基于信息纤维的柔性传感器理论与应用研究

马明毅

摘要 本文主要分析研究基于信息纤维的柔性传感器理论及应用，通过对信息纤维和柔性传感器进行简要概述作为根本出发点，分别从材料形变电阻效应、材料形变电容效应、织物线圈互感效应等方面论述基于信息纤维的柔性传感器理论，之后尝试以智能服装系统为例，简单探究基于信息纤维的柔性传感器应用，以便能够有效帮助人们加深对柔性传感器的理解与认知。

关键词 信息纤维；柔性传感器理论；应用

中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2016）14-0055-02

随着社会经济发展水平不断提高，科学技术得到蓬勃发展，我国也迎来智能化、现代化、信息化时代，在此背景之下，各行各业均朝着智能化、现代信息化的方向发展，服装领域也不例外。为了能够有效增强服装的智能性，更好地满足人们对于服装的智能需求，科研人员加大了相关方面的研究力度，通过结合基于信息纤维的柔性传感器理论并将其运用在服装当中，为我国服装行业的发展进步增添了浓墨重彩的一笔。

1信息纤维与柔性传感器的简要概述

1.1信息纤维

信息纤维是一种重要的信息功能材料，而所谓的信息功能材料指的就是能够为获取、传输、显示和处理材料提供必要服务的相关材料，譬如说各种半导体材料、光电子材料、传感器材料等等，而在信息功能材料当中其外观呈现出细长纤维状的材料也就是信息纤维。而在现阶段的传递媒介当中以光、电为主，因此运用在传感器当中的信息纤维也主要以光导纤维、导电纤维、磁性纤维为主。

1.2柔性传感器

柔性传感器与普通传感器最大的区别体现在“柔性”二字上，即柔性传感器具备材料柔软容易变形，模量比较低等特性。根据不同的用途，柔性传感器也有着多种多样的类型和种类，比如说用于调节温度的柔性温度传感器、能够产生压力的柔性压力传感器，材料易发生形变的柔性形变传感器等等。从感知机理的角度出发，柔性传感器也可分成电阻式、电容式、电感式等多种模式；而从外观的角度出发，柔性传感器又可以被细分为现状外观、面状外观、立体状外观等各种形态和类型的柔性传感器。

2基于信息纤维的柔性传感器理论

2.1材料形变电阻效应

现阶段，在基于信息纤维的柔性传感器理论当中材料形变电阻效应是其中一项重要的理论，具体来说指的就是吸附在基体材料当中的金属电阻应变片，跟随着不断产生形变的机械而改变相应电阻值的现象，通常人们也将其称之为电阻应变效应。在材料形变电阻效应的理论支持下，各国设计师利用信息纤维中的导电纤维相继设计出了电阻式柔性传感器、针织应变传感器等。

2.2材料形变电容效应

材料的形变电容效应也是基于信息纤维的柔性传感器常用的一种重要理论。在材料形变电容效应的理论支持下，设计师尝试使用导电纤维设计出了电容式柔性压力传感器并建立了与之相对应的电容网络模型。在该柔性传感器当中，两根纤维相互交错此时电容将不断变大；还有设计师尝试使用弹性中空纤维设计出柔性电容性触觉传感器，利用两根相互交叉的纤维会产生电容变化为基础，通过测量电容的变化用于检验纤维之间接触压力的大小。

2.3织物线圈互感效应

除了材料形變电阻效应与材料形变电容效应之外，织物线圈的互感效应也是基于信息纤维的柔性传感器经常需要运用的一项理论。而支撑互感效应的基本原理正是磁的耦合；通常意义下，只要同时有2个电流回路存在就会产生互感效应，其中1个电流回路会产生1个磁场并对第2个电流回路产生一定的影响，最后两个电流回路相互影响。在织物线圈互感效应的理论下，检验容积变化变得更加容易。以织物线圈互感效应为设计理论，设计师设计了一款电感式应变柔性传感器，同时建立了与之相对应的电感计算模型。

