肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱及其制备方法

本发明属于功能纺织品，涉及一种肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱及其制备方法。

背景技术：

1、随着第四次工业革命浪潮的推动，基于可穿戴传感器的人体行为识别系统在健康管理、运动分析、军事等领域具有广泛应用前景。

2、传统的有线有源织物应变传感器主要通过在织物基底表面涂覆具有传感功能的薄膜或在织物内部植入有线有源(即电源)传感纱的方式制得；例如专利cn116185195a公开了一种基于多模态柔性传感的可穿戴手势交互系统及其方法，该专利用纳米纤维基底和液态金属电路制备得到了一种三明治结构的三轴加速度传感器；该传感器具有良好的识别准确性，但三明治结构导致其在使用过程中存在透气性差的问题。类似的，专利cn116183071a公开了一种基于导电水凝胶的柔性应变传感器及其制备方法、应用，该专利通过在两层铜箔电极片间夹入一层导电水凝胶制备得到了一种应变传感器；所制备的传感器具有灵敏度高、检测极限低、检测范围广等优点，但由于两层铜箔电极片需分别引出导线并连接外部信号采集设备，使用空间受限。上述专利中制得的传感器均为层状结构，层状结构导致传感器存在可织性差的问题。

3、以纱线为基材制备柔性传感器是提高其纺织特性，甚至可织性的良好途径，专利cn115993086a公开了一种基于pedot:pss的柔性应变传感器及其制备方法，该专利通过在高导电纤维外涂覆低导电层制备得到了具有超灵敏、高一致性和高可拉伸性的传感纱；然而，所述传感纱需携带笨重的电源，不利于长时间无感传感。为了实现自供电，专利cn111665937a公开了一种一体化自驱动全纺织手势识别数据手套，采用银、聚四氟乙烯及聚乙烯醇制备得到了基于摩擦起电的自供电应变传感纱线，避免了笨重的电源，但该专利存在信号采集和控制电路，不仅导致电路布局和组装复杂，且导致局部刚性的问题。为了简化布线、提高传感器的柔性，专利cn115644846a公开了一种用于呼吸监测的无线无源rfid标签传感纱，基于射频识别技术，采用热敏电阻随温度的变化来改变互连体和芯片间阻抗匹配程度的方法，以呼气的温度变化实现了呼吸生命体征的无线无源监测，然而由于互连体的阻抗变化量，尤其是电抗变化量(<10ω)远小于芯片电抗(约200ω)，导致在监测过程中阻抗匹配程度变化不显著，接收信号强度(received signal strength indication,rssi)变化量小于5dbm，存在灵敏度低的问题。

4、将上述专利cn115644846a中所述传感纱用于肢体运动监测时，需保证环境温度恒定，特别是热敏元件周围温度恒定，使用条件限制大。然而，国内夏冬季节最大温差普遍超过30℃，且肢体运动也易导致体表温度产生变化，上述情况都会导致热敏电阻的阻值发生显著改变，进而影响互连体和芯片间的阻抗匹配程度，造成接收端的rssi不准确，即接收到的rssi受到环境温度与肢体运动的协同作用，所述专利难以补偿消除环境温度对rssi的影响。

5、因此，开发一种无线无源、结构简单且检测灵敏度高的传感纱具有非常重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱及其制备方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱，包括芯纱、螺旋集成于芯纱表面的1根互连体，互连体由导体i、芯片、导体ii顺序连接而成，导体i为导电纤维或导电纱线，导体ii为导电纤维或导电纱线，导体i和导体ii兼具应变传感功能和电磁波收/发功能；

4、导体i和导体ii的半径相同，螺旋的螺距s、螺旋的螺旋半径r、螺旋的轴向长度l、导体i的半径a、芯片的电抗zcim满足以下关系：

5、

6、式中，μ0为真空中的磁导率，f为谐振频率，z为导体中分布电容贡献的电抗；

7、当满足上述关系时，芯片和导体间实现共轭匹配，无线供能及电磁波的收/发效果最佳；

8、当不满足上述关系时，芯片和导体间阻抗失配，且随着方程两侧差异增加，阻抗失配程度增加，互连体中能量损耗急剧增加，无线供能效果及电磁波的收/发效果显著减弱。

9、作为优选的技术方案：

10、如上所述的一种肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱，芯片为普通商用flip射频芯片，用于实现监测对象的个体识别。

