一种基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物及其制备方法
阅读说明：本技术 一种基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物及其制备方法 (Flexible monitoring respiratory fabric based on optical fiber luminescence sensitization mechanism and preparation method thereof ) 是由 张美玲 赵美玲 张�诚 王占刚 郑广伟 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物及其制备方法,属于智能服装技术领域。本发明提出了将光纤以经纱形式织入织物,光纤的局部位置以浮长线形式存在,并给予开槽,以形成光纤的发光和感光结构,定义通入光的光纤为发光光纤,接收光的光纤为感光光纤。织物的纬纱采用高弹高熔点纱线,除光纤外的经纱采用无弹或低弹高熔点纱线,其熔点比光纤高,故不受开槽温度的影响。当人体呼吸时,织物纬向的弹性可有效改变以经纱形式存在的发光光纤和感光光纤的间距,引起感光光纤的光强变化,从而监测呼吸运动及异常。呼吸传感器织造技术简单,一次成型,成本低,便于工业化规模生产,为未来光纤传感器及智能服装的研究提供了指导方法。(The invention provides a flexible monitoring respiratory fabric based on an optical fiber luminescence sensitization mechanism and a preparation method thereof, belonging to the technical field of intelligent clothes. The invention provides a method for weaving optical fibers into a fabric in a warp form, wherein the local position of the optical fibers exists in a floating long line form and is provided with a groove to form a light-emitting and light-sensing structure of the optical fibers, and the optical fibers which are introduced with light are defined as light-emitting optical fibers, and the optical fibers which receive the light are defined as light-sensing optical fibers. The weft yarns of the fabric are made of high-elasticity high-melting-point yarns, and the warp yarns except the optical fibers are made of non-elastic or low-elasticity high-melting-point yarns, and the melting point of the yarns is higher than that of the optical fibers, so that the yarns are not influenced by the slotting temperature. When a human body breathes, the weft-wise elasticity of the fabric can effectively change the distance between the light-emitting optical fiber and the photosensitive optical fiber in the warp form, so that the light intensity of the photosensitive optical fiber is changed, and the breathing movement and the abnormality are monitored. The breathing sensor has simple weaving technology, one-step forming and low cost, is convenient for industrial scale production, and provides a guidance method for the research of future optical fiber sensors and intelligent clothing.)
技术领域
本发明属于智能服装技术领域，具体是一种基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物及其制备方法。
背景技术
