[0001] 本发明属于智能穿戴设备领域，特别涉及一种拉胀的编织纱线传感器及其制备方法和应用。

[0002] 电阻式应变纱线传感器是一类基于纱线或其他线材的传感器，是通过在不同的拉伸应变下的电阻变化来传感应变，由于其结构简单、高度灵活和易于集成，因此在可穿戴传感领域(如智能运动、医疗保健和人机界面)显示出巨大潜力。

[0003] 目前的电阻式应变纱线传感器结构包括镶嵌结构、芯‑壳结构和缠绕结构。

[0004] 镶嵌结构电阻式应变纱线传感器通过将导电颗粒嵌入线形弹性基底中，以实现超高的感应阈值。然而，导电颗粒在日常使用中可能会在重复的机械摩擦和清洗中剥落脱落，这可能对人体健康有害。

[0005] 芯‑壳结构电阻式应变纱线传感器主要有两种制备方法：一种是直接从喷嘴挤出同心扩展的核壳丝，但需要精确控制纺丝溶液的比例，且制备过程很繁琐；另一种方法是使用各种电化学技术将高弹性纱线表面涂覆导电材料，但在拉伸过程中，导电涂层会产生裂缝从而导致电阻的变化。

[0006] 缠绕结构电阻式应变纱线传感器通过缠绕或加捻形成，相对而言，缠绕结构电阻式应变纱线传感器具有制备过程简单、不易损坏的优点。

[0007] 缠绕结构电阻式应变纱线传感器按拉伸变形效果又分为非拉胀式和拉胀式，其中，拉胀的纱线传感器对力的感应更灵敏，因此应用较为广泛。

[0008] 文献《Full‑Fiber Auxetic‑Interlaced Yarn Sensor for Sign‑Language Translation Glove Assisted by Artificial Neural Network.Nano‑micro letters,2022,14(1):1‑14.》中公开了一种拉胀的缠绕结构纱线传感器(如图4(a)所示)，其由中间的弹性芯纱和外侧的两根反向缠绕的导电纱组成，在一定范围的拉伸下视觉直径增大(如图4(b)所示)，外侧两根导电纱的交织点接触面积会随拉伸发生变化，从而产生整体电阻的变化。然而，现有技术的拉胀的缠绕结构纱线传感器的结构不够稳定，在8000次循环拉伸之后包缠纱发生明显位移导致原始电阻产生变化，且灵敏度和传感滞后需要被进一步改善。

[0045] 下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

[0046] 以下各实施例和对比例中相关性能指标的测试方法如下：

[0047] 参照GB/T 3916‑2013标准对刚性外包纱、弹性外包纱和弹性芯纱进行以下拉伸性能的测试，测试条件为：隔距长度250mm，拉伸速度250mm/min，预加张力(0.05±0.01)cN/dtex。

[0048] 弹性延伸率：即纱线拉伸断裂时达到的伸长率。

[0049] 100％伸长下弹性回复率：由Rg表示，指纱线产生100％伸长后保持1min，再去负荷休息30s后长度的回复率，可由以下公式计算得出：

[0050]

[0051] 其中，L0为纱线未加外力时的原伸直长度；L1为纱线加外力伸长100％后的长度；L2指纱线去除外力一定时间后的伸直长度。

[0052] 测试各实施例和对比例中拉胀的编织纱线传感器的各性能时的参数为：测试参数为隔距100mm，拉伸或回复速度200mm/min，预加张力(0.05±0.01)cN/dtex。

[0053] 拉伸工作范围：指以拉伸应变为横坐标，电阻为纵坐标的电阻‑应变曲线(通过测试纱线传感器在定速拉伸过程中不同应变下的实时电阻获得曲线)中单调增加或减少的应变范围。该曲线明确地将应变与给定电阻变化相关联，体现了传感器在结构稳定情况下能够实现可重复传感的拉伸应变范围。

[0054] 传感应变系数：传感应变系数通常用GF表示，可用以下公式算出：

[0055]

