CN105803624B - 具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法，首先选择一种弹性纱线，织造成织物，作为天线的介质基片，测试并计算其介电常数和介电损耗；根据计算结果及天线所需的工作频率，计算天线的辐射元的基本尺寸，选择一种导电纱线与弹性纱线一起织造天线的辐射元、馈电线以及接地板；最后通过垂直捆绑纱，将各部分造成一个整体的、弯曲变形时频率变化明显且存在线性规律的织物天线结构。本发明将弯曲应变敏感的纺织结构与天线元件相结合，实现了一种同时兼具无线信号传输功能和弯曲应变传感功能的弯曲应变传感织物；该传感织物结构完整性好，在外力作用下变形稳定均匀、可以预测；产品成本较低，性能稳定，有利于推广使用。

Description

具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法，属于功能纺织品以及智能纺织品技术领域。
背景技术
伴随着科技的迅速发展，纺织品的功能已经不仅仅局限于美观与保暖，在保持其原有特征的前提下，智能纺织品已经成为其发展的一个趋势，在近几年的研究中，智能纺织品已经在电子电工、体育运动、数字化多媒体娱乐、生物医疗和军事国防中得到了广泛的应用。将纺织品与通信设备的结合更是具有一定的研究意义。可穿戴天线作为一种智能纺织品，将微带天线与柔性可变形的纺织品相结合，其兼顾了纺织品和微带天线的优点，不仅具备了纺织品柔软、舒适、吸湿、透气等服用性能，还具备了微带天线剖面高度低，尺寸小，重量轻，结构紧凑，与载体共形性好，可隐蔽集成到织物等一系列优良特性，使得天线在完成信息传输的同时能够更好的与人体各部分贴合。
目前国内外对于可穿戴天线的研究，主要是将天线与柔性纺织材料通过缝合、粘合等方式层合而成，这种天线一般具有较小的体积和低剖面，而且更容易和人体保持共形，多附着在衣服上使用。一般的纺织天线结构多是用于信号传输，并没有用于织物传感领域。事实上，柔性的天线结构在变形过程中，其电磁学性能，如共振频率、驻波比等参数会发生变化。如果通过监测天线的电磁信号，可反推出织物天线所受到的变形情况。然而一般的层合的织物天线结构，在弯曲过程中结构不够稳定，容易造成层间变形，使纺织结构容易产生无规律的变形，从而无法通过监测天线性能的变化来感知天线弯曲变形。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何制备一种兼具无线信号传输功能和弯曲应变传感功能的弯曲应变传感织物。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法，其特征在于，该方法由以下3个步骤组成：
步骤1：选择一种弹性纱线，织造成织物，作为天线的介质基片，测试并计算其介电常数和介电损耗；
步骤2：根据天线所需的工作频率和所得到的介电常数、介电损耗，计算天线的辐射元的基本尺寸，选择一种导电纱线，与所述弹性纱线一起织造天线的辐射元、馈电线、介质基板以及接地板；
步骤3：通过垂直捆绑纱，将介质基片、辐射元、馈电线、介质基板以及接地板织造成为一个整体的、弯曲变形时频率变化明显且存在线性规律的织物天线结构；
其中，所述弹性纱线和弹性导电纱线的断裂伸长率均不低于20％。
优选地，所述步骤1中，弹性纱线的介电性能为：介电常数2-8，介电损耗角正切0.00001-0.01。
更优选地，所述步骤1中，弹性纱线为弹性氨纶、涤纶弹性纱线等高弹纤维，也可选用高性能纤维、普通的化学纤维等其它类型的纤维。
进一步地，所述弹性纱线密度为40-2000dtex。
优选地，所述步骤1中，织物为三维结构织物或弯曲应变状态下结构变化均匀的二维弹性结构织物。
更优选地，所述三维结构织物为三维正交织物、三维角联锁织物或三维间隔织物。
优选地，所述步骤2中，弹性导电纱线的电导率为103-108s/m。
更优选地，所述步骤2中，弹性导电纱线为金属线、碳纳米管纱线、石墨烯纤维、碳纤维或导电涂层纱线。
优选地，所述步骤3中，垂直捆绑纱为柱纱或间隔纱线。
更优选地，所述柱纱或间隔纱线为涤纶单丝、丙纶、锦纶或维纶单丝，可以通过调整柱纱的模量来调整织物的弯曲应变传感灵敏度。
优选地，所述织物天线结构基于微带天线结构、平面天线结构或曲面共形天线结构。
优选地，所述织物天线结构基于对称振子天线结构或相控阵天线结构。
