水滴传感器织物设计与制作*

徐 帅

盐城工业职业技术学院，江苏 盐城 224005



水滴传感器织物设计与制作*

徐 帅

盐城工业职业技术学院，江苏 盐城 224005

设计了一种简单实用的水滴传感器织物，其结构牢固、性能可靠。由于其检测面积大且具备柔性，故能用于工业、医疗等特殊场合。根据这种水滴传感器织物的结构，开发了一种先添加衬垫纱再进行剪纱的加工方法，降低了水滴传感器织物的制作难度。

水滴传感器，织物，智能纺织品

顾名思义，水滴传感器就是指能够检测有无水滴存在的检测元件。目前，市场上已有一些商品化水滴传感器，可应用于智能窗帘、汽车雨刷器等民用场合。这类水滴传感器一般是在一块微小电路板上镀两个栅状电极而制成，利用水的导电性进行工作，其性能稳定，能满足一般场合的使用要求。但这类水滴传感器只能进行小面积、固定位置的检测，不适用于一些重要场合。如现代化的机房内集中装有众多服务器、工作站等重要信息设备，需要对温度和湿度加以严格控制，大多数机房还装有精密空调系统。此时，防水对象是位置不确定的凝结水，所以必须进行大面积检测。再如医疗场所内，需要随时监测危重病人的血液外渗或排汗排尿情况，这不但需要可进行大面积检测的水滴传感器，还要求其是柔性的。

随着近年来智能纺织品的蓬勃发展，出现了一些基于纺织品的水滴传感器。国内专利《湿度传感器及其管理系统》(专利号为2008800124399)[1]公布了一种湿度传感器。它包括两个电极板和处于其间的用于吸收湿气的吸收层等，通过检测所述电极板之间的电容变化和电阻变化来测量湿度。它的一个或两个电极板可以是织物。这种传感器为多层结构，因此有一定厚度，不利于大面积生产和使用。另一个国内专利《具有湿度传感器的针织品》(专利号为2010106107803)[2]公布了一种具有湿度传感器的针织品。它是将导电纱织入针织面料，并采用栅状电极结构，利用纱线遇水时的导电性变化来检测有无水滴。这种水滴传感器织物采用针织结构，引出电路较复杂，而且针织结构的保形性和牢固程度较差，因此其适合用作内衣，而不适合在工业场合使用。考虑到机织结构紧密、牢固，适合在工业、医疗场合使用，因此本文开发了一种基于机织物的水滴传感器。

1 水滴传感器织物的结构与原理

图1为目前广泛使用的一种水滴传感器——YL-83雨滴模块。本文开发的水滴传感器织物采用与其相同的结构(图2)，由不导电经纱1、导电经纱2、不导电纬纱3和导电纬纱4织制而成。不导电经纱1布置在布身位置，导电经纱2布置在织物左右两侧的布边位置。不导电纬纱3作为主要纱线，与两种经纱交织，形成织物主体；导电纬纱4作为功能纱线，沿经纱方向间隔一定距离布置，且交替地在接近一侧布边处断开一定距离，形成栅状电极。当水滴(即图2中椭圆形阴影部分)滴在布面上时，在其范围内的纱线吸水而成为导体，两侧布边因而导通。此时，电流流经途径为左侧导电经纱2→导电纬纱4→不导电经纱1(含水)→右侧导电经纱2，不导电纬纱3即使吸水，由于纬纱之间的距离较大，不参与导电。考虑到水滴滴在布面上时所形成的浸润面积及为了节省材料，导电纬纱4沿经纱方向间隔布置时彼此间的距离为2～10 mm。此外，为了不破坏织物结构和不增加剪纱难度，导电纬纱4在接近一侧布边处所断开的距离为1～5 mm。

图1 YL-83雨滴模块

图2 水滴传感器织物的基本结构

2 水滴传感器织物的制作方法

上述水滴传感器织物需要剪去一些纱线，如仅靠人工找到并剪去，势必增加制作难度。为此，本文采用：

(1) 添加衬垫纱。在整经或上机时添加衬垫纱5-1和5-2(图3)，衬垫纱的位置在织物左右两侧纬纱需要断开处。衬垫纱宜选用与布身经纱不同的纱线，如不同颜色、不同粗细，以便于与布身纱线区别。

