新型螺旋压电传感器，具有良好的的传感稳定性和耐久性！

 本文介绍了一种缠绕在螺旋结构螺纹芯上的压电传感器。特别是将聚偏氟乙烯薄膜卷曲固定在线芯上，研究人员设计了一系列的压电传感器弯曲加载实验，研究了压电传感器的传感特性。 实验结果表明，在受弯载荷作用下，传感器的传感输出与受弯载荷是同步的。此外，根据不同的弯曲载荷测量了该织物压电传感器的输出电压，施加到压电传感器上的弯曲弯曲角预期是电压输出的幂函数。此外，研究人员通过编织压电传感器来演示了一种智能纺织品。

 相关论文以题为“     Piezoelectric Sensor with a Helical Structure on the Thread Core    ”发表在《     Applied Sciences    》上。

 传统上，服装在文明社会中扮演着重要的角色，因为它帮助人们舒适地适应变化的环境。 服装被设计用来辅助人类的日常活动，具有各种各样的功能，比如在寒冷的天气里温暖身体，保护身体免受外部威胁，并提供多余的空间来携带必要的物品。

 电子、可穿戴设备和物联网的最新进展导致了智能服装的出现。 各种类型的智能服装已被报道，具有探测周围环境和同时保护人体的优点。早期用于智能服装的智能纤维大多由体积庞大且复杂的电子设备组成。最近的一种是线状导电纤维，具有良好的灵敏度和柔韧性。智能光纤技术可适用于各种应用，如人体运动检测、实时健康监测和人体运动模式研究。

 在此，研究人员利用聚偏二氟乙烯(PVDF)制作了一种柔性、轻量化、敏感的基于织物的压电传感器。具体来说，纺织结构是通过螺旋形式的螺纹卷曲PVDF实现的。 通过螺旋的几何形状，组合传感结构在重复机械变形下表现出高稳定性和耐久性。此外，利用压电特性结合电荷和机械应变之间的相互作用，可以利用传感器的电响应来测量传感器的机械变形，同时保持柔性。图1所示为基于纹理的压电传感器的原理图。以前已经报道过利用热纺压电纱制造基于织物的压电传感器的方法。与以往的研究不同，研究人员专注于薄膜型压电材料和线芯的螺旋组合，使其具有良好的传感稳定性和耐久性。能量收割机和传感器已被报道使用压电材料与螺旋结构的螺纹结合。与以往的研究不同，本文着重研究了螺旋压电传感器的传感特性。  具体地说，研究人员比较了传感器及其膨胀织物形式的重复性和传感特性，以表明所提出的传感器用于生物识别应用的可行性。

 图1.在弯曲载荷下智能纺织品中基于织物的压电传感器(绿色)的原理图。

 本文的主要贡献如下:(1)详细介绍了基于织构的螺旋结构压电传感器的制作过程;(2)分析了传感器的电学性能;(3)通过编织压电传感器来演示智能纺织品。

 螺旋结构压电传感器的研制

 研究人员将具有螺旋结构的PVDF薄膜附着在螺纹上，制作了压电传感器。 图2a-e示出压电传感器的制造过程。如图2a所示，将厚度为28微米的PVDF薄膜切割成斧形。然后，使用碳导电胶带将定制的柔性印制电路板(FPCB)电极附着到PVDF薄膜上。具体来说，如图2b所示，FPCB电极连接到PVDF薄膜的较宽部分。然后将PVDF薄膜卷绕在长度为85 mm的螺纹上;直径:3毫米;棉:100%)作为螺旋结构，如图2c所示。然后，在螺纹与PVDF膜的组合结构上涂覆一层厚度为20μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜带，如图2d所示。最后，被包裹的表面被六个线程包围(参见图2e)。该传感器的厚度为4毫米，电容为212 pF，由Keithley DMM7510712位图形采样万用表测量。

 图2.传感器的制作过程。(a) PVDF膜切成一把斧头形状,(b) FPCB电极连接到PVDF膜,(c) PVDF膜卷在一个线程螺旋结构,(d)传感器宠物涂膜胶带、(e)传感器由六个线程(f)传感器编织,编织包,(g)智能纺织品的示意图,(h)的压电传感器,(i)的智能纺织品。

