基于信息纖維的柔性傳感器理論與應用研究.pdf

1、智能服裝系統(tǒng)的信息感知功能離不開柔性傳感器。本研究通過探討基于信息纖維的柔性傳感器的感知機理、輸入輸出關系和傳感器參數(shù)取值范圍，為面向智能服裝的心電、呼吸、體溫和壓力等個人生理信息與狀態(tài)的檢測提供理論與物質(zhì)基礎。
　　 首先，匯總了纖維形成模型、信息纖維和柔性傳感器設計等相關領域的理論、技術和應用現(xiàn)狀。
　　 根據(jù)物理學定律，建立了時域纖維形成模型，分析了時域纖維形成模型與空間域纖維形成模型的關系。
　　 設計了

2、由導電彈性纖維組成的柔性機織電阻式應變傳感器。建立了并聯(lián)式應變傳感器(PSS)和串聯(lián)式應變傳感器(SSS)的等效電路模型。在等效電路模型和物理學定律基礎上推導了PSS和SSS的應變電阻關系和輸入輸出特性。分析了PSS和SSS的尺寸、纖維半徑和電阻率等的參數(shù)域（有效取值范圍）。結果表明，PSS和SSS的參數(shù)域為由一個曲面和五個平面所包圍的三維空間;PSS可選用電阻率適中或較低的導電彈性纖維，理論上可適用于任意尺寸的應變檢測;SSS只能選用

3、電阻率較低的導電彈性纖維，僅適用于較小尺寸的應變檢測。
　　 設計了由導電纖維組成的柔性機織電阻式溫度傳感器。建立了并聯(lián)式溫度傳感器(PTS)和串聯(lián)式溫度傳感器(STS)的等效電路模型。在等效電路模型和物理學定律基礎上推導了PTS和STS的溫度電阻關系和輸入輸出特性。分析了PTS和STS的尺寸、纖維半徑和電阻率等的參數(shù)域（有效取值范圍）。結果表明，PTS和STS的參數(shù)域為由一個曲面和五個平面所包圍的三維空間;PTS可選用電阻率適

4、中或較低的導電纖維，理論上可適用于任意尺寸的溫度檢測;STS只能選用電阻率較低的導電纖維，僅適用于較小尺寸的溫度檢測。
　　 設計了由導電纖維組成的柔性機織電阻式壓力傳感器。建立了并聯(lián)式壓力傳感器(PPS)和串聯(lián)式壓力傳感器(SPS)的等效電路模型。在等效電路模型和物理學定律基礎上推導了PPS和SPS的壓力電阻關系和輸入輸出特性。對壓力隨機分布條件下PPS和SPS的輸出特性進行仿真;分析了壓力檢測范圍;分析了PPS和SPS的尺寸

5、、纖維半徑和纖維電阻率等的參數(shù)域（有效取值范圍）。仿真結果表明，可以忽略壓力隨機分布的影響作用;PPS比SPS具有更高的精確度。分析結果表明，PPS和SPS都適合工作于一個較小“壓力范圍”內(nèi)，以及一個“較小壓力”范圍內(nèi);PPS和SPS的參數(shù)域為由一個曲線和三個直線所包圍的二維區(qū)域;PPS的緯線可選用電阻率適中的導電纖維;SPS的緯線只能選用電阻率較低的導電纖維。
　　 設計了由導電纖維組成的柔性機織電阻式穿透傳感器及其信號轉(zhuǎn)換電

6、路。建立了穿透傳感器的輸入輸出模型。分析了穿透傳感器輸入輸出特性。討論了典型應用下由穿透傳感器的輸出狀態(tài)來判斷可能的輸入狀態(tài)的準則。
　　 設計了由導電纖維組成的柔性機織電極。分別建立了機織電極的分布式等效電路模型和基于機織電極的心電信號檢測模型。對心電信號檢測模型的影響因素進行仿真;分析了機織電極的尺寸、纖維半徑和電阻率等的參數(shù)域（有效取值范圍）。仿真結果表明，機織電極電阻適中且接觸電阻較小，或機織電極電阻和接觸電阻都較小時，

7、最有利于心電信號檢測;存在一個最佳位置使得心電信號最強，且該最佳位置和心電信號最大值都隨著機織電極尺寸增大而變化。分析結果表明，機織電極的參數(shù)域為由一個曲面和五個平面所包圍的三維空間;機織電極可選用電阻率適中或較低的導電纖維。
　　 探討了智能服裝系統(tǒng)的組成，提出了柔性傳感器在智能服裝系統(tǒng)中應用的總體框架。從應用角度探討了柔性機織電極、柔性電阻式應變傳感器、柔性電阻式壓力傳感器、柔性電阻式溫度傳感器和柔性穿透傳感器的技術方案。分