产品 及计算机 电视机等新产品的问世 数字照相机 d v d 播放机 电视机机顶盒 s e t t o pb o x 数字卫星接收机之类新一代消费产品也进入了计算机外围设备的行 列 要将上述各种外围设备与个人计算机或工作站相连接 就需要使用各种不同 的导线电缆 这些电缆的传输频率也是有要求的 其中数据用对绞电缆的频带达 第 二辛文献综述 到了6 0 0m h z 通常使用的圆形同轴电缆 由于直径尺寸以及材质等方面的原因 具有较高 的弯曲刚度 柔性较差 不适合直接用在电子织物上 人们喜欢穿着柔软舒适的 织物 而不喜欢硬脆的织物 所以就兴起了利用纺织品本身的优良特性来设计实 现电子性能 4 1 染 织 编 绣等都被认为是可以用来传播电子信号 5 1 这是电 子织物的基本构成方式 电子织物由来已久 金属丝混编织物是首先面世的电子织物 由金属丝和服 用纱 线 混编而成 盒属丝主要有铜丝 镍丝和不锈钢丝 特殊场合还采用镀 银铜丝 该类织物导电性能尚好 但是织物厚 重 硬 不耐折 为了改善该类 产品的服用性 一方面 可采用较细的金属丝 另一方面 把金属丝轧扁 同纱 线 并绕 以减少织物的厚度 来提高织物的柔性和弹性 减少压迫感 另外 电子领域的电磁危害越来越被人们重视 相应出现了具有电磁屏蔽功能的纺织品 6 目前用于电磁屏蔽的纺织品包括金属纤维织入 普通纤维镀金属等导电物质 织物镀金属元素 织物涂覆陶瓷粉和铁氧体等吸波材料等方式 从作用效能和成 本综合考虑 织物镀多种金属元素是性能价格比最优的技术路线f 2 近年来出现了很多特种纤维 功能性的面料和衣服 7 j 为了进一步改善电子 织物的服用性 把会属丝抽成纤维状 同服用纤维混纺成纱后再织成布 这种电 子织物所选用的金属纤维 主要是镍纤维和不锈钢纤维两种 由于金属纤维具有 良好的导电性 导热性和耐高温性 又有较高的强度 因此 在伴随功能性纤维 迅速发展过程中 会属纤维也异军突起 目前已引起人们的高度重视 利用功能 性纤维和金属纤维织成的织物与金属丝混编织物相比 在性能上 质地同一般织 物相似 手感柔软 色谱较多 但浅色和深色织物 金属纤维会凸现出来 影响 色泽 虽然如此 这种电子织物在现有的电子织物中已占到半壁江山 美国麻省理工学院的研究人员用不锈钢纤维在织物上刺绣出不同的电路 可 以制成织物软键盘 8 l 通过将导电纤维纱线和绝缘纤维纱线的交替编织制成了在 压力作用下可导电的织物 这种织物由三层组成 上下两层是电阻率为1 0 d c m 的金银线与普通纱线的交织织物 中间是结构较为稀疏的尼龙网 起隔离上下两 层织物的作用 当在织物上施加压力时 上下两层织物通过尼龙网的空隙实现接 触 引起电信号的变化 研究人员还将织物键盘用于新型服装的开发 制造出了 6 第一帚空喊蝽 能够象萤火虫一样不断闪烁的连衣裙 在走动过程中 织物之删的挤压和摩擦 使两层织物中的导电纤维之 日j 随机导通 有微弱的电流通过 使在两层织物上的 发光二极管发光吲 涂层也是一种将导电材料和织物相结台 赋予织物导电性能的技术 但是由 于涂层织物的透气性差 手感较硬 所以至今还没有被广泛使用 其他的涂层 复合织物及印刷电路板织物也都由r 不耐水洗 怕磨损 手感较差等原因没有得 到广泛的应用 现在常用的电子织物的实现方法是电子元器件的直接嵌入 很久以前 人们就把金属缝织八纺织品中作装饰之用 至今发现的最早的导 电织物中的丝中台有两种类型的纤维 如图2 1 所示i t o 经纱是普通的丝线 纬 纱是包缠细金属箔片的丝线 这种织物在印度已有近一个世纪的历史 并且可以 用银 金等其他金属来替代铜 以作装饰之用 最近 c o t t e t 等i i l 采用这种方式 来制造导电织物 但是这种做法存在很多的缺点 例如金属丝的螺旋形状将可能 影响信号的顺利传递 另外 暴露在织物外的导线也很容易引起短路 磊 骖 幽2 l 金属丝作装饰的织物结构 在z u r i c h 实验室里发明的导电织物 可以使嵌入服装的计算机互相联系或 