11、如上所述的一种肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱，导体i或导体ii与芯片通过胶水连接。

12、如上所述的一种肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱，导体i和导体ii与芯片的一对顶点连接。

13、如上所述的一种肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱，芯纱由弹性长丝组成，起到支撑作用，并赋予传感纱良好的拉伸性。

14、如上所述的一种肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱，芯纱的直径为1.4～1.8mm。

15、如上所述的一种肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱，互连体可根据实际需求通过传统包缠工艺或编织工艺螺旋集成于芯纱表面。

16、如上所述的一种肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱，还包括保护层，互连体位于保护层与芯纱之间，保护层对无线无源应变传感纱的内部结构和材料具有防护作用；保护层由2根绝缘体组成，绝缘体为不导电长丝纤维或不导电纱，2根绝缘体螺旋缠绕在互连体表面，且螺旋方向相反。

17、制备如前任一项所述的一种肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱的方法，先将1根互连体螺旋集成于芯纱表面，再将2根绝缘体螺旋缠绕在互连体表面，并控制二者的螺旋方向相反，即得肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱。

18、作为优选的技术方案：

19、如上所述的方法，互连体的制备步骤如下：

20、(1)准备模具，模具的表面设有1个长方体凹槽和2个半圆柱体凹槽，2个半圆柱体凹槽相互平行，且经过长方体凹槽的一对顶点；

21、(2)将芯片放入长方体凹槽内，并涂覆适量各向异性导电胶水；

22、(3)将导体i和导体ii分别放入2个半圆柱体凹槽内，热压封装，制成互连体中间件；其中，导体i和导体ii分别位于芯片rf和gnd区域的正上方；

23、(4)裁剪去除互连体中间件中多余的柔性末端；

24、(5)用柔性绝缘胶水涂覆导体i和导体ii与芯片间的装配点，紫外光固化后，即得互连体。

25、本发明的原理如下：

26、本发明的无线无源应变传感纱中互连体由导体i、芯片、导体ii顺序连接而成，互连体中不含有热敏电阻，导体i和导体ii呈螺旋状。

27、本发明的传感原理为：位于射频电磁场中的无线无源应变传感纱随肢体发生共形弯曲应变时改变其反射的电磁波强度。

28、具体传感过程为：根据电磁场原理，读写器产生的电磁场会在导体(导体i和导体ii)中产生交变感应电流，即实现对传感纱的无线供能。肢体运动导致织物和传感纱发生共形弯曲应变，从而使导体中的交变感应电流的方向及交变感应电流在空间中产生的电磁波能量分布发生变化，进而导致监测端接收到的rssi发生变化。rssi是感应电流(大小及方向)的函数，且其与传感纱的应变程度具有一一映射关系，根据接收到的rssi可反推获得肢体运动状态。

29、其中，感应电流的大小取决于导体的阻抗，该阻抗是导体几何结构参数及电磁波频率的函数，而在弯曲过程中导体的平均螺距和平均螺旋半径都不变，即阻抗变化不显著。如图9所示，通过对实施例1中的即螺距、螺旋直径和轴长分别为1mm、0.615mm和86mm的导体进行阻抗实测发现，在弯曲曲率为0～0.04mm-1时，导体的阻抗曲线几乎重合；当弯曲曲率为0.04mm-1时，导体弯成半圆，达到常见肢体监测时弯曲程度的高阈(180°)。