优选地，所述织物天线结构为单辐射元天线结构或阵列天线结构。
优选地，当织物天线结构发生弯曲应变变形时，天线的工作频率发生变化；通过对天线信号的监测反推织物天线结构的弯曲应变变形情况，从而实现织物天线结构弯曲应变传感监测功能。
优选地，所述天线的工作频率可随织物天线结构长度方向的弯曲应变而变化，也可以随织物天线结构宽度方向的弯曲应变而变化。
优选地，所述天线的工作频率可选用L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段等，可按照实际需求的工作频率来设计织造天线的尺寸。
本发明采用三维织物制造技术，将弹性导电纱线与弹性纱线织造成为织物天线结构，其辐射元、接地板以及馈电线由弹性导电纱线构成，介质基片由介电性能优良的弹性纱线构成，各个部件通过三维织造工艺织造成为一个整体。当织物发生压弯变形时，天线的工作频率发生变化。通过对天线信号的监测可反推织物的弯曲变形情况，从而实现织物弯曲传感监测功能。为功能纺织品以及智能纺织品提供了一种新的设计思路。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、将弯曲应变敏感的纺织结构与天线元件相结合，实现了一种同时兼具无线信号传输功能和弯曲应变传感功能的弯曲应变传感织物；
2、该弯曲应变传感织物具有结构完整性好，在外力作用下变形稳定均匀、可以预测的特点，从而可以通过反推天线工作频率的偏移来感知织物的弯曲变形，实现织物弯曲应变传感监测功能；
3、该弯曲应变传感织物具有柔性的纺织结构，可通过调整纱线参数和结构参数控制织物的弯曲变形，从而调控传感织物的灵敏度；
4、采用自动化三维机织工艺，产品成本较低，性能稳定，有利于推广使用，在军工国防、人体运动监测、智能服装与智能结构领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中单辐射元弯曲应变传感织物示意图；
图2为实施例2中双辐射元弯曲应变传感织物示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
结合图1，三维机织结构单辐射元弯曲传感天线织物的制备，具体方法如下：
(1)选用裸铜丝作为导电纱线，直径0.5毫米；选择介电性能良好的弹性聚乙烯纱线，细度400tex。
(2)设计天线工作频率为1.5GHz，所制备的三维织物厚度为2.5mm，其介电常数r＝1.5，根据天线设计理论(参见《天线理论与技术》第六章，钟顺时编著)，计算得到单辐射元微带天线尺寸参数。图1中，W和L分别为辐射元宽和长，WG和LG为成品微带天线的宽和长FL为馈电线的长度，FD为馈电线的宽度。
(3)织造单辐射元微带天线预制件。设计基本结构预制件包括三层，最上层为弹性导电纱线织造的辐射元1结构层；其下层为由聚乙烯纱线作为经纬纱织造的基体3织物层，基体织物层有两层经纱和三层纬纱组成，起到支撑辐射元的作用；最下层为弹性导电纤维织造的接地板层；三层织物结构由相互交织的垂直捆绑纱束缚成为一个整体。在沿织造方向达14mm时，开始织造天线辐射元1，完成辐射元前半部分的38.6mm后，到达馈电线2时，继续织造后半部分辐射元以及天线结构，织造工作完成。将同轴连接器(JSMA-KFD40)的探针与辐射元的馈电点处焊接，即完成三维正交结构弯曲传感织物的织造过程。
(4)该织物沿在宽度方向曲率半径由无穷大(平面)减小到20mm的过程中，其工作频率由1.5GHzz增大至1.56GHz；如表1所示。通过对工作频率变化与弯曲距离的拟合即得到两者之间的对应关系，利用该对应关系可以通过监测无线信号的变化情况感知织物的受弯曲情况。
表1.传感织物宽度W方向弯曲应变与工作频率关系
实施例2
结合图2，三维机织结构双辐射元弯曲应变传感织物的制备，具体方法如下：
(1)选用裸铜丝作为导电纱线，直径0.5毫米；选择介电性能良好的芳纶纱线，细度400tex。
(2)设计天线的工作频率为2GHz，所制备的三维织物厚度为2.5mm，其介电常数r＝4.5，根据天线设计理论计算得到单辐射元微带天线尺寸参数，如图2所示，其中W1和L1为传感织物的宽和长，W2和L2分别为辐射元贴片的宽和长，L3、L4、L5为馈线的长度，W3、W4、W5为馈线的宽度。