[0056] 其中，ΔR为电阻变化值，R为不同应变下的实时电阻，R0为初始电阻，ε为应变。

[0057] 传感滞后：传感滞后可用Hε表示，指纱线传感器在拉伸工作范围内进行拉伸和回复过程中同一电阻值对应的应变的最大差值与总体应变差值的比值。如图6所示为一个具有传感滞后性的应变传感器在一个拉伸‑回复循环下的电阻‑应变曲线示例，其传感滞后可用以下公式算出：

[0058]

[0059] 其中，Δεh为拉伸和回复过程中同一电阻值对应的应变的最大差值，εmax为最大应变，εmin为最小应变。

[0060] 可重复拉伸循环次数：在拉伸工作范围内，对纱线传感器进行拉伸‑回复循环测试，一次完整的拉伸(从最小应变到最大应变)和一次完整的回复(从最大应变到最小应变)为一个拉伸循环，可重复拉伸循环次数指纱线传感器对拉伸应变实现可重复的电阻变化响应所对应的最大拉伸循环次数。

[0061] 实施例1

[0062] 一种拉胀的编织纱线传感器的制备方法，步骤如下：

[0063] (1)原料的准备；

[0064] 弹性芯纱：尼龙/氨纶包覆纱(氨纶为芯纱，尼龙为外包纱，尼龙的质量为60wt％)，纤度为100D，弹性延伸率为700％，100％伸长下弹性回复率为98％；

[0065] 刚性外包纱：镀银导电纤维，纤度为50D，弹性延伸率为100％，在未拉伸状态下的初始电阻值为5Ω/cm；

[0066] 弹性外包纱：氨纶，纤度为20D，弹性延伸率为700％，100％伸长下弹性回复率为97％；

[0067] 弹性外包纱所用放线器：3D打印制品，材料为聚乳酸；

[0068] 刚性外包纱所用放线器：钢铁材质；

[0069] (2)采用圆形编织机(如图2、图3所示)进行编织，圆形编织机的底盘中心设有圆孔，底盘上设有8个通过轨道5沿顺时针方向移动的锭子7和8个通过轨道5沿逆时针方向移动的锭子7，所有的锭子7环绕底盘中心分布，每个锭子7上均安装1个与纱管的顶部卡住的放线器8；

[0070] 编织时，将1个绕有刚性外包纱1的纱管6固定在任意1个通过轨道沿逆时针方向移动的锭子7上，在其余的锭子7上分别固定1个绕有弹性外包纱2的纱管6，同时将1个弹性芯纱3穿过圆孔；其中，刚性外包纱1和弹性外包纱2的包覆角度α均相同，α为30°。

[0071] 最终制得的拉胀的编织纱线传感器4由弹性芯纱3、刚性外包纱1和弹性外包纱2组成，刚性外包纱1和弹性外包纱2均螺旋缠绕在弹性芯纱3的表面，且刚性外包纱1和弹性外包纱2相互交织形成包覆网络，拉胀的编织纱线传感器在未拉伸状态下的初始电阻值为30Ω/cm，对其进行拉伸时，如图5所示，在不同拉伸状态下拉胀的编织纱线传感器的结构不同，所用刚性外包纱1为导电复丝，在阶段1变形期间，刚性外包纱从螺旋形拉伸为直线形，由于导电单丝9之间的挤压接触变化而导致电阻变化；在阶段2变形期间，刚性外包纱继续被拉伸伸长，由于导电单丝长度和横截面积的变化而导致电阻变化；拉胀的编织纱线传感器的拉伸工作范围为0～55％，传感应变系数为4.5，传感滞后为6％，可重复拉伸循环次数为20001次。

[0072] 将上述制得的拉胀的编织纱线传感器通过针织技术嵌入服装的肩部、肘部和膝盖位置中，通过关节部位的弯曲引起的拉伸传感进行运动和健康监测。

[0073] 对比例1

[0074] 一种拉胀的编织纱线传感器的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于：步骤(1)不准备弹性外包纱；步骤(2)在编织时，仅将1个绕有刚性外包纱的纱管固定在任意1个通过轨道沿逆时针方向移动的锭子上。