图3 织物未剪纱时布面结构示意

(2) 穿综、穿筘。左右两侧的衬垫纱各穿入单独的一片综框，但穿筘时不单独占用一个筘齿，而是与其邻近的经纱穿入同一筘齿。

(3) 织造。如图4或图5所示，织入不导电纬纱3时，经纱和纬纱以平纹组织交织，但衬垫纱5-1和5-2始终位于不导电纬纱3之上。如图4所示，织入图3中A—A′剖面处的导电纬纱4时，左侧需要断开的纬纱连续浮在3根经纱上，形成小段纬浮长，此时衬垫纱5-1位于这些纬纱之下；右侧不需要断开的纬纱仍按照平纹组织规律与经纱交织，同时衬垫纱5-2仍位于这些纬纱之上。如图5所示，织入图3中B—B′剖面处的导电纬纱4时，织造过程同上，但左、右侧交织规律互换。最终织成的织物布面结构如图3所示。

图4 A—A处剖面

图5 B—B′处剖面

(4) 剪纱。织物完成织造下机后，提起左右侧衬垫纱5-1和5-2，再剪去压在垫纱5-1和5-2上面的那部分导电纬纱。剪完后，衬垫纱5-1和5-2自然落下，所得织物布面结构如图1所示。

图6 织物上机图

依照上述方法，实际制作时采用的织物上机图如图6所示，其中“2×n”中的“2”指代图1和图3中的导电经纱2，“×n”为其循环次数；“1×m”中的“1”指代图1和图3中的不导电经纱1，“×m”为其循环次数。

3 验证与测试

为了验证水滴传感器织物的使用效果，本文制作了1块水滴传感器织物实物。

织物组织为平纹；经纱为40S(约14.6 tex)纯棉纱、70 den(约7.8 tex)/36 f镀银锦纶长丝，其中镀银锦纶长丝共48根，分布在织物两侧作为边纱；纬纱为40S(约14.6 tex) 纯棉纱、70 den(约7.8 tex)/36 f镀银锦纶长丝；经密为283根/(10 cm)，纬密为220根/(10 cm)；相邻的2根导电纬纱的间距为6 mm，即每隔13根不导电纬纱3引入1根70 den/36 f镀银锦纶长丝，其算式为(220/100)6≈ 13；每根导电纬纱4在接近布边的导电经纱2处的断开距离为1 mm，即需要断开3根经纱的距离，其算式为(283/100)1≈3。图7为制成的水滴传感器织物实物照片。

图7 水滴传感器织物实物照片

然后，分别在干燥状态下及布面上滴1滴水，对上述织物实物的两侧布边之间的电阻进行检测。用2块尺寸为50 mm×25 mm×25 mm的铜块分别压住织物两侧布边，再使用绝缘表和万用表进行测量。测得干燥状态下的电阻为330.100 MΩ，布面上滴1滴 水之后的电阻随时间的变化见表1，可见除前3 min 外，当水被织物充分吸收后，电阻均下降至1.000 MΩ 以下，且完全能够通过电压比较电路检测到。

表1 吸水后两布边间电阻

4 结论与展望

本文设计了一种简单实用的水滴传感器织物，其结构牢固、性能可靠、电路引出简单、使用方便。由于其检测面积大且具备柔性，故能用于工业、医疗等特殊场合。本文还根据这种水滴传感器织物的结构，开发了一种先添加衬垫纱再进行剪纱的加工方法，并通过实践证实了此方法能降低制作难度。

当然，本文开发的水滴传感器织物还存在一定不足，主要是其初期的响应速度较慢。如何优化织物结构和选择纱线材料以提高响应速度，是进一步研究的内容。

[1] 徐世烈.湿度传感器及其管理系统：CN 2008800124399[P].2011-01-26.

[2] M.贾恩, C-S.弗兰克, K.迈尔，等.具有湿度传感器的针织品：CN 2010106107803[P].2011-07-13.

Design and manufacture of water droplet sensor fabric

XuShuai

Yancheng Institute of Industry Technology, Yancheng 224005, China

A simple and practical water droplet sensor fabric, which had a solid structure and reliable performance, was designed. Because of its large detection area and flexible shape, it could be used on special occasions such as industrial and medical fields. Furthermore, in terms of the structure of the water droplet sensor fabric, a processing method, which was to add warp yarns first and then to cut some weft yarns, was developed, and this method was conductive to a decreased difficulty in manufacturing the water droplet sensor fabric.

water droplet sensor, woven fabric, smart textile

*江苏省高校品牌专业建设项目(PPZY2015C254)

2016-04-28

徐帅，男，1983年生，讲师，主要研究领域为智能纺织品与纺织机电一体化

TS106

B

1004-7093(2016)10-0011-04