圆柱形光纤光栅温度传感器植入织物的研究

在健康监测方面，人们希望在穿着服装时，可随时监测到温度等重要生理指标，并将这些指标报告给亲属或医生，以便进行实时监测和治疗等。将小型硬质温度传感器植入服装，可以有多种方法，如针织、机织、刺绣、缝纫等。

在健康监测方面，人们希望在穿着服装时，可随时监测到温度等重要生理指标，并将这些指标报告给亲属或医生，以便进行实时监测和治疗等[1-4]。将小型硬质温度传感器植入服装，可以有多种方法，如针织、机织、刺绣、缝纫等[5-8]。E.R. Post等[9]首先在温度集成电路上涂覆一层绝缘层，再利用缝纫线将温度集成电路缝合在织物的衬底处，该温度集成电路容易随人体运动而滑移，同时也存在温度集成电路与皮肤之间的距离较大的问题，这将对温度的精确测量产生影响。S·亚雅拉曼等[10]介绍了一种监测人体生命信息智能织物的方法，利用针织技术将光纤织入到织物中，织物可通过缝合、粘结等方式与衣物结合。目前的方法主要解决的是将传感器与服装结合，但既保证织物的舒适性，又要紧密包覆传感器，提高测量精度，研究还有待提高。

本文首先利用正交试验优选出织物舒适性的最佳织造参数，依据此参数采用双层中空的组织植入圆柱形光纤光栅温度传感器。在植入传感器的位置，引入1:0、1:1、1:2、1:3的超收缩涤纶。热处理织造后的织物，使得光纤光栅传感器被紧密包裹，测试温度信号。

1 织物舒适性的研究

植入光纤光栅传感器的织物将被剪裁成贴身服装，随时监测人体体温，因此保证舒适性是非常重要的工作。主要通过透气、透湿和弹性回复性来研究织物舒适性。透气性是指材料透过空气的性能。材料的透气性好，人体的热量容易传递到空气中，实现热量的传递[11]；透湿性对人体散热发汗时维持人体的热平衡起到重要的作用[12-13]。弹性好的服装可以减轻对人体产生束缚和压迫感[14-15]。

1.1 织物舒适性的正交试验设计

为找到织物舒适性的最佳参数，设计了纬纱原料、织物组织和织物经密3种结构参数，来探讨影响织物透气性、透湿性和弹性回复性的因素。试验因素与水平见表1。

表1 试验因素与水平

采用3因素3水平的正交表 L9（33）进行方案设计，正交设计表如表2所示。

表2 试样正交设计表

1.2 材料与仪器

材料：40166棉氨纶包覆丝，潍坊冠杰纺织有限公司；40150涤氨纶包覆丝，40140锦氨纶包覆丝，淄博泰林纺织有限公司；150D超收缩涤纶纱线，海宁市稳得福合成纤维厂；粘胶/锦纶（30S/2，粘胶80%，锦纶20%），东莞市正宇纺织品有限公司。

仪器：半自动小样织机；YG（B）461D-Ⅱ型织物透气性测试仪；YG（B）216-Ⅱ型织物透湿量仪；YG065C型织物万能强力试验仪。

利用半自动小样织机织造9块试样，每块试样的上机参数，如表3所示。

表3 试样上机参数

1.3 织物舒适性的测试

透气性测试：依据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，使用YG（B）461D-Ⅱ型织物透气性测试仪。测试面积为20cm2，压降为100Pa，每块试样测试10次，取平均值。

透湿性测试：依据GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法第2部分：蒸发法》，使用YG（B）216-Ⅱ型织物透湿量仪。直径为70mm的圆形试样3块，取平均值。温度（38±2）℃，相对湿度（50±2）%。

弹性回复性测试：依据FZ/T 01034—2008《纺织品 机织物拉伸弹性试验方法》，使用YG065C型织物万能强力试验仪。采用定伸长试验方法，速度为100mm/min，隔距为20mm。拉伸5次，预张力为1N。每种试样测试3块，取平均值。

