基于电子织物应变特性的人体呼吸检测研究(附件)【字数：10839】
摘 要近年来，移动互联网呈现出又好又快的发展趋势,电子织物的发展也越来越快，电子织物拥有良好的导电性能，也具备良好的拉伸性能，所以电子织物可以用到很多领域，比如人们的工作生活，医疗，工业等。当然电子织物作为一种可穿戴移动设备可以作为传感器检测人体的生理参数，为智能衣物的实现提供技术支持。一些机构通过电子织物体积小，便于携带，舒适性较高特点，将电子织物用作柔性传感器嵌入服装内来监测我们的健康，通过电子织物电阻阻值的变化来了解我们呼吸频率。由于目前可穿戴移动设备的监测处于一种“探索”状态，以及制作传感器的稳定性，准确性是否达到要求。 我们用惠斯通电桥电路设计了一种测量电子织物电阻变化的方案，并且在Multisim2014中进行模拟仿真。进行织物拉伸试验观测电子织物的拉伸电阻变化，电阻随长度呈现出一种线性关系，再进行静止以及运动后呼吸频率的测试，腹部会鼓动然后柔性织物传感器受力变形，产生压阻效应，连入分压电路中可以记录形变的频率，从而反应呼吸信号。此外柔性织物传感器的波动值大概在0.6欧姆到1.5欧姆之间波动，说明此传感器具有良好的稳定性。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2电子织物传感器研究发展 1
1.2.1柔性织物传感器的分类 3
1.3电子导电纤维研究 3
1.4课题研究的内容 4
第二章 测量电路方案与传感器制备 6
2.1柔性应变织物传感器的选用 6
2.1.1柔性传感器的简介 6
2.1.2传感器的选用制备 6
2.2方案的设计 7
2.2.1惠斯通电桥测试电路 8
2.2.2利用仪用放大器的放大测试电路 8
2.3本章总结 10
第三章 硬件和软件的设计 12
3.1 HX711A/D转换器芯片 12
3.2读取电子织物电阻变化的软件程序 13
3.3电子织物应变特性的软件仿真 13
3.4.本章总结 14
第四章 人体运动监测实验 15
4.1人体呼吸的研究进展 15
4.2实验装置 15
4.2.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
电子织物拉伸试验 16
4.3人体呼吸的测试方法及原理 16
4.4结果与讨论 17
4.5本章总结 18
结束语 19
致 谢 20
参考文献 21
附录 22
第一章 绪论
1.1引言
电子织物作为一种高技术，高附加值产品，他拥有导电成分十分优秀的电学性能，同时又具备良好的拉伸性以及穿戴舒适性，其问世以来，市场发展已经有了50多年的发展历史。近年来随着移动互联网和智能终端的不断发展，可穿戴式电子设备将拥有巨大的市场前景。作为核心部件之一的柔性可穿戴电子传感器，以其装置的宽量程灵敏度、响应时间、便携性、使用舒适性和多功能集成等特点已经成为人们关注的热点，激发了国内外研究人员对柔性可穿戴电子传感器的研究和开发。导电织物传感器代表一类智能纺织品，越来越受到关注。近年来，导电纤维成为纺织领域开发对象，并且在电信号探测中起到重要应用。
2012年，谷歌推出智能眼镜，其引爆的智能穿戴引发了全球第二次可穿戴技术的热潮。而在2014年，在美国举行的国际消费性电子展览会则进一步将可穿戴技术推向高潮[1]。从而越来越多企业开始研发电子织物，各种各样的可穿戴产品问世。因此，智能穿戴迅速冲击到各个行业。
传统的呼吸测量装置体积大，重量大，且价格高，不能满足日常监测，随着技术提高，可穿戴式呼吸监测被我们关注。而电子织物的柔性，良好的导电性和弯曲拉伸性能特点成为发展趋势，具有广阔的应用前景，基于伸缩应变，电子织物可以作为传感器监测人体的生理参数。本文主要介绍了导电纤维的发展及其在国内外的发展，柔性织物压力传感器的研究和发展，人体呼吸的监测方法和可穿戴风格的发望。通过这些资料查阅，我们并对其展望。
1.2电子织物传感器研究发展
随着多种行业，学科迅速发展，各种织造技术不断出现。我们可知当前有3种可穿戴织物设计制作方法，第一种是柔性丝网印刷法，电容式织物压力传感器可以通过这种方法制备，第二种是编制和针织，针织柔性传感器通过这种方法制备，第三种是缝合，即利用导电防线将电路板或传感器缝合在衣物上[2]。电容式织物压力传感器，它的原理是以织物为柔性基体，丝网印刷，炭黑填充性复合弹性电介质和有机硅导电银胶制成柔性压敏单元，介绍了压敏单元的结构设计与感知机理，研究了炭黑含量与温度对织物触觉单元性能的影响，改善了该电子织物的输出线性度与重复性，实现了0～700kPa量程范围迟滞误差为5.6% ，动态响应时间89 ms，同时，引入温度补偿以提升触觉感知准确性[3]。第二种方法利用导电纤维，传感和丝线通过编织成为柔性传感器。
