编织结构摩擦纳米纤维的压力传感系统的制作方法

1.本实用新型涉及传感器领域，尤其涉及一种编织结构摩擦纳米纤维的压力传感系统。


背景技术：

2.足底压力分布在人类疾病诊断、生物力学和步态分析中已被广泛认可。例如，足底压力的诊断可以预测糖尿病足溃疡和预测影响足部和踝关节的疾病。现有的足底压力检测通常是依赖压力传感器，制作成本高，需要额外的电池供电。
3.摩擦纳米发电机是一种利用摩擦电和静电感应的耦合效应将机械能转化为电能的技术。而织物基摩擦纳米发电机更是可以集成在纺织品上实现自驱动传感。本实用新型提出了一种基于核壳编织结构的摩擦电纤维构成针织自驱动传感织物来实现足底压力检测及输出。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种编织结构摩擦纳米纤维的压力传感系统，可以集成在纺织品上实现自驱动压力传感。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供一种编织结构摩擦纳米纤维的压力传感系统，包括至少一个压力传感器和数据采集模块，其中
6.所述压力传感器，由核壳编织结构的摩擦纳米纤维针织形成，其中，所述摩擦纳米纤维由导电的芯层以及缠绕所述芯层的壳层缠绕纱线组成；受到外部压力作用时，所述芯层产生与压力相关的电信号；
7.所述数据采集模块用于接收所述压力传感器产生的电信号。
8.优选的，所述壳层缠绕纱线为柔性的尼龙纱线、涤纶纱线或陶瓷纱线。
9.优选的，所述壳层缠绕纱线为2-24股。
10.优选的，所述芯层选用导电纱线。
11.优选的，所述芯层为镀银尼龙纱线、不锈钢丝或导电碳线。
12.优选的，所述芯层的纱线为1-8股。
13.优选的，所述数据采集模块将所述电信号传输至电脑终端，显示出压力映射图，根据压力映射图判断外部动作。
14.优选的，包括多个所述压力传感器，所述压力传感器设置在脚踩部位，用于传感足底不同部位的压力。
15.优选的，多个所述压力传感器设置在袜子底部或者鞋垫上。
16.优选的，多个所述压力传感器设置在脚前掌、脚弓和脚后跟的位置。
17.本实用新型的技术方案与现有技术相比，有下列优点：
18.本实用新型主要针对现有的用于足底压力检测传感器的透气性低，舒适性差且制造工艺复杂等缺点，采用pvdf、尼龙和镀银尼龙纱线等廉价且无毒的商用材料制作的编织
核壳摩擦纳米纤维制作的自驱动压力传感器作为传感系统的传感元件，这种编织核壳编织摩擦电纤维编织成针织自驱动传感织物应用于检测足底压力时，透气性与舒适性良好，并且核壳编织摩擦电纤维的制备过程简单，成本低，具有自供电优势，所实用新型的压力检测传感器并不需要额外供电，即不需要更换电池，在有效降低了成本适合大规模工业生产的前提下也解决了环保问题。将传感器集成在足底不同位置与多通道数据采集模块结合，做不同的瑜伽姿势时，会实时显示足底不同位置的压力映射。
19.除了可以作为足底压力传感系统，也可以作为全身运动的具体动作和姿势等复杂信息的实时监测。
附图说明
20.附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
21.图1为本实用新型编织结构摩擦纳米纤维的足底压力传感系统的结构示意图；
22.图2为足底压力传感系统的应用示范图；
23.图3为编织结构摩擦纳米纤维的压力传感器结构示意图；
24.图4为核壳结构摩擦纳米纤维的结构示意图；
25.图5为编织结构摩擦纳米纤维的压力传感器的工作原理示意图。
具体实施方式
26.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
27.实用新型提供了一种由核壳编织结构的摩擦纳米纤维的足底压力检测传感系统，包括至少一个压力传感器和数据采集模块，其中，压力传感器，由核壳编织结构的摩擦纳米纤维针织形成，其中，摩擦纳米纤维由导电的芯层以及缠绕所述芯层的壳层缠绕纱线组成；受到外部压力作用时，所述芯层产生与压力相关的电信号；所述数据采集模块用于接收所述压力传感器产生的电信号，并可以对电信号进行处理和分析。
28.数据采集模块可以将压力传感器的电信号传输至电脑终端，显示出压力映射图，根据压力映射图判断外部动作。