随着国家科技进步和人民生活水平的提高，人类对自身的健康状况越来越重视。呼吸作为一个重要的生理参数指标，其波形蕴含的频率和深度等信息可以反映人体心理及生理健康状况。我国人口老龄化的趋势日趋严重，呼吸系统慢性疾病在中老年人群中频发，这种状况加快推动了人们从治病、看病为主的医疗模式转向预防诊断为主、治疗为辅的方式。研究出能够便捷、有效监测、反馈呼吸运动及异常的日常穿戴装置，可以预防并及时治疗中老年人群的疾病。
目前，监测人体呼吸的传感器主要有电子传感器和光纤传感器两类。Gaetano等采用电子传感器中电阻式传感器的方法，将四根电阻弹性带结合到一件T恤中，通过测量阻值的变化，实现人体呼吸运动的监测。但该类传感器易受外界电磁干扰，不稳定的阻值会导致呼吸信号的不准确。
光纤传感器主要有波长调制型传感器和强度调制型传感器。
在波长调制型光纤传感器中，光纤光栅传感器最为典型。Ciocchetti M等提出将光纤光栅传感器用一种粘性硅橡胶粘在纺织品上监测胸部呼吸模式。但是该传感器解调系统复杂，需专用光栅设备和传感设备，体积大且费用昂贵。
强度调制型光纤传感器包含光纤宏弯传感器和光纤微弯传感器。Augustin G等将聚合物光纤以宏弯形式刺绣集成到弹性织物上，测量人体腹部的呼吸频率。Yang Xiufeng等基于光纤微弯效应，将光纤以正弦图案绣在可伸缩基底上，测量出试验者站姿和坐姿两种状态下的心跳频率和呼吸速率。该宏弯和微弯光纤传感器需要使光纤具有一定的曲率半径，但由于光纤有一定的硬度且易脆，增加了织造中实现和固定一定曲率半径光纤的困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物及其制备方法，以解决现有呼吸传感器易受电磁干扰、体积大、费用昂贵及固定具有一定曲率半径的光纤的困难等问题。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：
设计了一种基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物及其制备方法。将光纤作为经纱，排列组合织造成织物，光纤无需形成一定的曲率半径。在局部位置，光纤以浮长线形式存在，开槽去除该部分的包层和部分纤芯，分别定义为发光光纤和感光光纤两类。通入光的光纤为发光光纤，接收光的光纤为感光光纤。发光光纤的发光功率一定，人体呼吸运动引起光纤间距的变化，感光光纤的感光信号会增强或减弱，从而判断人体的呼吸运动。
基于此原理，光纤以经纱形式在多臂织机上织入织物，其余经纱采用熔点高的低弹或无弹纱线，纬纱采用熔点较高的高弹纱线。纬纱、除光纤以外的经纱均为熔点高于光纤熔点的纱线。光纤开槽，需要一定的温度才能实现，纱线的耐高温性，可以使纱线不受该温度影响。纬纱的高弹效应，首先可以使柔性监测呼吸织物贴身，另外当人体呼吸运动时，该运动可以有效改变织物的纬向位移，随之改变经纱光纤的间距，从而引起感光光纤感光强度的变化。
基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物分为光纤织物和衬垫织物两部分。衬垫织物内不含有光纤，起保护光纤和容易与服装集成的作用。光纤织物为柔性监测呼吸织物的主要部分，将发光光纤和感光光纤排列组合，以经纱方式织入，其中经纱光纤的局部需要以浮长线形式出现，便于后期加工去除光纤包层和部分纤芯，实现经纱光纤发光和感光的目的。织造的贴身弹性织物可以使经纱光纤间距变化，从而监测人体的呼吸运动。
本技术方案并不限于以上结构，即满足发光光纤和感光光纤间距变化引起输出光强变化的结构都属于本原理。
与现有技术相比，本发明的创新之处是：该基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物只需要使用光纤，可以抵抗电子元件及外界环境产生的电磁干扰；光纤不需要光栅结构，可以避免体积大、费用昂贵的专用光栅设备和传感设备；光纤不需要以一定的曲率半径植入，而是以普通经纱的方式织入织物，在多臂织机上就可以实现。织造技术简单易行，一次成型，生产成本低，便于工业化规模生产。将其集成到腰带、内衣、衬衫等纺织服装中，可以实现在日常生活中对人体呼吸的长期便携监测，为未来光纤传感器及智能服装的研究奠定基础。
附图说明
图1基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物示意图；
图2为光纤织物中浮长线经纱光纤槽的剖面图；
图3为发光光纤和感光光纤间距变化时感光强度变化的示意图；
图4为基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物的测试装置示意图；
图5为采用5根经纱光纤排列组合的柔性监测呼吸织物示意图；
图6为光纤织物中接结经纱光纤部分的上机示意图；