[0075] 最终制得的拉胀的编织纱线传感器由弹性芯纱、刚性外包纱组成，刚性外包纱螺旋缠绕在弹性芯纱的表面，拉胀的编织纱线传感器在未拉伸状态下的初始电阻值为30Ω/cm；拉胀的编织纱线传感器的拉伸工作范围为0～55％，传感应变系数为3.8，传感滞后为10％，可重复拉伸循环次数为10次。

[0076] 上述制得的拉胀的编织纱线传感器的应用同实施例1。

[0077] 将对比例1和实施例1对比可知，由于对比例1在制备拉胀的编织纱线传感器时不使用弹性外包纱，会导致纱线传感器的灵敏度变差、传感滞后增加以及可重复拉伸循环次数严重降低，这是因为缺少了弹性外包纱所形成的包覆网络的挤压，在拉伸过程中刚性外包纱的导电单丝之间的接触变化效应降低，导致灵敏度下降；同时弹性外包纱提供的额外回弹力消失，导致滞后现象增加；此外，由于缺少弹性外包纱，无法与刚性外包纱互锁，单根螺旋缠绕在弹性芯纱外围的刚性外包纱在拉伸‑回复循环中极易发生位移，因此可重复拉伸循环次数严重降低。

[0078] 实施例2

[0079] 一种拉胀的编织纱线传感器的制备方法，步骤如下：

[0080] (1)原料的准备；

[0081] 弹性芯纱：涤纶/乳胶包覆纱(乳胶为芯纱，涤纶为外包纱，涤纶的质量为50wt％)，纤度为10000D，弹性延伸率为500％，100％伸长下弹性回复率为99％；

[0082] 刚性外包纱：炭黑系纤维，纤度为1000D，弹性延伸率为10％，在未拉伸状态下的初始电阻值为200Ω/cm；

[0083] 弹性外包纱：T400纤维，纤度为500D，弹性延伸率为100％，100％伸长下弹性回复率为95％；

[0084] 弹性外包纱所用放线器：3D打印制品，材料为ABS塑料；

[0085] 刚性外包纱所用放线器：钢铁材质；

[0086] (2)采用圆形编织机进行编织，圆形编织机的底盘中心设有圆孔，底盘上设有4个通过轨道沿顺时针方向移动的锭子和4个通过轨道沿逆时针方向移动的锭子，所有的锭子环绕底盘中心分布，每个锭子上均安装1个与纱管的顶部卡住的放线器；

[0087] 编织时，将1个绕有刚性外包纱的纱管固定在任意1个通过轨道沿逆时针方向移动的锭子上，在其余的锭子上分别固定1个绕有弹性外包纱的纱管，同时将10个弹性芯纱穿过圆孔；其中，刚性外包纱和弹性外包纱的包覆角度α均相同，α为45°。

[0088] 最终制得的拉胀的编织纱线传感器由弹性芯纱、刚性外包纱和弹性外包纱组成，刚性外包纱和弹性外包纱均螺旋缠绕在弹性芯纱的表面，且刚性外包纱和弹性外包纱相互交织形成包覆网络，拉胀的编织纱线传感器在未拉伸状态下的初始电阻值为1000Ω/cm；拉胀的编织纱线传感器的拉伸工作范围为0～60％，传感应变系数为6，传感滞后为5％，可重复拉伸循环次数为50000次。

[0089] 将上述制得的拉胀的编织纱线传感器通过缝纫技术嵌入服装的肩部、肘部和膝盖位置中，通过关节部位的弯曲引起的拉伸传感进行运动监测。

[0090] 实施例3

[0091] 一种拉胀的编织纱线传感器的制备方法，步骤如下：

[0092] (1)原料的准备；

[0093] 弹性芯纱：TPU纱，纤度为1000D，弹性延伸率为200％，100％伸长下弹性回复率为96％；

[0094] 刚性外包纱：聚乙炔高分子导电纤维，纤度为300D，弹性延伸率为60％，在未拉伸状态下的初始电阻值为500Ω/cm；

[0095] 弹性外包纱：聚醚酯弹性纤维，纤度为200D，弹性延伸率为300％，100％伸长下弹性回复率为96％；

[0096] 弹性外包纱所用放线器：3D打印制品，材料为木材；

[0097] 刚性外包纱所用放线器：钢铁材质；

[0098] (2)采用圆形编织机进行编织，圆形编织机的底盘中心设有圆孔，底盘上设有2个通过轨道沿顺时针方向移动的锭子和2个通过轨道沿逆时针方向移动的锭子，所有的锭子环绕底盘中心分布，每个锭子上均安装1个与纱管的顶部卡住的放线器；