同外界联系 如图2 2 所示 图2 2 a 中的衣服可以通过线缆部分跟外界环境交换 数据 图2 2 b 中的导线在织物上形成一圈 既可以作装饰用 叉可以利用周围 的场感应来跟衣服的各部分交换数据 m 一 立献综述 l 烂 a 面料中央的导电织物可 b 导电织物装饰在织物上 通过周 以使衣服与外界环境联系围的场感应联系衣服的不同部位 图2 2 织物线缆的应用 不断发展着的缩微技术使电子元器件能够越来越小 实现了电子元器件植入 到纺织品中的可能性 计算机已经出现了被成功穿着的模型 1 针织方面的产 品使用丙纶里填充铜丝及玻璃纤维纺制成包芯纱 织造电子织物 并且已经制造 出了具有电磁屏蔽效果的织物 找到了控制电磁屏蔽的方法 2 0 0 2 年 p h i l i p s 公司将电子学与服装款式 结构 高技术织物相融合 推 动了消费电了学 时装以及纺织品的发展 该公司推出的滑雪服内设有滑雪通行 证 无线对讲机 卫星定位装置 温度感应器以及发热保暖材质 能根据着装者 体温的变化做出相应的调节 美国加州生命衬衫公司研制的生命衬衫 它含有六个传感器 分别置于领口 腋下 胸骨及腹部等部位 通过与微机相连接 可蚍测试看装者的心跳 呼吸 胸肺活量等生理指标 便于医生的研究和治疗 但是这种方法辍大的降低了织物 的服用性 可穿戴的扁平电缆应该具有同轴电缆 双绞线等所具有的顺利传输信号的功 能 也就是要有能够传递不同频率的信号的能力 包括传输频率不同的电源信号 视频信号 音频信号等 还要有屏蔽层 可以对各个信号进行屏蔽 防止信号间 的串扰 市场上已经出现了利用各种较细的电缆跟粗纱线编织在一起的扁平形状 的电缆 这种电缆内部除了电源线和信号线外 还有接地线对信号进行屏蔽 减 少信号的相互干扰 视频信号线的外面还涂有屏蔽层 这种织物可以达到顺利传 输信号的要求 克服了普通电缆的圆形的外观形状 但是织物中所用的纱线和导 线尺寸较大 只是用已有的相对较细的圆状成型电缆重新组合成扁平电缆的形 状 并没有从根本上解决导电织物所需要解决的问题 而且不能满足细密织物的 第 二章文献综述 要求 随着科技的不断进步 人们对纺织品的要求越来越高 如何实现电子元件与 纺织品的天衣无缝的联接就成为摆在人们面前的重要课题 2 3 电缆扁平化研究的状况及进展 2 3 1 电子织物的原材料演变及结构特点 继金属丝和特种导电纤维之后 多篇文献 1 5 1 7 又介绍了导电聚乙炔 引 起了极大关注 从而开创了结构型导电聚合物发展的新局面 结构型导电聚合物 特指不需加入其他导电性物质而依靠本身结构即具导电性的聚合物 利用大分子 结构形成共轭兀系 加入电子给予体或电子接受体组成的掺杂剂 使聚合物具有 良好的导电性 结构型导电聚合物 如聚苯胺 聚吡咯或聚噻吩 可直接制成本 征型导电聚合物纤维 也就是晚纤维可以完全由导电高聚物组成 但此种导电纤 维制备较困难 导电稳定性 重复性较差 成本较高 且难以适应很多纺织材料 所应具有的应用要求 金属 碳和导电涤纶都是脆硬的材料 现有的技术已经能把它们制造成可以 纺织加工的纤维和纱线 1 8 如把纤维的表面涂上导电的涤纶或者金属 或采用 织物涂层的方法 把导电导磁物质渗入涂层浆内 涂覆到织物表面 使织物获得 导电功能 采用的主要导电导磁物质有银粉 铝粉 铜粉 金属氧化物粉 碳黑 和石墨粉等 现今的导电织物是采用较细的会属丝直接嵌入到织物中形成的 由于机织物 的经纬纱交织结构有序 易于弯曲成各种形态 采用导电纱线可以制成柔性的导 电织物 这种导电织物可以用踏盘织机 多臂织机或者提花织机来织造 首先选 择提花织机 提花织机可以单独控制每根经纱 这样就可以织造更多更复杂的电 路 以前的织物大都使用平纹来织造 这是由于导电织物经纬所用的纱线都是包 缠铜丝或者只有纬纱包缠铜丝 l9 1 平纹结构纱线大体上的收缩率是一致的 不 至于下机后局部收缩 使织物起皱 嵌入导线的织物通常在下机后会产生起皱和不平整 这主要与传统的纺织纱 9 第二章义献综述 