一种基于塑料光纤的柔性应变传感器及其形变监测系统

1.本发明属于智能纺织品技术制造领域，具体涉及一种基于塑料光纤的柔性应变传感器及其形变监测系统。


背景技术：

2.光纤传感器有很多优势，例如对电磁场不敏感，防水和耐腐蚀，减少运动伪影，及高灵敏度。
3.但是在现有可穿戴柔性纺织传感器技术应用范畴中，常用方法是将光纤传感器和纺织品简易组装在一起，即呈两层皮，其穿着舒适度较差，灵敏度差。若将塑料光纤编织进织物结构中内，当塑料光纤在织物结构中交织或成圈时，由于曲率的存在，光在纤维内部传输时容易发生泄漏。此外，在编织过程中因受应力影响，塑料光纤往往很脆弱并且很容易断裂，从而导致传感器的信号易受干扰和不稳定。


技术实现要素：

4.本技术实施例通过提供一种基于塑料光纤的柔性应变传感器及其形变监测系统，通过设计塑料光纤嵌入织物结构，解决了信号易受干扰和不稳定的问题，该传感器应用在各种智能服装中，使得穿着更舒适，提高塑料光纤的稳定性，避免传感器的信号受干扰，保证塑料光纤的使用寿命。
5.本技术实施例提供的技术方案为：
6.一种基于塑料光纤的柔性应变传感器，包括有纱线、嵌于纱线内的塑料光纤；所述塑料光纤与所述纱线之间的针织组织为浮线衬纬组织、单平针衬垫组织、1
×
4集圈组织、添纱衬垫组织。
7.本发明中，采用以上针织组织的形式将其塑料光纤和纱线相织成织物，使得塑料光纤合理地嵌入到织物中，以上结构可有效避免传感器的信号受到干扰，防止塑料光纤在织物中发生断裂，提高塑料光纤的稳定性，保证其使用寿命。且通过塑料光纤嵌入织物中，使得塑料光纤更贴合于织物中，减少厚度，有效提高穿着舒适性。
8.进一步的，所述浮线衬纬针织组织上下阵列环扣的线排a、阵列于相邻环扣处之间且内外穿插设置的塑料光纤a；所述线排a包括有由左到右阵列设置的第一线圈a、阵列设置于所述第一线圈a下方且通过所述第一线圈a围设的第二线圈a；所述第一线圈a与所述第二线圈a错位设置；所述塑料光纤a穿插于所述第二线圈a。
9.进一步的，所述塑料光纤a穿插于所述第一线圈a和所述第二线圈a之间，所述塑料光纤a内穿插与所述塑料光迁a外穿插的数量之比为1:2。
10.其中，关于上述浮线衬纬针织组织，在双针编织过程中，是通过纱线穿引绕过针的背面将塑料光纤a纱线织入2
×
1罗纹针织结构中。
11.通过上述浮线衬纬针织组织的针织方法，其塑料光纤呈直线式嵌入，大大减少织物过程中塑料光纤的曲率存在，有效防止塑料光纤在织物中发生断裂，提高塑料光纤的稳
定性，同时保证塑料光纤的信号稳定。
12.进一步的，所述单平针衬垫组织包括有上下阵列环扣的线排b、对称设置于相邻环扣处且依次内外穿插的塑料光纤b；所述线排b包括有由左到右阵列设置的第一线圈b、阵列设置于所述第一线圈b下方且通过所述第一线圈b围设的第二线圈b；所述第一线圈b与所述第二线圈b错位设置。
13.其中，在单平针衬垫组织中，常规编织结构之后，将塑料光纤b纱线作为内嵌纱线用针交替嵌入组织中。
14.通过上述单平针衬垫组织的针织方法，塑料光纤呈较为平缓波浪式进行嵌入，保证塑料光纤受力均匀性，有效防止塑料光纤发生断裂，保证信号的稳定性。
15.进一步的，所述1
×
4集圈组织包括有上线排c、间隔环扣于所述上线排c下端的下线排c、与所述下线排c相错环扣且环扣于所述上线排c下端和所述下线排c上端的塑料光纤c。
16.进一步的，所述上线排c包括有由左到右阵列设置的第一线圈c、阵列设置于所述第一线圈c下方且通过所述第一线圈c围设的第二线圈c；所述第一线圈c与所述第二线圈c错位设置；
17.所述下线排c包括有由左到右设置的第三线圈c、设置于所述第一线圈c下方且通过所述第一线圈c围设的第四线圈c；所述第一线圈c与所述第二线圈c错位设置；
18.所述第三线圈c与所述第四线圈c之间的高度包括有第一高度、第二高度，所述第一高度的值比所述第二高度的值小。