图1.1柔性织物传感器优点有灵敏度高，响应快，易于集成等，在文献[4]中提出了一种可拼接特点的全柔性传感器。在2016年LG Innotek公司推出了新概念织物柔性压力传感器，这种传感器能够测量来自传感器整个表面压力，甚至还可以弯曲。压力传感器可以测量外力水平，安装在医疗器械和汽车中时可以测量和分析压力，还可以用于个人定制服务。
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图11柔性织物传感器
这种新概念传感器采用高弹性聚氨酯材料，能够很好贴合身体。它通过感应压力导致的电容变化来测量表面压力分布。新型压力传感器让我们可以在医疗保健和汽车等领域利用压力信息来实现新特性。
如在医疗保健领域，传感器有助于提高远程医疗的准确度。如果将该传感器应用到运动装备中，我们 可以获得更详细的强化训练服务。将传感器贴合到汽车上，那么安全性和便利性将提高。将传感器应用到椅子上的话，那么它就可以测量座位上压力并将数据发送给我们，图12这种织物座椅传感器可以辨别大人与小孩的重量。
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图12织物座椅传感器
这种特殊的聚氨酯材料对压力很敏感，弹性大，而且可以插入电子纤维中。这种产品能适合各种环境。在40摄氏度到80摄氏度下，能运行240小时。即使70公斤重的人坐在上面也能运行。
1.2.1柔性织物传感器的分类
以织物为基础的柔性传感器可以分为将金属丝或导电纱编织或针织到织物中，以及对织物直接进行涂层制备两种方法。为制备柔性传感器所选择的原材料目前主要着重于镀银纤维，即第二种方法，Mestrovic 等人采用镀银尼龙纤维制作纺织结构电极[5]；Tao等人用真空溅射的方法对尼龙织物表面进行镀银处理[6]。大量银离子的存在可以有效地改变外部应力作用下电阻大小，从而提高传感器的灵敏度，并且这种制成的传感器还可以有效的拉伸。
1.3电子导电纤维研究
导电纤维是20世纪60年代出现的一种新的纤维产品。导电纤维是指在（20℃，65%相对湿度），比电阻在 10*7Ωg/cm下的纤维。图13是早期导电纤维，那时候纤维可纺性差，手感差。随着导电纤维不断研发，已经在众多领域表现出良好前景，比如航空、汽车、电子、机械、化工、通信、建筑、医疗、轻纺、军工和民用领域等[7]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2电子织物传感器研究发展 1
1.2.1柔性织物传感器的分类 3
1.3电子导电纤维研究 3
1.4课题研究的内容 4
第二章 测量电路方案与传感器制备 6
2.1柔性应变织物传感器的选用 6
2.1.1柔性传感器的简介 6
2.1.2传感器的选用制备 6
2.2方案的设计 7
2.2.1惠斯通电桥测试电路 8
2.2.2利用仪用放大器的放大测试电路 8
2.3本章总结 10
第三章 硬件和软件的设计 12
3.1 HX711A/D转换器芯片 12
3.2读取电子织物电阻变化的软件程序 13
3.3电子织物应变特性的软件仿真 13
3.4.本章总结 14
第四章 人体运动监测实验 15
4.1人体呼吸的研究进展 15
4.2实验装置 15
4.2.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
电子织物拉伸试验 16
4.3人体呼吸的测试方法及原理 16
4.4结果与讨论 17
4.5本章总结 18
结束语 19
致 谢 20
参考文献 21
附录 22
第一章 绪论
1.1引言
电子织物作为一种高技术，高附加值产品，他拥有导电成分十分优秀的电学性能，同时又具备良好的拉伸性以及穿戴舒适性，其问世以来，市场发展已经有了50多年的发展历史。近年来随着移动互联网和智能终端的不断发展，可穿戴式电子设备将拥有巨大的市场前景。作为核心部件之一的柔性可穿戴电子传感器，以其装置的宽量程灵敏度、响应时间、便携性、使用舒适性和多功能集成等特点已经成为人们关注的热点，激发了国内外研究人员对柔性可穿戴电子传感器的研究和开发。导电织物传感器代表一类智能纺织品，越来越受到关注。近年来，导电纤维成为纺织领域开发对象，并且在电信号探测中起到重要应用。
