手功能評估用針織襯緯組織傳感器的傳感性能探討

1. 東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620；2. 東華大學紡織學院， 上海 201620；3. 針知運國際貿(mào)易(上海)有限公司， 上海 201824

隨著我國人口老齡化的加劇和生活方式的轉(zhuǎn)變，腦卒中的發(fā)病率呈上升趨勢[1]。大多數(shù)存活的腦卒中患者都存在手功能障礙，因此，正確、客觀地評估腦卒中患者的手功能，對于制定個性化的治療方案及評價康復效果，具有重要意義。目前，腦卒中患者手功能評估主要采用WOLF運動功能評價量表、手臂動作調(diào)查測試表、Fugl-Meyer運動功能表等方法，但這些方法是由醫(yī)生目測病人手部恢復情況并評級的，故主觀性影響較大。

本文利用針織全成形技術設計了一種評估專用手套。該手套在手指的背部及手腕部，以局部襯緯的方式引入了鍍銀錦綸絲，構成了針織襯緯組織傳感器。當患者佩戴該手套做手指或手腕部彎曲動作時，針織襯緯組織傳感器的電阻值會發(fā)生相應的變化，由此可表征患者的手指或手腕可活動的程度。由于傳感器性能的優(yōu)劣會直接影響對患者手功能評級的準確性，因此本文試織了幾種針織襯緯組織傳感器試樣，重點探究鍍銀錦綸絲線密度、襯緯區(qū)域長度及襯緯紗線行數(shù)對針織襯緯組織傳感器性能的影響。

1 針織襯緯組織傳感器的制備

針織襯緯組織傳感器試樣采用STOLL CMS ADF-3電腦橫機進行編織，地組織為緯平針。為確保手套能與患者手部緊密貼合，地組織紗線采用滌綸高彈絲。傳感器采用鍍銀錦綸絲為原料，并以局部襯緯的方式織入地組織。圖1為所得針織襯緯組織傳感器試樣照片，所用紗線規(guī)格及類型見表1。

圖1 針織襯緯組織傳感器試樣

紗線名稱紗線規(guī)格/dtex紗線電導率/(Ω·cm-1)鍍銀錦綸絲(襯緯紗)111．14．80155．63．40244．40．54滌綸高彈絲(地組織紗)333．3不導電

2 試驗

2.1 試驗方案

為探究鍍銀錦綸絲線密度、襯緯區(qū)域長度、襯緯紗線行數(shù)這3個因素對針織襯緯組織傳感器性能的影響，本文設計了正交試驗，因素水平見表2，共織造出9塊試樣。

表2 正交試驗因素水平表

傳感器的基本特性指的是傳感器輸入輸出關系的特性，本文對應的即是傳感器應變與電阻的關系特性，主要表征傳感器的靜態(tài)特征。測試的指標包括線性度、靈敏系數(shù)和重復性。

2.2 主要試驗儀器

YG026MB多功能電子織物強力機，DM3068數(shù)字萬用表，等等。

2.3 試驗方法

本文設計的針織襯緯組織傳感器是用于評估腦卒中患者手指抓握功能恢復程度的。通過測試發(fā)現(xiàn)，手指由伸直狀態(tài)轉(zhuǎn)為握拳彎曲狀態(tài)時，手套的延伸率通常不超過30%。故本試驗確定探究針織襯緯組織傳感器試樣在伸長0～30%的過程中電阻的變化。具體步驟：先將試樣置于溫度為(20±2)℃、相對濕度為(65±2)%的恒溫恒濕室中預調(diào)濕24 h，然后在恒溫恒濕室中使用YG026MB多功能電子織物強力機，將試樣以60 mm/min的速度沿織物緯向(即順著手指方向)拉伸至應變?yōu)?0%，同時利用DM3068數(shù)字萬用表記錄電阻的變化。

3 試驗結果與分析

3.1 線性度

線性度反映了傳感器的電阻-應變曲線與其擬合直線的接近程度。擬合過程中，采用確定系數(shù)R2表征數(shù)據(jù)的線性度：

(1)

式中：εi——應變；

Ri——應變?yōu)棣舏時傳感器輸出的電阻值；

R2可利用Matlab軟件進行線性分析直接得出，其取值范圍在[0.000 0， 1.000 0]之間，R2越接近于1.000 0則表示數(shù)據(jù)擬合得越好[2]。表3為線性度測試結果，圖2為正交試驗的線性度因素指標圖。

表3 正交試驗線性度測試結果及分析

圖2 線性度因素指標圖

由表3及圖2可以看出：

(1) 各因素對針織襯緯組織傳感器的線性度影響程度從大到小依次為襯緯紗線行數(shù)(因素C)、襯緯區(qū)域長度(因素B)、鍍銀錦綸絲線密度(因素A)。

(2) 當其他條件不變時，隨著鍍銀錦綸絲線密度(因素A)的增加，針織襯緯組織傳感器的線性度增加；隨著襯緯區(qū)域長度(因素B)的增加，針織襯緯組織傳感器的線性度下降；隨著襯緯紗線行數(shù)(因素C)的增加，針織襯緯組織傳感器的線性度先增加后下降。

(3) A3B1C2是線性度最好的組合，即使用鍍銀錦綸絲線密度為244.4 dtex、襯緯區(qū)域長度為50 mm、襯緯紗線行數(shù)為5的組合，可得到線性度最好的針織襯緯組織傳感器，R2達到 0.977 0。

3.2 靈敏系數(shù)

