手功能评估用针织衬纬组织传感器的传感性能探讨

1. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620；2. 东华大学纺织学院， 上海 201620；3. 针知运国际贸易(上海)有限公司， 上海 201824

随着我国人口老龄化的加剧和生活方式的转变，脑卒中的发病率呈上升趋势[1]。大多数存活的脑卒中患者都存在手功能障碍，因此，正确、客观地评估脑卒中患者的手功能，对于制定个性化的治疗方案及评价康复效果，具有重要意义。目前，脑卒中患者手功能评估主要采用WOLF运动功能评价量表、手臂动作调查测试表、Fugl-Meyer运动功能表等方法，但这些方法是由医生目测病人手部恢复情况并评级的，故主观性影响较大。

本文利用针织全成形技术设计了一种评估专用手套。该手套在手指的背部及手腕部，以局部衬纬的方式引入了镀银锦纶丝，构成了针织衬纬组织传感器。当患者佩戴该手套做手指或手腕部弯曲动作时，针织衬纬组织传感器的电阻值会发生相应的变化，由此可表征患者的手指或手腕可活动的程度。由于传感器性能的优劣会直接影响对患者手功能评级的准确性，因此本文试织了几种针织衬纬组织传感器试样，重点探究镀银锦纶丝线密度、衬纬区域长度及衬纬纱线行数对针织衬纬组织传感器性能的影响。

1 针织衬纬组织传感器的制备

针织衬纬组织传感器试样采用STOLL CMS ADF-3电脑横机进行编织，地组织为纬平针。为确保手套能与患者手部紧密贴合，地组织纱线采用涤纶高弹丝。传感器采用镀银锦纶丝为原料，并以局部衬纬的方式织入地组织。图1为所得针织衬纬组织传感器试样照片，所用纱线规格及类型见表1。

图1 针织衬纬组织传感器试样

纱线名称纱线规格/dtex纱线电导率/(Ω·cm-1)镀银锦纶丝(衬纬纱)111．14．80155．63．40244．40．54涤纶高弹丝(地组织纱)333．3不导电

2 试验

2.1 试验方案

为探究镀银锦纶丝线密度、衬纬区域长度、衬纬纱线行数这3个因素对针织衬纬组织传感器性能的影响，本文设计了正交试验，因素水平见表2，共织造出9块试样。

表2 正交试验因素水平表

传感器的基本特性指的是传感器输入输出关系的特性，本文对应的即是传感器应变与电阻的关系特性，主要表征传感器的静态特征。测试的指标包括线性度、灵敏系数和重复性。

2.2 主要试验仪器

YG026MB多功能电子织物强力机，DM3068数字万用表，等等。

2.3 试验方法

本文设计的针织衬纬组织传感器是用于评估脑卒中患者手指抓握功能恢复程度的。通过测试发现，手指由伸直状态转为握拳弯曲状态时，手套的延伸率通常不超过30%。故本试验确定探究针织衬纬组织传感器试样在伸长0～30%的过程中电阻的变化。具体步骤：先将试样置于温度为(20±2)℃、相对湿度为(65±2)%的恒温恒湿室中预调湿24 h，然后在恒温恒湿室中使用YG026MB多功能电子织物强力机，将试样以60 mm/min的速度沿织物纬向(即顺着手指方向)拉伸至应变为30%，同时利用DM3068数字万用表记录电阻的变化。

3 试验结果与分析

3.1 线性度

线性度反映了传感器的电阻-应变曲线与其拟合直线的接近程度。拟合过程中，采用确定系数R2表征数据的线性度：

(1)

式中：εi——应变；

Ri——应变为εi时传感器输出的电阻值；

R2可利用Matlab软件进行线性分析直接得出，其取值范围在[0.000 0， 1.000 0]之间，R2越接近于1.000 0则表示数据拟合得越好[2]。表3为线性度测试结果，图2为正交试验的线性度因素指标图。

表3 正交试验线性度测试结果及分析

图2 线性度因素指标图

由表3及图2可以看出：

(1) 各因素对针织衬纬组织传感器的线性度影响程度从大到小依次为衬纬纱线行数(因素C)、衬纬区域长度(因素B)、镀银锦纶丝线密度(因素A)。

(2) 当其他条件不变时，随着镀银锦纶丝线密度(因素A)的增加，针织衬纬组织传感器的线性度增加；随着衬纬区域长度(因素B)的增加，针织衬纬组织传感器的线性度下降；随着衬纬纱线行数(因素C)的增加，针织衬纬组织传感器的线性度先增加后下降。

(3) A3B1C2是线性度最好的组合，即使用镀银锦纶丝线密度为244.4 dtex、衬纬区域长度为50 mm、衬纬纱线行数为5的组合，可得到线性度最好的针织衬纬组织传感器，R2达到 0.977 0。