2012年，谷歌推出智能眼镜，其引爆的智能穿戴引发了全球第二次可穿戴技术的热潮。而在2014年，在美国举行的国际消费性电子展览会则进一步将可穿戴技术推向高潮[1]。从而越来越多企业开始研发电子织物，各种各样的可穿戴产品问世。因此，智能穿戴迅速冲击到各个行业。
传统的呼吸测量装置体积大，重量大，且价格高，不能满足日常监测，随着技术提高，可穿戴式呼吸监测被我们关注。而电子织物的柔性，良好的导电性和弯曲拉伸性能特点成为发展趋势，具有广阔的应用前景，基于伸缩应变，电子织物可以作为传感器监测人体的生理参数。本文主要介绍了导电纤维的发展及其在国内外的发展，柔性织物压力传感器的研究和发展，人体呼吸的监测方法和可穿戴风格的发望。通过这些资料查阅，我们并对其展望。
1.2电子织物传感器研究发展
随着多种行业，学科迅速发展，各种织造技术不断出现。我们可知当前有3种可穿戴织物设计制作方法，第一种是柔性丝网印刷法，电容式织物压力传感器可以通过这种方法制备，第二种是编制和针织，针织柔性传感器通过这种方法制备，第三种是缝合，即利用导电防线将电路板或传感器缝合在衣物上[2]。电容式织物压力传感器，它的原理是以织物为柔性基体，丝网印刷，炭黑填充性复合弹性电介质和有机硅导电银胶制成柔性压敏单元，介绍了压敏单元的结构设计与感知机理，研究了炭黑含量与温度对织物触觉单元性能的影响，改善了该电子织物的输出线性度与重复性，实现了0～700kPa量程范围迟滞误差为5.6% ，动态响应时间89 ms，同时，引入温度补偿以提升触觉感知准确性[3]。第二种方法利用导电纤维，传感和丝线通过编织成为柔性传感器。
图1.1柔性织物传感器优点有灵敏度高，响应快，易于集成等，在文献[4]中提出了一种可拼接特点的全柔性传感器。在2016年LG Innotek公司推出了新概念织物柔性压力传感器，这种传感器能够测量来自传感器整个表面压力，甚至还可以弯曲。压力传感器可以测量外力水平，安装在医疗器械和汽车中时可以测量和分析压力，还可以用于个人定制服务。
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图11柔性织物传感器
这种新概念传感器采用高弹性聚氨酯材料，能够很好贴合身体。它通过感应压力导致的电容变化来测量表面压力分布。新型压力传感器让我们可以在医疗保健和汽车等领域利用压力信息来实现新特性。
如在医疗保健领域，传感器有助于提高远程医疗的准确度。如果将该传感器应用到运动装备中，我们 可以获得更详细的强化训练服务。将传感器贴合到汽车上，那么安全性和便利性将提高。将传感器应用到椅子上的话，那么它就可以测量座位上压力并将数据发送给我们，图12这种织物座椅传感器可以辨别大人与小孩的重量。
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图12织物座椅传感器
这种特殊的聚氨酯材料对压力很敏感，弹性大，而且可以插入电子纤维中。这种产品能适合各种环境。在40摄氏度到80摄氏度下，能运行240小时。即使70公斤重的人坐在上面也能运行。
1.2.1柔性织物传感器的分类
以织物为基础的柔性传感器可以分为将金属丝或导电纱编织或针织到织物中，以及对织物直接进行涂层制备两种方法。为制备柔性传感器所选择的原材料目前主要着重于镀银纤维，即第二种方法，Mestrovic 等人采用镀银尼龙纤维制作纺织结构电极[5]；Tao等人用真空溅射的方法对尼龙织物表面进行镀银处理[6]。大量银离子的存在可以有效地改变外部应力作用下电阻大小，从而提高传感器的灵敏度，并且这种制成的传感器还可以有效的拉伸。
1.3电子导电纤维研究
导电纤维是20世纪60年代出现的一种新的纤维产品。导电纤维是指在（20℃，65%相对湿度），比电阻在 10*7Ωg/cm下的纤维。图13是早期导电纤维，那时候纤维可纺性差，手感差。随着导电纤维不断研发，已经在众多领域表现出良好前景，比如航空、汽车、电子、机械、化工、通信、建筑、医疗、轻纺、军工和民用领域等[7]。
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