(3)织造单辐射元微带天线预制件。结构预制件分为三层，最上层为弹性导电纱线织造的辐射元1结构层；其下层为由芳纶纱线作为经纬纱织造的基体3织物层，基体织物层有两层经纱和三层纬纱组成，最下层为导电纤维织造的接地板层。电纱线与芳纶均由筒子架引出，经过机前钢扣进行预分层，捆绑纱穿过综丝眼，铜丝和经纱从两页综框的综丝之间穿过，在综框上下分层后形成多层梭口，纬纱由剑杆引入后，综框上下交替，随后钢筘完成打纬，通过电机卷绕完成卷曲工作，三层织物结构由相互交织的垂直捆绑纱束缚成为一个整体。
在沿织造方向达14mm时，开始使用梭子织造天线辐射元，选取最上层面纱，提起天线单元宽度的经纱，使用一个绕有铜绞线的梭子来引纬，穿过提起的经纱，纬管每引一次纬，打纬一次，完成辐射元前半部分的42.8mm后，到达馈电网络2时，继续织造后半部分辐射元以及天线结构，后续单元织造方法相同。将同轴连接器(JSMA-KFD40)的探针与辐射元的馈电点处焊接，同轴连接器的底座与天线预制件的下层铜线相焊接。
(4)该织物沿在宽度方向曲率半径由无穷大(平面)减小到40mm的过程中，其工作频率由2GHz增大至2.12GHz；如表2所示。通过对工作频率变化与弯曲距离的拟合即得到两者之间的对应关系，利用该对应关系可以通过监测无线信号的变化情况感知织物的受弯曲情况。
表2.传感阵列天线织物宽度W方向弯曲应变与工作频率关系

Claims (10)

1.一种具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法，其特征在于，该方法由以下3个步骤组成：
步骤1：选择一种弹性纱线，织造成织物，作为天线的介质基片，测试并计算其介电常数和介电损耗；
步骤2：根据天线所需的工作频率和所得到的介电常数、介电损耗，计算天线的辐射元的基本尺寸，选择一种弹性导电纱线，与所述弹性纱线一起织造天线的辐射元、馈电线以及接地板；
步骤3：通过垂直捆绑纱，将介质基片、辐射元、馈电线以及接地板织造成为一个整体的、弯曲变形时频率变化明显且存在线性规律的织物天线结构；
其中，所述弹性纱线和弹性导电纱线的断裂伸长率均不低于20％。
2.如权利要求1所述的一种具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，弹性纱线的介电性能为：介电常数2-8，介电损耗角正切0.00001-0.01。
3.如权利要求1或2所述的一种具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，弹性纱线为弹性氨纶或涤纶弹性纱线。
4.如权利要求1所述的一种具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，织物为三维结构织物或弯曲应变状态下结构变化均匀的二维弹性结构织物。
5.如权利要求4所述的一种具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法，其特征在于：所述三维结构织物为三维正交织物、三维角联锁织物或三维间隔织物。
6.如权利要求1所述的一种具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，弹性导电纱线的电导率为103-108s/m。
7.如权利要求1或6所述的一种具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，弹性导电纱线为金属线、碳纳米管纱线、石墨烯纤维、碳纤维或导电涂层纱线。
8.如权利要求1所述的一种具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，垂直捆绑纱为柱纱或间隔纱线。
9.如权利要求1所述的一种具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法，其特征在于：所述织物天线结构基于微带天线结构、平面天线结构或曲面共形天线结构。
10.如权利要求1所述的一种具有无线信号传输功能的弯曲应变传感织物的制备方法，其特征在于：当织物天线结构发生弯曲应变变形时，天线的工作频率发生变化；通过对天线信号的监测反推织物天线结构的弯曲应变变形情况，从而实现织物天线结构弯曲应变传感监测功能。
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