電阻變化率(即ΔR/R0)和引起此電阻變化的構件表面在電阻應變計軸線方向的應變之比，稱為電阻應變計的靈敏系數(shù)(K)[3]。

(2)

式中： ΔR——電阻的變化量；

R0——初始電阻；

ε——應變。

針織襯緯組織傳感器的靈敏系數(shù)越大越好。表4為靈敏系數(shù)的測試結果，圖3為正交試驗的靈敏系數(shù)因素指標圖。

表4 正交試驗靈敏系數(shù)的測試結果

(續(xù)表)

圖3 靈敏系數(shù)因素指標圖

由表4及圖3可以看出：

(1) 各因素對針織襯緯組織傳感器的靈敏系數(shù)影響程度從大到小依次為襯緯區(qū)域長度(因素B)、鍍銀錦綸絲線密度(因素A)、襯緯紗線行數(shù)(因素C)。

(2) 當其他條件不變時，隨著鍍銀錦綸絲線密度(因素A)的增加，針織襯緯組織傳感器的靈敏系數(shù)降低；隨著襯緯區(qū)域長度(因素B)的增加，針織襯緯組織傳感器的靈敏系數(shù)增加；隨著襯緯紗線行數(shù)(因素C)的增加，針織襯緯組織傳感器的靈敏系數(shù)先增加后減少。

(3) A1B3C2是靈敏系數(shù)最高的組合，即使用鍍銀錦綸絲線密度為111.1 dtex、襯緯區(qū)域長度為90 mm、襯緯紗線行數(shù)為5的組合，所得針織襯緯組織傳感器的靈敏系數(shù)會超過試驗所得最高靈敏系數(shù)(2.938)。且查閱資料了解到，金屬電阻應變片的靈敏系數(shù)約為2.000。因此，選擇合適的織造參數(shù)，可以使針織襯緯組織傳感器的靈敏系數(shù)達到當前常用的金屬電阻應變片的水平。

3.3 重復性

重復性是指傳感器在檢測同一物理量時每次測量結果的一致程度。本試驗分別對襯緯區(qū)域長度為50 mm、襯緯紗線行數(shù)為5的，使用3種線密度的鍍銀錦綸絲制成的針織襯緯組織傳感器，利用YG026MB多功能電子織物強力機，以60 mm/min的速度將針織襯緯組織傳感器拉伸至應變?yōu)?0%，再以60 mm/min的速度回復至應變?yōu)?，反復拉伸50次，且相鄰兩次拉伸之間時間間隔0 s，同時利用DM3068數(shù)字萬用表同步記錄電阻變化。試驗結果分別見圖4～圖6。

圖4 針織襯緯組織傳感器重復拉伸時的電阻(鍍銀錦綸絲線密度為111.1 dtex)

圖5 針織襯緯組織傳感器重復拉伸時的電阻(鍍銀錦綸絲線密度為155.5 dtex)

圖6 針織襯緯組織傳感器重復拉伸時的電阻(鍍銀錦綸絲線密度為244.4 dtex)

由圖4～圖6可以看出，隨著拉伸次數(shù)的增加，針織襯緯組織傳感器試樣在每一次的拉伸到應變?yōu)?0%的過程中電阻不斷增大，3塊試樣在第50次拉伸時相較于第一次拉伸時的電阻分別增加了79.6%、 71.6%、 27.0%，這表明當時間間隔為0 s時，針織襯緯組織傳感器試樣電阻的數(shù)據(jù)重復性較差。

針織襯緯組織傳感器電阻的變化基本來自于紗線的拉伸，錦綸絲的急彈性應變范圍通常在5%～6%，遠小于30%的應變，因此會產(chǎn)生塑性變形。故后續(xù)試驗需選擇能在拉伸至應變?yōu)?0%后仍能完全回復的導電紗線，如嘗試制造氨綸鍍銀絲作為襯緯紗線；或改變傳感器組織結構，如將鍍銀錦綸絲以線圈的形式織入，使傳感器整體擁有更好的彈性。

4 結語

為開發(fā)出一種用于評估腦卒中患者手部功能狀況的手套，本文將鍍銀錦綸絲以局部襯緯的方式織入織物，制成針織襯緯組織傳感器，希望通過采集針織襯緯組織傳感器拉伸時電阻的變化監(jiān)測患者的手部活動，并研究了針織襯緯組織傳感器的傳感性能和影響因素。試驗發(fā)現(xiàn)：當鍍銀錦綸絲線密度增加時，針織襯緯組織傳感器的線性度增加、靈敏系數(shù)降低；當襯緯區(qū)域長度增加時，針織襯緯組織傳感器的線性度降低、靈敏系數(shù)增加；當襯緯紗線行數(shù)增加時，針織襯緯組織傳感器的線性度和靈敏系數(shù)先增加后減少。因此，選擇合適線密度的鍍銀錦綸絲、襯緯區(qū)域長度、襯緯紗線行數(shù)，可使這種針織襯緯組織傳感器具有良好的線性度和靈敏系數(shù)，但這種傳感器存在重復性較差的缺陷，后續(xù)試驗可嘗試改善導電紗線彈性或改變導電區(qū)域組織結構來提高傳感器的重復性。

參考文獻

[1] 趙靜，胡風云.妊娠及產(chǎn)褥期合并腦卒中的相關危險因素分析[J].中國藥物與臨床，2017，17(6)：882-884.

[2] 韓瀟，龍海如.針織物柔性傳感器的傳感性能探討[J].紡織科技進展，2014(6)：12-14.

[3] 唐勝睦.測量不確定度評定中靈敏系數(shù)的計算[J].計量與測試技術，2013，40(1)：66-67.