19.进一步的，相邻所述第一高度的第三线圈c之间相隔有4个所述第二高度的第一线圈c。
20.进一步的，所述塑料光纤c环扣处的高度值与所述第一高度的高度值相同。
21.其中，在1
×
4集圈组织中，塑料光纤c纱线无法从四根针形成的旧线圈上穿套进去，使其浮在针圈的背面。
22.通过上述1
×
4集圈组织的针织方法，塑料光纤c整体弯折曲率看起来较大，但是该设置实际是存在两个线圈同时承受作用力，有效减少塑料光纤所受的拉力。且塑料光纤c环扣处的高度值与所述第一高度的高度值相同，保证受力均匀度，从而提高塑料光纤c嵌入织物的稳定性，且避免传感器的信号受干扰，保证塑料光纤的使用寿命。
23.进一步的，所述添纱衬垫组织包括有上下阵列环扣的线排d、依次穿插于所述线排d内侧及所述线排下方的塑料光纤d；
24.所述线排d包括有由左到右阵列设置的第一线圈d、阵列设置于所述第一线圈d下方且通过所述第一线圈d围设的第二线圈d；所述第一线圈d与所述第二线圈d错位设置；
25.所述塑料光纤d依次从第二线圈d下方穿插至第二线圈d内；所述塑料光纤d穿过所述第二线圈d下方的数量为1-2个；所述塑料光纤d穿过相邻2个所述第二线圈d内。
26.其中，当塑料光纤d穿过所述第二线圈d下方的数量为2个时，为3:1添纱衬垫组织,塑料光纤d在织物背面以规则的每四针织入基布中；当塑料光纤d穿过所述第二线圈d下方的数量为1个时，为2:1添纱衬垫组织,塑料光纤d在织物背面以规则的每三针间隔织入基布中。
27.通过上述纱衬垫组织的针织方法，塑料光纤d呈平缓波浪式进行嵌入，保证塑料光
纤受力均匀性，有效防止塑料光纤发生断裂，提高塑料光纤的稳定性，避免传感器的信号受干扰，保证塑料光纤的使用寿命。
28.通过上述四种组织方式，可有效将塑料光纤稳定嵌入织物中，有效减少织物厚度，提高穿着舒适度。且可通过上述四种织法实现传感器应用在各种智能服装，保证柔性应变传感器设计的多样性，适用大批量生产。
29.一种柔性应变传感器的形变监测系统，包括有如权利要求1所述的柔性应变传感器、与所述塑料光纤连接的光谱仪、与所述柔性应变传感器连接的光源、与所述光谱仪电性连接的计算机、所述塑料光纤与所述光谱仪连接的第一连接线、所述光源与所述柔性应变传感器连接的第二连接线、所述光谱仪与所述计算机连接的第三连接线。
30.通过上述系统设置，光源是可照亮纺织纤维的，经过纺织纤维的光信号被光谱仪单元收集，在柔性应变传感器受到的任何弯曲或压力的作用下，其光的强度也有所变化，其光强度信号再通过第三连接线将其显示在计算机上，通过记录光强度变化，有效测试柔性应变传感器的灵敏性，可应用于各种智能服装，比如人体状态检测，呼吸带等。
31.本发明的有益效果：
32.通过设计塑料光纤嵌入织物结构，解决了信号易受干扰和不稳定的问题，该传感器应用在各种智能服装中，使得穿着更舒适，提高塑料光纤的稳定性，避免传感器的信号受干扰，保证塑料光纤的使用寿命。
附图说明
33.图1为本发明中浮线衬纬组织结构示意图；
34.图2为本发明中单平针衬垫组织结构示意图；
35.图3为本发明中1
×
4集圈组织结构示意图；
36.图4为本发明中2:1添纱衬垫组织结构示意图；
37.图5为本发明中3:1添纱衬垫组织结构示意图；
38.图6为本发明中柔性应变传感器的形变监测系统结构示意图。
39.图中标记：柔性应变传感器1，纱线11，塑料光纤12；线排a 111a，第一线圈a 1111a，第二线圈a 1112a，塑料光纤a 12a；线排b 111b，第一线圈b1111b，第二线圈b 1112b，塑料光纤b 12b；上线排c 111c，第一线圈c1111c，第二线圈c 1112c，下线排c 112c，第三线圈c 1121c，第四线圈c1122c，塑料光纤c 12c；线排d 111d，第一线圈d 1111d，第二线圈d1112d，塑料光纤d12d；光谱仪2；光源3；计算机4；第一连接线5；第二连接线6；第三连接线7。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.实施例1
