用于可穿戴应用的针织电感式柔性传感器

文献标题

Knitted Inductive Flex Sensors for Wearable Applications

出版信息

• 主题领域: 基于纺织品的感应传感器在可穿戴感知技术中的应用。
• 关键词: 针织传感器、感应传感、LC电路、可穿戴技术、医疗应用、康复、纺织电子、弯曲传感器、动作捕捉、交互式服装。

背景与问题

• 问题/挑战: 现有的弯曲传感器（如电阻式弯曲传感器和刚性感应传感器）缺乏柔软性、弹性和可洗性等纺织品特性，因此不适合可穿戴应用。
• 重要性: 可穿戴传感器在医疗、康复和交互式服装中至关重要，这些领域需要传感器具备舒适性、隐蔽性和可靠的感知能力。
• 动机与相关工作: 先前的研究展示了使用刺绣线圈的纺织基感应传感器，但未将完整的LC电路集成到织物中。本研究在此基础上，通过将针织线圈和电容器嵌入无缝纺织结构中，进一步推进了这一领域。

解决方案

• 提出的方法: 将线圈和电容器集成到管状纺织结构中的全针织谐振LC电路，用于感知关节弯曲角度。
• 创新点:
  1. 开发了集成线圈和电容器的全针织LC电路。
  2. 展示了通过编织绝缘导线实现的双线电容器。
  3. 对传感器在100次弯曲循环中的性能进行了评估，表现出稳定性、准确性和低迟滞性。
  4. 传感器适用于不同半径的关节，具备在可穿戴应用中的多功能性。
• 流程与关键技术:
  • 使用绝缘铜线和聚酰胺/氨纶纱线制作管状针织线圈，以确保柔韧性和耐用性。
  • 通过镀层技术集成并优化平行线电容器，以减少机械应力并优化电容值。
  • 通过焊接线圈和电容器的两端组装LC电路，形成连续导线。
  • 优化传感器参数（线圈匝数、间距、电容器长度），以实现感知硬件范围内的目标谐振频率。

结果

• 具体发现:
  • 针织线圈的平均电感值为7.163 µH，样本间的最大标准差为0.138 µH，确保了制造的可重复性（偏差小于2%）。
  • 针织电容器的电容值在样本间的变化为22.5 pF，证实了制造的一致性。
  • 在180°到140°弯曲角度之间，传感器灵敏度为-2.39 kHz/deg。
  • 弯曲测试中观察到的最大迟滞为16°。
• 相较基线的优势:
  • 与基于箔片的电阻传感器和刚性感应传感器相比，穿戴性和可洗性显著提升。
  • 由于集成电容器减少了寄生电容效应，触碰不会影响传感性能。
• 实验/评估:
  • 使用3D打印铰链在受控角度（180°到90°）下进行了100次弯曲循环测试。
  • 测得的谐振频率为2.66 MHz，与理论计算值（2.59 MHz）非常接近。
  • 演示包括用于动作捕捉的膝盖和肘部套筒原型。
• 局限性与未来工作:
  • 弹性材料（如氨纶）对传感器性能的影响需要进一步研究。
  • 应探讨在更高谐振频率下运行的小型传感器的可行性。
  • 为改进传感器设计，高频段的寄生效应需要深入研究。

总结

本文提出了一种用于可穿戴弯曲感知应用的全针织谐振LC电路，将纺织品的柔软性和弹性与可靠的感应传感相结合。通过整合针织线圈和电容器，传感器在重复弯曲循环中表现出高稳定性、准确性和低迟滞性。在膝盖和肘部套筒上的演示表明，其在医疗、康复和交互式服装中的适应性。未来工作将致力于扩展动态范围、探索更小型的传感器以及推进电子纺织品的非接触式感知方法。