线和金属导线之间不同的拉伸变形性能有关 织物的组织结构和纱线的加捻等对 此也有很大的影响 般来说 纱线的捻度越大 经纬交织次数越高 织物下机 后的随机收缩率越大 所以 为了得到平整的布面 一般用低捻纱 斜纹或者缎 纹来织造伸长率小的纱线 整经时也要注意张力的大小一致 适当增加经纱的张 力 使得下机时织物沿经向的收缩加大 而减少织物沿纬向的收缩 2 3 2 通讯信号传输的表示参数及信号顺利传输的基本要求 电子织物代表了科学 技术 设计和时尚的非常规的融合 2 0 1 导电织物不 仅仅局限于服装部门 织物的设计及布线也必须要满足轻便和有效传递信号的需 要 2 l 要保证信号在织物中的顺利传输 一般从以下几个方面进行研究 1 电子设备中高频信号的频率 通讯设备中所用的信号频率高达6 o g h z 研究表明 l l 嵌入导线的长度为 l o c m 的纺织品中可以传输高达1 2 g h z 的信号 而1 0 0 c m 的纺织品中可以传输高达 1 2 0m h z 的信号 这样的信号频率只是理论上的数值 在服用中 特别是电压 电流强度较大的时候 考虑到电源的发送能力和服用的要求 这样的高频信号是 难以实现的 2 布线方式 在电控单元中 数据线 地址线 控制信号线 a d 转换接口电路及功率驱 动电路等许多电特性各异的电路组成一个整体 相互之间存在着 干扰 和 被干 扰 的关系 e m c e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 正是表征这种物理关系的特 征量 它可以定义为系统所产生的电磁能量既不对其他设备产生干扰 也不受其 他设备电磁能量干扰的能力 这项指标成为评价电子系统工作性能优劣的重要参 考量 越来越得到各行业的认同 解决e m c 常用的方法主要有屏蔽 接地和滤波 用屏蔽体将干扰源包围起 来 可防止干扰电磁场向外扩散 用屏蔽体将被干扰端包围起来可防止外界电磁 场对其产生影响 接地是抑制噪声很有效的办法 良好的接地可以在很大程度上 抑制系统内部噪声耦合 防止外部干扰侵入 提高系统的抗干扰能力 滤波无论 是对消除干扰源作用 抑制干扰耦合 还是对提高被干扰端的抗干扰能力都是很 1 0 第 二章文献综述 有效的 织物设计的过程中 要结合实际情况选用以上3 种加强系统e m c 的技术 手段 旨在使系统的性能更加优良稳定 为了抑制平行导线之间的串扰 在设计布线时尽量避免了长距离的平行走 线 并尽可能拉开线与线之间的距离 信号线与地线及电源线尽可能不交叉 在 一些对干扰敏感的信号线之间设置一根接地的导线 以有效地抑制串扰 在信号 工作频率大于1 0 m h z 的高频电路中 地线阻抗将变得很大 为减小感抗而缩短地 线的长度 可采用就近多点接地 传统的单纯研究电信号传输的计算体系和研究以电子织物为基础的体系的 最主要的区别就是 后者可以将计算能力和信号处理能力与信号的传输直接联系 起来 2 2 1 这主要是由合理的布线来实现的 4 表征参数 导线在通入电流后 相邻导线间会产生电磁感应 导线也会发生自身感应 这些感应现象都会导致信号在传输过程中的衰减 通过评价导线的信号传输特 性 可以确定平行导线之间的合适距离 以及保持导线通上电流以后信号在其中 的传输衰减不至于过大 电子织物发展方向就是将电子元器件直接植入到织物中 在这种形式的产品 中 如何控制信号的衰减和怎样形成较强的可传递信号是最大的挑战 2 3 1 为了 提供传输信号较好的电子织物 设计者们必须面对巨大的挑战 2 4 1 德国工程师 现在已经发明了导电的电子织物来传递信号 并且检测了信号在织物中的传输性 能 他们认为 纺织品中的导线如果要适合传输的要求 通常需要关注以下的参 数 即 电阻抗 特征阻抗z o 带宽 串扰和数字信号传输分析 如果导线中传输的电流的强度是不相同的 那么对信号的影响也是不同的 同时环境温湿度的变化也会对信号的传递产生影响 其中 对信号的传输影响最 大的是信号间的串扰问题 前人 1 3 1 