1.4 结果与讨论

1.4.1 正交试验极差分析

对9块试样的试验数据进行极差分析，结果如表4所示。

根据表4，根据R值由大到小，透气性的影响程度依次为织物经密（C）→织物组织（B）→纬纱原料（A）；透湿性影响程度依次为织物组织（B）→纬纱原料（A）→织物经密（C）；弹性回复率的影响程度依次为织物经密（C）→纬纱原料（A）→织物组织（B）。综上，3个因素对织物透气性、透湿性和弹性回复率的影响程度依次为织物经密（C）→纬纱原料（A）→织物组织（B）。

表4 正交试验极差分析

1.4.2 正交试验方差分析

为研究各因素影响的显著程度，对试验结果进行方差分析。

（1）织物透气性

假设显著水平α=0.05，9块试样的透气率方差分析，如表5所示。

表5 透气率方差分析

从表5中可以看出，织物经密（C）对织物透气性能影响较显著，因为密度越大，织物越紧密，对织物的透气性影响越大；织物组织（B）对织物透气性有影响，因为织物的组织结构会影响织物的透气性能。织物表面的缝隙孔洞越大，透气性越好；纬纱原料（A）对织物透气性影响不大。因此，影响因素的主次顺序为织物经密（C）→织物组织（B）→纬纱原料（A）（根据F值由大到小来判断）。

（2）织物透湿性

9块试样的透湿率方差分析，如表6所示。

表6 透湿率方差分析

影响因素的主次顺序为织物组织（B）→纬纱原料（A）→织物经密（C）。从表6可以看出，织物组织（B）对织物的透湿性影响显著。因为织物的组织结构对织物的透气性能影响较大，织物表面的孔洞结构使水蒸气沿着纤维表面传递，所以透气性好的组织结构有利于水汽的通过，透湿性较好；纬纱原料（A）和织物经密（C）对织物的透湿性能都有影响。因为密度大，织物就显得紧密、厚实。密度小则织物稀薄、松软、通透性好。纬纱原料对织物的透湿性有影响，可能与纤维的吸湿量有关。

（3）织物弹性回复性

9块试样的弹性回复率方差分析，如表7所示。

影响因素的主次顺序为织物经密（C）→纬纱原料（A）→织物组织（B）。根据表7，织物经密（C）对织物的弹性回复率影响较显著，因为织物越紧密，纱线之间的拉伸力就越大；纬纱原料（A）对织物的弹性回复率影响较显著，因为不同种类的纬纱弹性回复性能不同；织物组织（B）对织物的弹性回复性能有影响，因为组织浮长线越短，织物越紧密，织物的弹性回复性越差。反之，组织浮长线越长，织物越松散，织物的弹性回复性越好。

综合方差分析，影响因素主次顺序为织物经密（C）→纬纱原料（A）→织物组织（B），与极差分析的结果一致。

根据FZ/T 73022—2019中内衣的透气率大于等于180mm/s；GB/T 29869—2013中运动服的透湿率大于等于146g/m2·h，弹性回复率大于等于100%，都为望大指标。由表4可知，透气率的最优水平为A3B3C1，透湿率的最优水平为A3B3C3，以及弹性回复率的最优水平A1B1C2。综上得出，最优织造方案为A3B3C1，即纬纱原料为锦氨纶包覆丝，织物组织为3/1斜纹，经密为200根/10cm。

2 圆柱形传感器的植入及包覆率的研究

2.1 圆柱形传感器植入织物的总体结构

传感器植入的织物共分三部分，如图1所示。第一部分为单层织物，第二和第三部分的中间为圆柱形传感器，第三部分的两边为连接圆柱形传感器的光纤。为了保护圆柱形传感器和光纤，采用了双层中空组织，将传感器直接放入，不经受织造的打击作用。

图1 织物结构

为了使传感器被紧密包裹，在织造第二部分和第三部分时，部分纬纱采用超收缩涤纶。锦氨纶包覆丝与超收缩涤纶的比例分别为1:0、1:1、1:2、1:3，第一部分采用1.4中所得织物舒适性的最佳织造参数。