[0099] 编织时，将1个绕有刚性外包纱的纱管固定在任意1个通过轨道沿顺时针方向移动的锭子上，在其余的锭子上分别固定1个绕有弹性外包纱的纱管，同时将4个弹性芯纱穿过圆孔；其中，刚性外包纱和弹性外包纱的包覆角度α均相同，α为75°。

[0100] 最终制得的拉胀的编织纱线传感器由弹性芯纱、刚性外包纱和弹性外包纱组成，刚性外包纱和弹性外包纱均螺旋缠绕在弹性芯纱的表面，且刚性外包纱和弹性外包纱相互交织形成包覆网络，拉胀的编织纱线传感器在未拉伸状态下的初始电阻值为5000Ω/cm；拉胀的编织纱线传感器的拉伸工作范围为0～85％，传感应变系数为10，传感滞后为8％，可重复拉伸循环次数为40000次。

[0101] 将上述制得的拉胀的编织纱线传感器通过机织技术嵌入服装中，通过关节部位的弯曲引起的拉伸传感进行健康监测；其中，拉胀的编织纱线传感器是作为纬纱直接织入面料用于制作服装。

[0102] 实施例4

[0103] 一种拉胀的编织纱线传感器的制备方法，步骤如下：

[0104] (1)原料的准备；

[0105] 弹性芯纱：T400，纤度为800D，弹性延伸率为160％，100％伸长下弹性回复率为96％；

[0106] 刚性外包纱：镀铜导电纤维，纤度为250D，弹性延伸率为50％，在未拉伸状态下的初始电阻值为10Ω/cm；

[0107] 弹性外包纱：涤纶/橡胶复合纱(涤纶的质量为70wt％)，纤度为150D，弹性延伸率为400％，100％伸长下弹性回复率为99％；

[0108] 弹性外包纱所用放线器：3D打印制品，材料为聚丙烯；

[0109] 刚性外包纱所用放线器：钢铁材质；

[0110] (2)采用圆形编织机进行编织，圆形编织机的底盘中心设有圆孔，底盘上设有2个通过轨道沿顺时针方向移动的锭子和2个通过轨道沿逆时针方向移动的锭子，所有的锭子环绕底盘中心分布，每个锭子上均安装1个与纱管的顶部卡住的放线器；

[0111] 编织时，将2个绕有刚性外包纱的纱管固定在2个移动方向相反的锭子上，在其余的锭子上分别固定1个绕有弹性外包纱的纱管，同时将1个弹性芯纱穿过圆孔；其中，刚性外包纱和弹性外包纱的包覆角度α均相同，α为35°。

[0112] 最终制得的拉胀的编织纱线传感器如图1所示，由弹性芯纱3、刚性外包纱1和弹性外包纱2组成，刚性外包纱1和弹性外包纱2均螺旋缠绕在弹性芯纱3的表面，且刚性外包纱1和弹性外包纱2相互交织形成包覆网络，拉胀的编织纱线传感器在未拉伸状态下的初始电阻值为120Ω/cm；拉胀的编织纱线传感器的拉伸工作范围为0～58％，传感应变系数为3，传感滞后为4％，可重复拉伸循环次数为30000次。

[0113] 将上述制得的拉胀的编织纱线传感器通过针织技术嵌入服装中，通过关节部位的弯曲引起的拉伸传感进行运动监测；其中，拉胀的编织纱线传感器是通过衬纬技术嵌入服装的肩部、肘部和膝盖位置中。

[0114] 对比例2

[0115] 一种拉胀的编织纱线传感器的制备方法，基本同实施例4，不同之处仅在于：步骤(1)不准备弹性外包纱；步骤(2)在编织时，仅将2个绕有刚性外包纱的纱管固定在2个移动方向相反的锭子上。

