基于信息纖維的柔性傳感器理論與應(yīng)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(jī)理、輸入輸出關(guān)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(chǔ)。
　　 首先，匯總了纖維形成模型、信息纖維和柔性傳感器設(shè)計等相關(guān)領(lǐng)域的理論、技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)狀。
　　 根據(jù)物理學(xué)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(guān)系。
　　 設(shè)計了

2、由導(dǎo)電彈性纖維組成的柔性機(jī)織電阻式應(yīng)變傳感器。建立了并聯(lián)式應(yīng)變傳感器(PSS)和串聯(lián)式應(yīng)變傳感器(SSS)的等效電路模型。在等效電路模型和物理學(xué)定律基礎(chǔ)上推導(dǎo)了PSS和SSS的應(yīng)變電阻關(guān)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(jié)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(dǎo)電彈性纖維，理論上可適用于任意尺寸的應(yīng)變檢測;SSS只能選用

3、電阻率較低的導(dǎo)電彈性纖維，僅適用于較小尺寸的應(yīng)變檢測。
　　 設(shè)計了由導(dǎo)電纖維組成的柔性機(jī)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(xué)定律基礎(chǔ)上推導(dǎo)了PTS和STS的溫度電阻關(guān)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(jié)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(dǎo)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(dǎo)電纖維，僅適用于較小尺寸的溫度檢測。
　　 設(shè)計了由導(dǎo)電纖維組成的柔性機(jī)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(xué)定律基礎(chǔ)上推導(dǎo)了PPS和SPS的壓力電阻關(guān)系和輸入輸出特性。對壓力隨機(jī)分布條件下PPS和SPS的輸出特性進(jìn)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(jié)果表明，可以忽略壓力隨機(jī)分布的影響作用;PPS比SPS具有更高的精確度。分析結(jié)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(dǎo)電纖維;SPS的緯線只能選用電阻率較低的導(dǎo)電纖維。
　　 設(shè)計了由導(dǎo)電纖維組成的柔性機(jī)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(yīng)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(zhǔn)則。
　　 設(shè)計了由導(dǎo)電纖維組成的柔性機(jī)織電極。分別建立了機(jī)織電極的分布式等效電路模型和基于機(jī)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(jìn)行仿真;分析了機(jī)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(jié)果表明，機(jī)織電極電阻適中且接觸電阻較小，或機(jī)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(qiáng)，且該最佳位置和心電信號最大值都隨著機(jī)織電極尺寸增大而變化。分析結(jié)果表明，機(jī)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(jī)織電極可選用電阻率適中或較低的導(dǎo)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(yīng)用的總體框架。從應(yīng)用角度探討了柔性機(jī)織電極、柔性電阻式應(yīng)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(shù)方案。分