对平纹交织的导电织物 见图2 3 在高频信号的串扰方面已经开展 了研究 他4 f j n 量了2 0 c m 长的织物在g s s g 及g s g s g g 代表导线接地 s 代表导线接信号 两种接线方式时的远端串扰 见图2 4 并且得出了结论 高 频信号之间的串扰与信号线的排列方式有关 每根信号线之间搭配一根接地线将 可使串扰由7 2 下降到2 8 i 啊 一 涮 一 一 l 一 图2 3 带有铜导线的平纹机织物 图2 4 信号线不同排列方式f 的串扰 李莉等 2 5 1 也研究过平行导线的信号线间距对信号串扰的影响 选取频率点 为7 5m h z 从距离x 0 处开始观察 p o p l 分别为受扰线起点和终点处的耦 合响应 由图2 5 可知 x 0 x l 处的耦合响应都随导线间距的变大而减小 且在0 0 l m 范围内下降的最快 分别下降了3 0 d b 左右 其余范围内下降变缓 这说明了平行导线的线间距对信号串扰的影响较大 并且呈现一定的规律性 距 离较小时变化大 距离较大时下降速度减小 近端串扰跟远端串扰的数值并不相 同 但是遵循相似的规律变化 a i s t a n c e f m 削2 5 耦台响应与线间距的戈系 4 信号串扰的测试分析 第一鼋z 献综硅 随着导电纺织品的发展 理想的方法是能够建立一种电路模型口 将纺织 品元素跟电路模型联系起来 这样就可以测量模型参数是怎样随着织物屈曲 洗 涤及环境的变化而发生变化 但这只是一个设想 现在还没有实现 实际上 在织物线缆的导电性能的测量方两已经开展了一些研究 c o t t e r 等 将他们测试所用的螺旋状铜导线的平纹织物 见图2 3 放在2 6 所示的测试装置 中 测量织物的电阻抗 圈2 6 时域反射装置罔 c o t t e t 等根据所测出的铜导线在不同的接地方式时的特征阻抗z 0 用电容公 式 c p t d z o 和自感系数公式 l s t d z o 算出平行电容和每单位长度的自 感系数 其中t d 是信号在1 0 c m 和1 5 c m 长度的织物试样中传输的时问差 所用的 织物试样为只在纬向加入铜导线和在经纬向都加入铜导线的不同试样 测试结果 表明 仅在纬向有铜导线的试样比另一种试样的电容和自感系数都要小 故信号 传输得快 图2 7 是在不同的接地方式下 由时域反射装置所测得的特征阻抗图 由图 中可见 排列的信号线越多 阻抗越小 信号线并行排列时相当于电阻并联 有 助于减小阻抗 在一定的电压下可以增大传输电流 第二章文献综述 f 1 a崩z j r l 量且 嚼 刊n p 一 一 v 而 i 一l 一一 jt 1 r t 1 i 1 iuj 五1 k 噫一 l lb l i or 1 t l 辑 1l 1 冬z 1 q 蝻i蝇 焉b霹甜2n 司 明 砷嗍 图2 7 阻抗随着信号线的增多而减小 对导线的要求大部分取决于设备的频率 带宽的需要 设计导电织物的系统 时 需要考虑一些典型设备的带宽要求 2 3 1 例如 数字音频信号的带宽是8 k h z 模拟电话业务需要3 k h z 一般的带宽是3 0 0 一3 0 0 0 h z 电视信号的带宽是6 m h z 可用的r s 3 2 典型的连续端口频率是9 8 0 0 b p s 新型电脑u s b 2 0 标准达到 4 8 0 m b p s 由图2 8 可知 导线的内部衰减不是由电容和感应系数的衰减决定的 而是 在低频段和高于半波长的高频时连接到寄生模式的沿线的变化反映的 尽管导线 有很高的传导性 它仍然是决定信号衰减的主要的因素 图2 82 0 e r a 长的导线的频率响应 1 4 掰撕期秘狮描抽懈啪伽仍m 船 冒e n x 8 i暑 第一二章文献综述 这些测试结果表明 纺织品中的导线的电学特性可以根据结构的配置不同 而用不同的信号线结构来调整和模拟 使高达几百兆赫兹的非短距离信号都可以 顺利传输 j 但是这些测量结果也并不是十分完善的 例如没有考虑到用于音频 