 智能纺织品的制造

 智能纺织品的制造为了证明该传感器在纺织品中使用的可行性，压电传感器用其他线编织（长度： 85 m米; 直径：4米米; 羊毛：90％，干丙烯酸：10％），其直径和长度与传感器相同，如图2f所示。 首先，使用编织工具Loomini（韩国光州Ziium编织文化有限公司）将白线垂直悬挂。其次，将白线的顶部和底部水平编织。最后，压电传感器在织物中间水平编织。图2 g–i分别说明了智能纺织品的示意图，装配好的压电传感器的图片和智能纺织品的图片。

 实验装置

压电传感器的一端用丙烯酸支架固定，另一端夹在3d打印支架上，支架连接到电机(Dynamixel MX-28, Robotis Co.， Ltd.， Seoul, Korea)，如图3a所示。自由长度L为50mm，不包括夹紧部分。在智能纺织品的测试中，使用了相同的设置，如图3b所示。在传感器下方放置一根直径为12毫米的铝杆，通过电机的操作对物体进行弯曲。铝杆的位置选择Lp=35 mm。为了操作电机，使用了一个控制器板(OpenCM 9.04-C, Robotis Co.， Ltd.， Korea)。如图3c所示，受弯荷载以弯曲角Φ单向移动。本文采用峰间弯曲角Φ0(1.5°~ 30°)和工作频率f (0.8 Hz ~ 3.0 Hz)的正弦弯曲载荷。具体来说，考虑人体运动[39]的频率范围，确定了工作频率的实验范围，说明了该传感器用于生物计量应用的可行性。在实验范围内施加数千个正弦弯曲载荷，测试传感器的耐久性和可重复性。研究人员测量了运动和执行跟踪，以确定准确的加载角度从电机。特别是，运动是用数码摄像机(XC10，佳能，日本)以60帧/秒的速度记录下来的，并使用后处理跟踪程序(ProAnalyst, Xcitex)处理到弯曲角度。同时，使用数据采集板(DAQ, NI-6211, National Instruments Corp.， Austin, TX, USA)和LabVIEW 2017对传感输出进行测量。设计了一个截止频率为60hz的低通滤波器和一个40 ~ 80 Hz、170 ~ 190 Hz的带阻滤波器，分别去除60hz噪声、电源耦合效应和三阶谐波噪声项。DAQ板的输入阻抗为10gΩ，比研究人员测试范围内传感器的内部阻抗大10到40倍。因此，研究人员假设测量条件接近开路条件。

 图3.应用弯曲载荷的实验装置。(a)压电传感器和(b)智能纺织品夹紧条件。(c)弯曲弯曲角Φ。

 传感器输出的时间轨迹

图4同时显示了f=1.2 Hz时弯曲载荷、Φ和电压输出Vsensor的时间轨迹。研究人员观察到，输出电压与施加的弯曲载荷具有相同的相位，没有滞后现象。研究人员对传感器的电响应与弯曲角进行正弦拟合，研究上述发现。特别地，研究人员使用了MATLAB函数“fit”。Vsensor和Φ的正弦拟合结果与r方值分别为0.9967和0.9978，吻合较好。因此，它们通过正弦拟合结果来表示。当施加Φ0 = 8.6°的峰间弯曲角时，得到的传感输出峰间电压为2.7 V。此外，Φ和Vsensor的相位近似一致，相位差为4°。研究人员认为相位差可能是由于相机记录速率的限制造成的。此外，在其他条件下，研究人员也观察到了同样的趋势。  因此，压电传感器的电压输出与施加的弯曲载荷具有相同的相位。

 图4.(a)施加在传感器上的弯曲载荷和(b)压电传感器的电压输出。红色实线和虚线分别表示弯曲角和拟正弦弯曲角。蓝色实线和虚线分别表示压电传感器的电压输出和正弦拟合结果。

 结论

 在本文中，研究人员提出了一种基于织物的螺旋结构压电传感器作为智能服装的平台。 压电传感器是用一层PVDF薄膜缠绕在棉线上制成的螺旋结构。然后，通过将压电传感器与另一根线编织，使该结构适应于智能纺织品。

研究人员建立了正弦弯曲加载实验装置，研究了该传感器和智能纺织品的电学特性。传感器与施加的弯曲载荷是同步的。通过对弯曲角度与电压的关系进行功率拟合，模拟Φ0-V0关系。拟合结果与实验结果基本一致。此外，传感器的输出电压不依赖于工作频率。根据不同的弯曲载荷，比较了传感器和智能织物的电学性能。  在相同的弯曲载荷下，传感器具有比智能纺织品更大的电压输出。