42.为便于本领域技术人员理解本发明，下面将结合具体实施例和附图对本发明作进
一步详细描述。
43.图1-4和图6中所示，本发明一实施例提供的一种基于塑料光纤的柔性应变传感器，包括有纱线11、嵌于纱线内的塑料光纤12；所述塑料光纤12与所述纱线11之间的针织组织为浮线衬纬组织、单平针衬垫组织、1
×
4集圈组织、添纱衬垫组织。
44.本发明中，采用以上针织组织的形式将其塑料光纤12和纱线11相织成织物，使得塑料光纤12合理地嵌入到织物中，以上结构可有效避免传感器的信号受到干扰，防止塑料光纤12在织物中发生断裂，提高塑料光纤的稳定性，保证其使用寿命。且通过塑料光纤嵌入织物中，使得塑料光纤更贴合于织物中，减少厚度，有效提高穿着舒适性。
45.在其中一实施例中，所述浮线衬纬针织组织上下阵列环扣的线排a 111a、阵列于相邻环扣处之间且内外穿插设置的塑料光纤a 12a；所述线排a 111a包括有由左到右阵列设置的第一线圈a 1111a、阵列设置于所述第一线圈a 1111a下方且通过所述第一线圈a 1111a围设的第二线圈a 1112a；所述第一线圈a1111a与所述第二线圈a 1112a错位设置；所述塑料光纤a 12a穿插于所述第二线圈a 1112a。
46.在其中一实施例中，所述塑料光纤a 12a穿插于所述第一线圈a 1111a和所述第二线圈a 1112a之间，所述塑料光纤a 12a内穿插与所述塑料光迁a12a外穿插的数量之比为1:2。
47.其中，关于上述浮线衬纬针织组织，在双针编织过程中，是通过纱线穿引绕过针的背面将塑料光纤a纱线织入2
×
1罗纹针织结构中。
48.通过上述浮线衬纬针织组织的针织方法，其塑料光纤呈直线式嵌入，大大减少织物过程中塑料光纤的曲率存在，有效防止塑料光纤在织物中发生断裂，提高塑料光纤的稳定性，同时保证塑料光纤的信号稳定。
49.在其中一实施例中，所述单平针衬垫组织包括有上下阵列环扣的线排b111b、对称设置于相邻环扣处且依次内外穿插的塑料光纤b12b；所述线排b111b包括有由左到右阵列设置的第一线圈b 1111b、阵列设置于所述第一线圈b 1111b下方且通过所述第一线圈b 1111b围设的第二线圈b 1112b；所述第一线圈b 1111b与所述第二线圈b 1112b错位设置。
50.其中，在单平针衬垫组织中，常规编织结构之后，将塑料光纤b纱线作为内嵌纱线用针交替嵌入组织中。
51.通过上述单平针衬垫组织的针织方法，塑料光纤呈较为平缓波浪式进行嵌入，保证塑料光纤受力均匀性，有效防止塑料光纤发生断裂，保证信号的稳定性。
52.在其中一实施例中，所述1
×
4集圈组织包括有上线排c 111c、间隔环扣于所述上线排c下端的下线排c 112c、与所述下线排c 112c相错环扣且环扣于所述上线排c 111c下端和所述下线排c 112c上端的塑料光纤c 12c。
53.在其中一实施例中，所述上线排c 111c包括有由左到右阵列设置的第一线圈c 1111c、阵列设置于所述第一线圈c 1111c下方且通过所述第一线圈c1111c围设的第二线圈c 1112c；所述第一线圈c 1111c与所述第二线圈c1112c错位设置；
54.所述下线排c 112c包括有由左到右设置的第三线圈c 1121c、设置于所述第一线圈c 1111c下方且通过所述第一线圈c 1111c围设的第四线圈c1122c；所述第一线圈c 1111c与所述第二线圈c 1112c错位设置；
55.所述第三线圈c 1121c与所述第四线圈c 1122c之间的高度包括有第一高度、第二