30、感应电流的方向取决于导体的中心轴线方向。根据极化效应，导体中的感应电流产生电磁波的效果近似于沿导体中心轴线方向的电流产生的电磁波辐射效果，即导体中的电流方向可用沿中心轴线方向的等效电流代替。沿着中心轴线将等效电流进行微分，得到无数段电流元。在每段电流元中，电流的方向和大小都相同。监测端p接收到的电磁波能量为所有电流元在p处产生的电磁波的矢量叠加。当传感纱处于伸直状态时，所有电流元的方向相同，因此电流元产生的电磁波在p点处的抵消作用最弱，监测端接收的能量最大。当无线无源应变传感纱随肢体运动发生弯曲应变时，导体中心轴线呈相应弯曲状态，从而沿中心轴线方向的等效电流在各点处都不同向。如图10所示，对于中心轴线上任意两点处的电流元i1和i2，其不仅存在同向电流分量i1-y和i2-y，还存在一对反向电流分量i1-x和i2-x。如图11所示，反向电流分量i1-x和i2-x在监测端p处产生的电磁波辐射方向相反，在空间中被相互抵消。随着弯曲程度的增加，同向电流分量比重减小，反向电流分量比重增加，自由空间中电磁波的相互抵消作用急剧增强，进而导致监测端p接收到的电磁波能量急剧减少，监测结果随弯曲作用显著变化，监测的灵敏度较高。

31、如图15所示，cn115644846a的互连体由导体i、热敏电阻、导体ii顺序连接而成，互连体中含有热敏电阻，导体i和导体ii呈螺旋状。

32、cn115644846a的传感原理为：温度变化引起热敏电阻的阻抗变化，进而互连体的阻抗改变，导致互连体与芯片间阻抗匹配程度改变，使互连体上的感应电流大小发生改变，导致感应电流产生的电磁波能量及被传递至监测端的电磁波强度发生变化。

33、对比可以看出，本发明和cn115644846a的传感原理存在显著差异；cn115644846a依靠互连体整体阻抗的变化改变感应电流的大小，进而改变向外辐射的电磁波总能量，进而改变监测端接收到的能量；本发明的导体阻抗和感应电流大小几乎未发生改变，改变的是等效电流中同向电流的大小，即本发明向外辐射的电磁波总能量不变，但存在相互抵消作用，从而导致弯曲过程中监测端接收到的能量改变。

34、传感原理的差异使本发明能够解决cn115644846a存在的环境适应性差及灵敏度低的问题，因为芯片的电抗(200ω左右)远大于电阻(10ω左右)，互连体与芯片间阻抗匹配程度主要取决于两者间电抗的匹配，在可穿戴应用过程中，互连体中敏感单元的电抗变化范围常小于10ω，甚至5ω，所以对互连体和芯片间阻抗匹配程度和互连体中感应电流的影响不显著，进而导致在监测过程中互连体向外辐射的电磁波和监测端接收到的电磁波能量变化小，测试结果灵敏度低。本发明根据电磁场原理及矢量叠加原理，优选能显著改变空间中电磁波能量的方法，即利用电磁波在空间中的相互抵消作用，使得监测端接收到的电磁波能量随肢体运动发生显著改变，从而提高监测的灵敏度。

35、本发明的互连体中不含有热敏电阻，不会影响接收端的rssi，可保证传感纱的环境适应性及准确性优良，能够解决cn115644846a存在的环境适应性及准确性低的问题。

36、有益效果：

37、本发明的肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱采用射频技术原理实现对传感纱的供能，采集端无需携带电源，有助于实现可穿戴设备的轻量化；

38、本发明的肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱采用射频技术传递传感信息，避免了复杂的布线，提高了传感纱的适用范围；除了采用微型芯片外，传感纱的主体材料采用柔性纤维，使得传感器整体具有良好的可缝、可织性，其连续化制作方法生产效率高，与传统纺织生产工艺匹配度好，能兼容产业化倒封装工艺及纺织生产工艺；

39、本发明的肢体运动状态监测的无线无源应变传感纱通过随肢体运动的传感纱的应变程度对其辐射电磁波能量变化的影响规律，实现肢体运动状态的无线监测，具有响应时间短、灵敏度高的优点，用于肢体运动状态的监测时，传感性能不受监测对象温度影响。