的导线的电学特性还需要测量信噪比 且在怎样做到信号的防干扰方面也比较欠 缺 电流大小对于导线中信号的传输也有一定的影响 电流越大 信号强度越大 信号所受到的干扰 衰减等越大 对此 在传输线中传递的电流强度不同时 只 需要对所测的参数作一下调整 其余的测试方法是相同的 另外 织物具有好的防静电性能不仅可以保护服装 而且也易于被人们所接 受 2 7 1 为了减少织物的静电影响 减少测试中的静电的影响 常用的方法是合 理地安排接地线 环境温湿度对织物导线中电信号的传输也会有一定的影响 传输导线间的串扰研究始于二十世纪三十年代 2 8 虽然当时传输的信号频 率较低 但相互问的影响的作用已引起了研究者的注意 随着电子技术的发展 电子系统的工作频率越来越高 且传输线间的间距越来越小 传输导线间的串扰 越来越严重 这时的电路设计工程师对导线间的串扰越来越重视 能否在电路设 计前弄清串扰的情况 进而减少系统内的串扰是关系到电子系统设计成败的关 键 对于同轴电缆的扁平化问题 前人已经在织造和测试方面做出了不少贡献 但是所制造出的纺织品的服用性能及其信号传输能力还需要进一步改善 导电纺 织品的发展的趋势就是把金属导线直接嵌入到纺织品中 目的是用纺织品来传递 信号 这不但需要设计可服用的纺织品 而且要测量纺织品导线的电学特性 特 别是信号线间的串扰问题 2 9 1 改善纺织品的结构 尽量减少信号间的串扰的产 生 使之能够顺利的传递高频信号 这一方面的问题现在还没有很好地解决 对 于我国的科研工作者来说是一个很大的挑战 第三章平行导线的信号传输特性 第三章平行导线的信号传输特性 比起传统的同轴电缆 织物线缆的两个重要的特征是 柔软性和能够制作较 大的尺寸 3 0 将导线平行地织入织物 再辅之以屏蔽措施 可获得扁平化后的 织物线缆 然而 当电信号在导线中传输时 将受到诸多因素的影响 要确定织 物线缆对信号传输的适应性 必须从以下两点入手 a 测量织物线缆的电学特性 b 对测试信号传输特性的方法的合理使用 织物线缆能够满足信号传输的要求是织物线缆取代传统同轴电缆的重要条 件 经扁平化后的织物线缆的结构可近似地认为是一组嵌入织物的平行导线 本 章将通过模拟装置 测试平行导线对不同频率信号的传输性能 为评价织物线缆 对通讯信号的传输特性 了解平行导线间高频信号的串扰等打下基础 3 1 平行导线带宽 衰减的测试 在不考虑面料的同常服用 洗涤及反复的受压 弯折的情况下 机织物中的 导线信号间的传输效果由导线的间距 导线的接线方式及传输信号的频率决定 为了简单起见 将织物中的导线近似看成平行导线 通过模拟装置分析平行导线 的电特性 3 1 1 测试仪器及测试方法 带宽和衰减是表征电信号传输性能的重要指标 这两个指标可以用一个坐标 图表示出来 对电学传输线而言 传输线对信号的传递可用等效的具有分布参数 的电路来进行分析 由于高频电流的趋肤效应 传输线的分布电阻随频率上升而 上升 其对高频信号的衰减影响不容忽视 信号通过传输线后呈阻尼衰减状态 使接收端负载获得的能量小于发送端 由于无论是模拟系统还是数字系统 所处理的信号都可以分解为不同频率 1 6 第三章平行导线的信号传输特性 不同幅度正弦波的叠加 故平行导线对正弦信号呈现的规律就是平行导线对实际 信号呈现的规律 以下实验所用的发出信号都是正弦波 该分析具有普遍意义 1 测量仪器 1 0 0 m h z 的示波器 江苏扬中电子仪器厂 y b 4 3 6 5 0 1 5 0 m h z 的信号发生器 上海爱使电子仪器厂 a s l 0 5 1 s 2 测试方法 先将若干组接线柱固定在实验板上 每组两个 间距为2 5 0 m m 接线柱的 组与组的间隔在l 3 m m 范围内可调 再将0 0 9 r a m 的铜导线的两端固定在接线 柱上 做成模拟测试装置 测试装置接线示意见图3 1 5 0q 信号发生器 l 兮l 导线p 示波器 图3 1 带宽 衰减测试装置 在模拟测试装置上将导线分别以g s g s s g s g 的