[0116] 最终制得的拉胀的编织纱线传感器由弹性芯纱、刚性外包纱组成，刚性外包纱螺旋缠绕在弹性芯纱的表面，拉胀的编织纱线传感器在未拉伸状态下的初始电阻值为120Ω/cm；拉胀的编织纱线传感器的拉伸工作范围为0～58％，传感应变系数为1.8，传感滞后为8％，可重复拉伸循环次数为8000次。

[0117] 上述制得的拉胀的编织纱线传感器的应用同实施例4。

[0118] 将对比例2和实施例4对比可知，由于对比例2在制备拉胀的编织纱线传感器时不使用弹性外包纱，会导致传感灵敏度变差，传感滞后增加以及可重复拉伸循环次数降低。这是因为缺少了弹性外包纱所形成的包覆网络的挤压，在拉伸过程中刚性外包纱的导电单丝之间的接触变化效应降低，导致灵敏度下降；同时弹性外包纱提供的额外回弹力消失，导致滞后现象增加；此外，由于缺少弹性外包纱形成的包覆网络的固定，两根螺旋缠绕在弹性芯纱外围的刚性外包纱在拉伸‑回复循环中易发生位移，因此可重复拉伸循环次数降低。

[0119] 实施例5

[0120] 一种拉胀的编织纱线传感器的制备方法，步骤如下：

[0121] (1)原料的准备；

[0122] 弹性芯纱：涤纶/橡胶包覆纱(橡胶为芯纱，涤纶为外包纱，涤纶的质量为50wt％)，纤度为5000D，弹性延伸率为300％，100％伸长下弹性回复率为97％；

[0123] 刚性外包纱：铜丝，纤度为500D，弹性延伸率为5％，在未拉伸状态下的初始电阻值为0.1Ω/cm；

[0124] 弹性外包纱：DOW XLA纤维，纤度为300D，弹性延伸率为350％，100％伸长下弹性回复率为97％；

[0125] 弹性外包纱所用放线器：3D打印制品，材料为聚乙烯醇；

[0126] 刚性外包纱所用放线器：钢铁材质；

[0127] (2)采用圆形编织机进行编织，圆形编织机的底盘中心设有圆孔，底盘上设有4个通过轨道沿顺时针方向移动的锭子和4个通过轨道沿逆时针方向移动的锭子，所有的锭子环绕底盘中心分布，每个锭子上均安装1个与纱管的顶部卡住的放线器；

[0128] 编织时，将2个绕有刚性外包纱的纱管固定在2个移动方向相反的锭子上，在其余的锭子上分别固定1个绕有弹性外包纱的纱管，同时将5个弹性芯纱穿过圆孔；其中，刚性外包纱和弹性外包纱的包覆角度α均相同，α为10°。

[0129] 最终制得的拉胀的编织纱线传感器由弹性芯纱、刚性外包纱和弹性外包纱组成，刚性外包纱和弹性外包纱均螺旋缠绕在弹性芯纱的表面，且刚性外包纱和弹性外包纱相互交织形成包覆网络，拉胀的编织纱线传感器在未拉伸状态下的初始电阻值为0.1Ω/cm；拉胀的编织纱线传感器的拉伸工作范围为0～52％，传感应变系数为2.1，传感滞后为2％，可重复拉伸循环次数为25000次。

[0130] 将上述制得的拉胀的编织纱线传感器通过缝纫技术嵌入服装的肩部、肘部和膝盖位置中，通过关节部位的弯曲引起的拉伸传感进行运动监测。

[0131] 实施例6

[0132] 一种拉胀的编织纱线传感器的制备方法，步骤如下：

[0133] (1)原料的准备；

[0134] 弹性芯纱：DOW XLA弹性纤维，纤度为300D，弹性延伸率为120％，100％伸长下弹性回复率为95％；

[0135] 刚性外包纱：钢丝，纤度为100D，弹性延伸率为0％，在未拉伸状态下的初始电阻值为2Ω/cm；

[0136] 弹性外包纱：尼龙/氨纶包芯纱(氨纶为芯纱，尼龙为外包纱，尼龙的质量为70wt％)，纤度为70D，弹性延伸率为550％，100％伸长下弹性回复率为98％；