图7为衬垫织物和光纤织物中浮长线经纱光纤部分的上机示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物是由聚合物光纤、高熔点无弹经纱和高熔点高弹纬纱织造成型。图1为基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物示意图，纬向为X方向，经向为Y方向。基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物是由衬垫织物和光纤织物构成。图1中的数字1为衬垫织物，光纤悬浮其上，可以保护光纤和容易集成在服装上。图1中的光纤织物包含数字2,3,4和5四个部分。数字2中代表的织物不含有经纱光纤，采用能使纬向产生弹性的织物组织和高弹纬纱，将其定义为弹性无光纤织物2；数字4代表发光光纤，数字5代表感光光纤。数字3代表光纤间距织物，可以调整发光光纤4和感光光纤5的距离。光纤间距织物3的织物组织与弹性无光纤织物2的可以相同或不同。其中，经纱光纤4和5又分为三部分。41和51部分为浮在衬垫织物1上的部分；42和52部分的经纱光纤采用组织接结固定，将其定义为接结经纱光纤42和52部分；43和53部分的经纱光纤织造为浮长线，将其定义为浮长线经纱光纤43和53部分，该部分光纤需要开槽，实现发光和感光结构。图2为浮长线经纱光纤43和53部分槽的剖面图。在浮长线经纱光纤43和53表面实现开槽，如431和531处剖面，目的是实现光纤发光感光的作用。
图3为发光光纤和感光光纤间距变化时感光强度变化的示意图。通过物理方式去除经纱光纤的包层和部分纤芯，形成槽431和531。发光光纤4通入光44，在槽431处直射入空气，被感光光纤5的槽531接收，进入感光光纤后，输出光45被检测。设发光光纤4和感光光纤5之间的初始间距为d，当发光光纤的发光功率一定时，人体吸气引起胸腹部的膨胀，使纬向高弹织物中发光光纤4与感光光纤5间距由d增大到d2，此时感光光纤5的槽531接收的光线45由于距离增加而减少，输出光强降低；人体呼气引起胸腹部收缩，织物因自身的纬弹效应恢复原状，发光光纤4和感光光纤5间距由d2减小为d，感光光纤5的槽531接收的光线45增加，输出光强上升。随着柔性监测呼吸织物使用频率的增加，即使织物发生蠕变，发光光纤4和感光光纤5间距由d2减小为d1，设备仍能检测到感光强度的变化。由于监测呼吸织物中光纤在人体上不同的测试位置，发光光纤4和感光光纤5会出现图3中的运动方式，也会出现经纱光纤4和5沿着纬向X方向同时伸长和回缩的运动方式。该运动方式的原理与图3相同，即两者距离的变动引起了感光强度的变化。因此，监测感光光强的变化可以判断呼吸运动的发生及异常。
图4为基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物的测试装置示意图。发光光纤4两端连接电路板6上的两个LED 61，通入光源，感光光纤5两端连接电路板6上具有放大滤波装置的感光器(PD)62，接收光，进行人体呼吸运动测试。传感器由电源7供电，采集的数据通过串口方式传输到PC机的采集软件8中进行处理、分析及反馈。
下面给出本发明的具体实施例，该实施例只是对本发明技术方案的进一步说明，不构成对本发明权利要求保护范围的限制。
基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物及其制备方法是在图1的原理上，将经纱光纤根数增加为5根为例，如图5所示。三根为发光光纤4，两根为感光光纤5，相间排列。光纤织物2和光纤间距织物3的织物组织相同。按照织造工艺和发光感光结构工艺设计，经纱光纤采用PMMA聚合物光纤，熔点为100-150度之间。其他经纱采用熔点高的无弹或低弹纱线，如锦纶等，纬纱采用高熔点高弹纱线，如高弹锦纶等，熔点在200度以上。以便光纤局部浮长线位置开槽时，纬纱以及除光纤以外的经纱可以受到保护。
图5中的基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物是由衬垫织物和光纤织物构成。由于弹性无光纤织物2和光纤间距织物3的织物组织相同，则织物组织共同采用八枚三飞经面缎纹组织。在一个组织循环中共8根经纱和8根纬纱，如图6所示。8根经纱为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8，纬纱为b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8。相邻经纱光纤之间的距离为八枚三飞经面缎纹组织的一个组织循环。调整组织循环数，可以改变织物纬向X方向的光纤间距与织物幅宽。如果光纤间距织物3的间距要减小，可以采用部分八枚三飞经面缎纹组织或者设计其他组织循环小的组织来实现。
5根经纱光纤照图法穿综，与B8经纱入一筘。接结经纱光纤42和52采用图6中C的组织接结固定。调整接结经纱光纤42和52的长度，即可以通过调整接结组织的纬纱数量来实现光纤的接结固定牢度。浮长线经纱光纤43和53采用图7中C的组织来实现经纱光纤浮长线，便于光纤开槽。调整光纤直径和光纤浮长线的长度，可以调整光纤开槽面积和长度，改变光纤发光感光强度。光纤浮长线的长度可以通过调整图7中纬纱的数量来实现。
衬底织物1的实现方式与光纤织物2,3,43,53部分的相同，不再赘述。
为了实现基于光纤发光感光机理的柔性监测呼吸织物，首先按照图7的上机图织造衬垫织物1，光纤不固结，悬浮其上。当织造衬垫织物1后，按照图6接着织造光纤织物的2,3,42和52部分，实现接结经纱光纤部分。然后按照图7织造光纤织物2,3,43和53部分，实现浮长线经纱光纤部分。在一个组织循环中，纬纱为8根，多个组织循环实现1cm左右的光纤浮长线。在经纱浮长线光纤43和53部分，进行光纤的物理性开槽。光纤浮长线的长度可根据发光感光作用自定。当织造完该部分后，对称织造光纤织物的接结经纱光纤部分，对光纤进行接结固定。然后再织造衬垫织物1。根据光纤织物的大小，调节织造工艺，直到织物织造完毕。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。