3.2 灵敏系数

电阻变化率(即ΔR/R0)和引起此电阻变化的构件表面在电阻应变计轴线方向的应变之比，称为电阻应变计的灵敏系数(K)[3]。

(2)

式中： ΔR——电阻的变化量；

R0——初始电阻；

ε——应变。

针织衬纬组织传感器的灵敏系数越大越好。表4为灵敏系数的测试结果，图3为正交试验的灵敏系数因素指标图。

表4 正交试验灵敏系数的测试结果

(续表)

图3 灵敏系数因素指标图

由表4及图3可以看出：

(1) 各因素对针织衬纬组织传感器的灵敏系数影响程度从大到小依次为衬纬区域长度(因素B)、镀银锦纶丝线密度(因素A)、衬纬纱线行数(因素C)。

(2) 当其他条件不变时，随着镀银锦纶丝线密度(因素A)的增加，针织衬纬组织传感器的灵敏系数降低；随着衬纬区域长度(因素B)的增加，针织衬纬组织传感器的灵敏系数增加；随着衬纬纱线行数(因素C)的增加，针织衬纬组织传感器的灵敏系数先增加后减少。

(3) A1B3C2是灵敏系数最高的组合，即使用镀银锦纶丝线密度为111.1 dtex、衬纬区域长度为90 mm、衬纬纱线行数为5的组合，所得针织衬纬组织传感器的灵敏系数会超过试验所得最高灵敏系数(2.938)。且查阅资料了解到，金属电阻应变片的灵敏系数约为2.000。因此，选择合适的织造参数，可以使针织衬纬组织传感器的灵敏系数达到当前常用的金属电阻应变片的水平。

3.3 重复性

重复性是指传感器在检测同一物理量时每次测量结果的一致程度。本试验分别对衬纬区域长度为50 mm、衬纬纱线行数为5的，使用3种线密度的镀银锦纶丝制成的针织衬纬组织传感器，利用YG026MB多功能电子织物强力机，以60 mm/min的速度将针织衬纬组织传感器拉伸至应变为30%，再以60 mm/min的速度回复至应变为0，反复拉伸50次，且相邻两次拉伸之间时间间隔0 s，同时利用DM3068数字万用表同步记录电阻变化。试验结果分别见图4～图6。

图4 针织衬纬组织传感器重复拉伸时的电阻(镀银锦纶丝线密度为111.1 dtex)

图5 针织衬纬组织传感器重复拉伸时的电阻(镀银锦纶丝线密度为155.5 dtex)

图6 针织衬纬组织传感器重复拉伸时的电阻(镀银锦纶丝线密度为244.4 dtex)

由图4～图6可以看出，随着拉伸次数的增加，针织衬纬组织传感器试样在每一次的拉伸到应变为30%的过程中电阻不断增大，3块试样在第50次拉伸时相较于第一次拉伸时的电阻分别增加了79.6%、 71.6%、 27.0%，这表明当时间间隔为0 s时，针织衬纬组织传感器试样电阻的数据重复性较差。

针织衬纬组织传感器电阻的变化基本来自于纱线的拉伸，锦纶丝的急弹性应变范围通常在5%～6%，远小于30%的应变，因此会产生塑性变形。故后续试验需选择能在拉伸至应变为30%后仍能完全回复的导电纱线，如尝试制造氨纶镀银丝作为衬纬纱线；或改变传感器组织结构，如将镀银锦纶丝以线圈的形式织入，使传感器整体拥有更好的弹性。

4 结语

为开发出一种用于评估脑卒中患者手部功能状况的手套，本文将镀银锦纶丝以局部衬纬的方式织入织物，制成针织衬纬组织传感器，希望通过采集针织衬纬组织传感器拉伸时电阻的变化监测患者的手部活动，并研究了针织衬纬组织传感器的传感性能和影响因素。试验发现：当镀银锦纶丝线密度增加时，针织衬纬组织传感器的线性度增加、灵敏系数降低；当衬纬区域长度增加时，针织衬纬组织传感器的线性度降低、灵敏系数增加；当衬纬纱线行数增加时，针织衬纬组织传感器的线性度和灵敏系数先增加后减少。因此，选择合适线密度的镀银锦纶丝、衬纬区域长度、衬纬纱线行数，可使这种针织衬纬组织传感器具有良好的线性度和灵敏系数，但这种传感器存在重复性较差的缺陷，后续试验可尝试改善导电纱线弹性或改变导电区域组织结构来提高传感器的重复性。

参考文献

[1] 赵静，胡风云.妊娠及产褥期合并脑卒中的相关危险因素分析[J].中国药物与临床，2017，17(6)：882-884.

[2] 韩潇，龙海如.针织物柔性传感器的传感性能探讨[J].纺织科技进展，2014(6)：12-14.

[3] 唐胜睦.测量不确定度评定中灵敏系数的计算[J].计量与测试技术，2013，40(1)：66-67.