高度，所述第一高度的值比所述第二高度的值小。
56.在其中一实施例中，相邻所述第一高度的第三线圈c之间相隔有4个所述第二高度的第一线圈c。
57.在其中一实施例中，所述塑料光纤c环扣处的高度值与所述第一高度的高度值相同。
58.其中，在1
×
4集圈组织中，塑料光纤c纱线无法从四根针形成的旧线圈上穿套进去，使其浮在针圈的背面。
59.通过上述1
×
4集圈组织的针织方法，塑料光纤c整体弯折曲率看起来较大，但是该设置实际是存在两个线圈同时承受作用力，有效减少塑料光纤所受的拉力。且塑料光纤c环扣处的高度值与所述第一高度的高度值相同，保证受力均匀度，从而提高塑料光纤c嵌入织物的稳定性，且避免传感器的信号受干扰，保证塑料光纤的使用寿命。
60.在其中一实施例中，所述添纱衬垫组织包括有上下阵列环扣的线排d111d、依次穿插于所述线排d内侧及所述线排下方的塑料光纤d12d；
61.所述线排d包括有由左到右阵列设置的第一线圈d 1111d、阵列设置于所述第一线圈d下方且通过所述第一线圈d围设的第二线圈d 1112d；所述第一线圈d 1111d与所述第二线圈d 1112d错位设置；
62.所述塑料光纤d 12d依次从第二线圈d 1112d下方穿插至第二线圈d 1112d内；所述塑料光纤d 12d穿过所述第二线圈d 1112d下方的数量为1个；所述塑料光纤d 12d穿过相邻2个所述第二线圈d 1112d内。
63.其中，当塑料光纤d 12d穿过所述第二线圈d 1112d下方的数量为1个时，为2:1添纱衬垫组织,塑料光纤d在织物背面以规则的每三针间隔织入基布中。
64.通过上述纱衬垫组织的针织方法，塑料光纤d12d呈平缓波浪式进行嵌入，保证塑料光纤受力均匀性，有效防止塑料光纤发生断裂，提高塑料光纤的稳定性，避免传感器的信号受干扰，保证塑料光纤的使用寿命。
65.通过上述四种组织方式，可有效将塑料光纤稳定嵌入织物中，有效减少织物厚度，提高穿着舒适度。且可通过上述四种织法实现传感器应用在各种智能服装，保证柔性应变传感器设计的多样性，适用大批量生产。
66.一种柔性应变传感器的形变监测系统，包括有如权利要求1所述的柔性应变传感器、与所述塑料光纤连接的光谱仪、与所述柔性应变传感器连接的光源、与所述光谱仪电性连接的计算机、所述塑料光纤与所述光谱仪连接的第一连接线、所述光源与所述柔性应变传感器连接的第二连接线、所述光谱仪与所述计算机连接的第三连接线。
67.通过上述系统设置，光源是可照亮纺织纤维的，经过纺织纤维的光信号被光谱仪单元收集，在柔性应变传感器受到的任何弯曲或压力的作用下，其光的强度也有所变化，其光强度信号再通过第三连接线将其显示在计算机上，通过记录光强度变化，有效测试柔性应变传感器的灵敏性，可应用于各种智能服装，比如人体状态检测，呼吸带等。
68.实施例2
69.与实施例1不同之处为：
70.如图5所示，所述塑料光纤d 12d依次从第二线圈d 1112d下方穿插至第二线圈d内；所述塑料光纤d12d穿过所述第二线圈d下方的数量为2个；所述塑料光纤d穿过相邻2个
所述第二线圈d内。
71.其中，当塑料光纤d 12d穿过所述第二线圈d 1112d下方的数量为2个时，为3:1添纱衬垫组织,塑料光纤d12d在织物背面以规则的每四针织入基布中。
72.本发明的有益效果：
73.通过设计塑料光纤嵌入织物结构，解决了信号易受干扰和不稳定的问题，该传感器应用在各种智能服装中，使得穿着更舒适，提高塑料光纤的稳定性，避免传感器的信号受干扰，保证塑料光纤的使用寿命。
74.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
75.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过任一现有技术实现。