2.2 圆柱形传感器植入织物的方法

采用半自动小样织机进行织造。第一部分为单层织物，其组织为3/1斜纹组织。第二部分和第三部分为传感器位置，采用双层平纹织物。经纱采用粘胶/锦纶混纺纱，经纬密均为200根/10cm，筘号为100，顺穿。织物上机图如图2所示。第三部分织造完后，将圆柱形光纤光栅温度传感器放入到织物中，随后继续织造第二和第一部分。植入传感器的织物如图3所示。

图2 织物上机图

图3 植入传感器的织物

2.3 包覆率的计算和测试

织造完成后，对配置比例为1:0、1:1、1:2、1:3的锦氨纶包覆丝与超收缩涤纶织物进行热处理，并计算包覆率。超收缩涤纶的热收缩温度为80℃，因此热处理的温度控制在80℃，加热10分钟。包覆率按公式（1）计算。

式中，C为传感器的包覆率，%；W1为传感器的宽度，mm；W2为包覆传感器的织物宽度，mm。如图4所示。

图4 包覆率计算的示意图

经测试计算，包覆率如图5所示。

图5 热处理后的包覆率

从图5中可以看出，未加入超收缩涤纶时包覆率为81.2%，加入超收缩涤纶后包覆率提高，并且随着锦氨纶包覆丝与超收缩涤纶比例的增加，包覆率逐渐升高。当锦氨纶包覆丝与超收缩涤纶的比例为1:1时，传感器的包覆率为83.7%；当锦氨纶包覆丝与超收缩涤纶的比例为1:3时，传感器的包覆率最大为97.8%。

2.4 圆柱形光纤光栅传感器温度的测试

该传感器采用丙烯腈、丁二烯和苯乙烯3种单体三元共聚成化合物，3D打印出25mm×4mm×1mm的长方体薄片，对裸光纤光栅进行温度增敏封装。光纤光栅传感器是将光纤光栅粘贴在敏感元件结构表面。由于光纤光栅的中心波长与介质折射率有关，当敏感元件因温度发生变形时，光纤光栅的中心波长会发生漂移。通过监测中心波长，测试温度[16-17]。与人体体温的波动范围一致，测试的温度范围为35℃～42℃。

使用SM130仪器检测传感器的温度特性，如没有植入织物的裸传感器，植入织物但纬纱中没有加入超收缩涤纶的传感器（1:0）、植入织物，纬纱采用不同比例的锦氨纶包覆丝和超收缩涤纶纱线（1:1、1:2、1:3）。经热处理，测试温度与中心波长的关系如图6所示。

图6 传感器温度特性曲线

从图6中可以看出，随着传感器植入织物，温度灵敏度系数有所下降，原因在于织物对温度传感器有一定包裹作用。不仅影响导热，更影响聚合物的形变，而温度传感器的主要形变源于聚合物的形变。因此，光纤光栅温度传感器植入前后，传感器的温度特性有所变化。加入超收缩涤纶后，与没有加入超收缩涤纶的信号相比，3种比例的织物测得的信号更接近裸传感器测得的温度信号。当锦氨纶包覆丝与超收缩涤纶的配比为1:2，即包覆率为94.1%时，测得的传感器信号最接近裸传感器测得的温度信号。说明不是包覆率越大，测得的信号越准确。当锦氨纶包覆丝与超收缩涤纶的配比为1:3，即包覆率为97.8%时，包覆率最大。这可能使得传感器包裹得过于紧密，感应温度信号时不够灵敏。

3 结论

（1）通过正交试验获得织物舒适性的最佳织造参数：织物组织为3/1斜纹组织，纬纱原料为锦氨纶包覆丝，经密为240根/10cm。

（2）采用双层中空织物的方式将圆柱形光纤光栅传感器植入到织物。在传感器位置的纬纱中，引入1:0、1:1、1:2、1:3的超收缩涤纶纱线。对织物进行热处理，随着超收缩涤纶比例的增加，织物的包覆率从81.2%提高到98.7%。

（3）与裸传感器相比，传感器被包覆后测得的温度信号灵敏度有所下降。对于纬纱包覆比例为1:0、1:1、1:2、1:3的传感器，热处理后，测试了温度信号，结果表明，当包覆率为94.1%，即锦氨纶包覆丝与超收缩涤纶纱线比例为1:2时，测得的温度信号更接近裸传感器测得的温度信号。