[0137] 弹性外包纱所用放线器：3D打印制品，材料为ASA树脂；

[0138] 刚性外包纱所用放线器：钢铁材质；

[0139] (2)采用圆形编织机进行编织，圆形编织机的底盘中心设有圆孔，底盘上设有8个通过轨道沿顺时针方向移动的锭子和8个通过轨道沿逆时针方向移动的锭子，所有的锭子环绕底盘中心分布，每个锭子上均安装1个与纱管的顶部卡住的放线器；

[0140] 编织时，将2个绕有刚性外包纱的纱管固定在2个移动方向相反的锭子上，在其余的锭子上分别固定1个绕有弹性外包纱的纱管，同时将1个弹性芯纱穿过圆孔；其中，刚性外包纱和弹性外包纱的包覆角度α均相同，α为50°。

[0141] 最终制得的拉胀的编织纱线传感器由弹性芯纱、刚性外包纱和弹性外包纱组成，刚性外包纱和弹性外包纱均螺旋缠绕在弹性芯纱的表面，且刚性外包纱和弹性外包纱相互交织形成包覆网络，拉胀的编织纱线传感器在未拉伸状态下的初始电阻值为15Ω/cm；拉胀的编织纱线传感器的拉伸工作范围为0～65％，传感应变系数为2.5，传感滞后为3％，可重复拉伸循环次数为45000次。

[0142] 将上述制得的拉胀的编织纱线传感器通过针织技术嵌入服装的肩部、肘部和膝盖位置中，通过关节部位的弯曲引起的拉伸传感进行运动监测。

[0143] 实施例7

[0144] 一种拉胀的编织纱线传感器的制备方法，步骤如下：

[0145] (1)原料的准备；

[0146] 弹性芯纱：聚醚酯弹性纤维，纤度为500D，弹性延伸率为100％，100％伸长下弹性回复率为95％；

[0147] 刚性外包纱：由质量比为1:1的钢丝和碳纤维组成，纤度为200D，弹性延伸率为3％，在未拉伸状态下的初始电阻值为12Ω/cm；

[0148] 弹性外包纱：涤纶/乳胶包覆纱(乳胶为芯纱，涤纶为外包纱，涤纶的质量为40wt％)，纤度为100D，弹性延伸率为500％，100％伸长下弹性回复率为99％；

[0149] 弹性外包纱所用放线器：3D打印制品，材料为由质量比为1:1的尼龙和聚甲醛组成；

[0150] 刚性外包纱所用放线器：钢铁材质；

[0151] (2)采用圆形编织机进行编织，圆形编织机的底盘中心设有圆孔，底盘上设有16个通过轨道沿顺时针方向移动的锭子和16个通过轨道沿逆时针方向移动的锭子，所有的锭子环绕底盘中心分布，每个锭子上均安装1个与纱管的顶部卡住的放线器；

[0152] 编织时，将2个绕有刚性外包纱的纱管固定在2个移动方向相反的锭子上，在其余的锭子上分别固定1个绕有弹性外包纱的纱管，同时将2个弹性芯纱穿过圆孔；其中，刚性外包纱和弹性外包纱的包覆角度α均相同，α为65°。

[0153] 最终制得的拉胀的编织纱线传感器由弹性芯纱、刚性外包纱和弹性外包纱组成，刚性外包纱和弹性外包纱均螺旋缠绕在弹性芯纱的表面，且刚性外包纱和弹性外包纱相互交织形成包覆网络，拉胀的编织纱线传感器在未拉伸状态下的初始电阻值为200Ω/cm；拉胀的编织纱线传感器的拉伸工作范围为0～70％，传感应变系数为3.5，传感滞后为5％，可重复拉伸循环次数为35000次。

[0154] 将上述制得的拉胀的编织纱线传感器通过机织技术嵌入服装中，通过关节部位的弯曲引起的拉伸传感进行健康监测，其中，拉胀的编织纱线传感器作为纬纱直接织入面料用于制作服装。

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