3基于信息纤维的柔性传感器应用

3.1健康监护服装

健康监护服装主要是用于监测人体以呼吸、脉搏、体温、心跳等为代表的生命特恒和生理信息，以便随时随地了解人的身体和生理健康。健康监护服装主要由两大部分组成，其一为紧身背心作为基体；另一部分则是在基体之上具有可拆卸性质的生理信息检测系统。其中生理信息检测系统又被细分为3个部分，分别用于完成信息输入、信息处理以及信息输出。在信息输入部分当中主要由两个设置在基体内侧，与人体左胸和右胸相对应的柔性机织电极和同样设置与基体内侧与人体胸部和腹部位置相对应的电阻式柔性应变传感器以及一个位于基体腹部为止电阻式柔性温度传感器组成；而输出和处理信息则交由一个能够集获取、转换、发射传感器信号等功能于一身的电路完成。

3.2电热服装

电热服装主要用于为服装提供加热和保温功能，其主要设置包括一个马甲基体以及一个可以对温度进行有效控制的系统。其中温度控制系统主要有由基体之上与人体左右前胸及后背位置相对应的3个电阻式柔性温度传感器和面状电热元件、一个与人体左前腹位置相对应的微控制器、以及一个电源构成。为考虑人体的舒适程度和穿戴方便性，微控制器需要尽量控制其体积以及耗能情况，而在面状电热元件当中通常可以将电热布作为元件。

3.3睡姿监护服装

睡姿监护服装顾名思义主要是用于监测人体的睡姿情况并及时将其反馈给使用者。在睡姿监护服装当中主要由一个衣物基体和位于基体之上分别于人体前、后、左、右4个位置相对的电阻式柔性压力传感器组合而成。导电经纬线相互交错，同时纬线和经线之间均使用并联的连接方式，导电经纬线之间的总体电阻也会随着电阻式柔性压力传感器产生的压力变化而变化。当人体穿着睡姿监护服装入睡并出现俯卧、侧卧等睡眠姿势时，对应部位的电阻式柔性压力传感器将会受到一定的压力作用进而发生电阻变化，此时产生的电阻信号将通过信号转换电路变为电压信号，而电压信号再经由微控制器该转换为睡姿信息，最后人体将由用于报警的电路、天线等获知自身的睡姿信息。

3.4监护军服

监护军服主要用于军事作战当中，其主要由一个背心基体和位于基体之上具有可拆卸性质的能够用于检测穿透信息的系统这两大部分组成。其中可用于检测穿透信息的系统主要是由位于基体之上且分别与人体的前、后两大部位相对应的柔性穿透传感器以及分别用于处理和输出信息的部分组成。其中输出和处理信息则交由一个能够集获取、转换、发射传感器信号等功能于一身的电路完成。当柔性穿透传感器感受到子弹、刀片外力作用并被穿透时，与之相对应的导电经纬线将直接变为断路状态；此时由信号转换电路负责对全部导电经纬线的状态进行检测，以便能够准确得知处于通路状态下的导电经纬线对应区域是否全部为非穿透区域，处于断路状态下的导电经纬线对应区域是否全部为穿透区域；最后能够依据穿透区域的具体情况，对因外力作用产生的穿透区域的具体对应位置、面积大小等进行详细确定。

4结论

总而言之，目前基于信息纤维的柔性传感器在我国刚刚起步发展，还缺乏大量的知识理论作为重要的基础保障，本文只挑选其中比较重要的3种理论进行简单介绍。同时结合智能服装系统，分别从健康监护服装、电热诉状、睡姿监护服装以及监护军服等方面对基于信息纤维的柔性传感器的应用进行简要分析。相信在不久的将来，柔性传感器还将得到进一步的发展，届时基于信息纤维的柔性传感器也将得到更加深入广泛的应用。endprint