29.本实用新型提供的传感系统用于监测不同运动姿势，如监测瑜伽姿势时足底的压力分布等。在此以足底压力检测传感系统为例来描述，如附图1和图2中所示，图1为编织结构摩擦纳米纤维的足底压力传感器分布情况，图2为实际应用场景中的各种瑜伽动作足底压力传感系统的应用示范图。足底压力传感器的结构与工作原理如附图5所示，图3为足底压力传感器的结构，由核壳编织结构的摩擦纳米纤维针织形成，是自驱动传感织物；图4为核壳编织结构的摩擦纳米纤维的结构；图5为压力传感器的工作原理示意图。
30.足底压力传感器是一种单电极工作模式，自由运动物体与壳层表面接触时，通过接触起电和静电感应耦合产生等效电荷，当两个表面相互远离时，电子从电极层03流向外电路02从而产生电流，向外部的数据采集模块01传递信息。
31.核壳编织结构的摩擦纳米纤维的具体的制备工艺，参见附图4，首先以一些具有一定柔性且弹性模量较小的纱线，如尼龙纱线、涤纶纱线、陶瓷纱线等作为壳层缠绕纱线，壳
层缠绕纱线可控制在2-24股；芯层03选用导电性好的纱线，如镀银尼龙纱线、不锈钢丝、导电碳线等作为电极层，芯层纱线可控制在1-8股。经过编织机将壳层纱线缠绕在中心电极纱线上，制备出核壳编织结构摩擦纳米纤维。
32.值得注意的是，在制备过程中壳层纱线缠绕要紧密，否则会泄露电荷。将核壳编织结构摩擦纳米纤维制备成针织传感织物用作足底压力传感织物，将其集成在足底用于足底压力检测(足底压力传感织物的数量与位置可随实际情况进行调整)。
33.图1中展示了其在实际场景下的工作原理，选择了双脚共16个足底压力传感器织物，分别位于脚前掌，脚弓和脚后跟的位置，每个足底压力传感器分别与数据采集模块相连，数据采集模块可以为多通道电压或者电流采集装置。当人体做不同动作时，会引起人体重心的轻微不同转移，足底压力也会产生轻微不同，使足底的针织传感织物受到不同的压力，产生相应的电信号并通过数据采集模块将其传输至电脑终端，显示出足底压力映射图，根据足底压力映射图判断足部动作。
34.例如当人体正常站立姿势时，双脚足底压力平均，脚弓部位压力显示最小。当单脚站立时，会有一只脚没有足底压力显示，另一只脚的压力会明显增大。当改变姿势双脚脚尖站立时，重心前移，此时只有脚前掌部位显示压力，脚中部与后部均不与地面接触，不显示压力。体转姿势时，重心会随着体转进行周期性转移，双脚足底压力也会产生左右周期性变化。下蹲时，重心会向双脚内侧转移，内侧压力会高于外侧压力。前弓步时，前面那只脚的压力会增大，后面那只脚只有脚前掌部位会有压力显示。踏步时，两只脚的压力分布会呈现周期性变化。扭胯时，重心会随着身体呈小圆圈转移，足底压力也会呈现走马灯式压力变化。侧弓步时，上半身偏向的那边，双脚压力会增大，另一只脚的外侧压力减小。不同的瑜伽姿势会有不同的重心转移，也会产生相应的足底压力显示。
35.因此，通过分析不同足底压力变化可以实现对于人体动作姿势的实时监测。
36.本实用新型提供的足底压力传感器是建立在核壳编织结构的摩擦电纤维构成，利用了摩擦电纤维能够对不同压力产生电信号的特性，不需要给传感器提供电源，是一种针织自驱动传感织物，在接受到不同的外界载荷的作用时，摩擦电纤维之间由于形变发生接触-分离现象，进而导致了接触起电与静电感应，电子通过外电路流通而完成了信号的产生与传输。这种机械运动/触发监测的传感模式不需要额外供电，能很好地解决更换电池的问题。
37.本实用新型主要是由核壳编织结构的摩擦电纤维构成针织自驱动传感织物，可以集成在传统袜子上或者鞋底上按照不同位置排列构成的传感网络与之相配合的数据采集模块，进行信号处理与分析，实现实时足底压力传感监测。
38.核壳编织结构的摩擦电纤维构成针织自驱动传感织物的主要作用是接受人体不同姿势如瑜伽时不同压力产生的相应的传感信号。由于针织结构的特点，能准确感知足底压力的实时变化，这使得其在解决足底压力检测问题上具有了极大潜力。例如，当做出不同姿势的动作的时候，其足底不同部位的压力也会产生轻微的变化，就会产生并输出阈值相对应的电信号。数据采集模块的作用是将接收到的由针织自驱动传感织物传感器产生并传输的电信号分析与选择显示在电脑终端上。通过足底不同位置的轻微压力的不同，来反映不同姿势对足底的压力变化，以此来识别人体不同姿势。
39.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛
盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。