专利摘要

专利摘要

本发明公开了智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器设计及织造方法，属于纺织产品生产技术领域。本发明所述的智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器的设计方法，包括以下步骤：通过导电纱线在两面提花面料的正反两面正对位置分别织入导电方格，形成柔性传感器；所述导电方格是采用添纱方式进行编织，通过局部添纱组织和空气层组织配合编织形成的。本发明的柔性传感器减少了导线的布局，仅通过三层结构实现柔性传感器的数据收集，生产方式简单、绿色、便于实现。

权利要求

1.一种智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过导电纱线在两面提花面料的正反两面正对位置分别织入导电方格，形成柔性传感器；每一组正反面导电方格形成的传感器称为柔性传感器单元；

所述导电方格是采用添纱方式进行编织，通过局部添纱组织和空气层组织配合编织形成的；

所述的两面提花面料为床垫面料，将其分为头部、胸部、腹部、大腿四个横向区域，每个导电方格横向间隔为5cm，形成柔性传感器单元阵列；

所述的智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器为三明治结构，上下两层为针织物，中间为蓬松未加捻的衬垫纱或具有弹性的线状物。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的两面提花面料中的提花组织为芝麻点组织、横条组织、纵条组织中的一种或者几种。

3.权利要求1或2所述的设计方法得到的智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器。

4.权利要求3所述的智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器的织造方法，其特征在于，包括以下步骤：在双面圆纬机或双针床横机上织造时，添加衬纬装置，在织物正反两面之间衬入具有细度在300D~1500D的衬纬纱，使织物的厚度在2mm ~5mm之间；

所述的衬纬装置将衬纬纱嘴置于两针床织针之间，纱嘴位置略先于编织纱嘴位置；在正反线圈编织前先将衬纬纱衬入，再由正反线圈将衬纬纱包覆在正反两面织物之间固定。

5.权利要求3所述的智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

在数据采集过程中对阵列中的柔性传感器单元进行逐个扫描，将压力信号转化为电信号，并将电信号经过放大器和滤波器完成数据处理后，使用无线传输技术传输到移动电子设备完成数据存储与同步。

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述的柔性传感器横向使用多路4选1模拟开关控制织物正面4个横列导电方格，纵向使用多路16选1模拟开关控制织物反面16个纵行导电方格；通过循环扫描采集模块对电容信号进行特征提取，当上表面的指定行与下表面的指定列同时被接通时，有且仅有一对导电方格上下表面电极均通电，从而测得选中导电方格位置处的电容。

7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，首先通过控制轮流选通下层电极层的16路多路模拟开关，从而轮流选通每一纵行电极，在选通某纵行电极信号的时间内，通过控制轮流选通上层电极层的4路多路模拟开关，轮流选通每一纵行电极，并接通电源电压；每间隔30s对所有导电方格依次扫描提取一次特征信号，将得到的各个导电方格的电容经过放大器和滤波器，后续由处理器进行电路处理得到各个导电方格的电容云图。

8.权利要求3所述的智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器在睡眠监测中的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器设计及织造方法，属于纺织产品生产技术领域。

背景技术

睡眠状态是观察人体健康的一大手段，人体大部分健康问题都能通过睡眠质量体现出来。睡眠监测床垫可以通过间歇性采集人体睡眠数据，并加以分析对比，得出人体睡眠状态。目前临床实验睡眠监测中采用全夜多导睡眠图监测手段，需要连接大量导线和传感器在被检测者身体各个部位上，侵入式监测对人体自然睡眠状态本身也会造成很大干扰，且使用步骤较为繁琐。已有研究中，睡眠监测床垫有采用气垫、弹簧等外部附加传感器，也有将传感器模块分布在各层结构中多层复合最终得到传感器，还有利用机织结构经纬交错的特点将导电物质横纵编织进织物中得到传感器，不论是哪种传感器都对面料的柔软性有一定的影响。

目前，专利(CN109000829A)采用导电纱线通过机织方式实现电容的构造，构建了具有蜂巢结构的织物；文中独特的蜂巢结构赋予织物不易变形、硬挺的特点，但用于直接与皮肤接触的睡眠监测面料会降低人体睡眠舒适性。专利(CN108085988A)提及了针织编织方式，但是只能通过更换某路纱线为导电纱线，才能形成导电横列，进而形成电容，并未提及针织工艺结构上的变化；文中还提及了三维立体机织结构，具体是通过在厚度方向叠加经纱与纬纱，属于多层机织物通过在厚度方向使用纱线穿套覆合；而电容的非导电介质的多少通过增加机织物叠加的层数来实现，因此，最终得到的织物厚重、柔软性差，尤其是再与树脂复合后，织物柔软性更差。

发明内容

为了解决上述至少一个问题，本发明提供一种智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器设计及织造方法，通过原料的选择和合理的组织结构，编织带有导电方格的空气层织物，形成电容式压力传感阵列，对人体压力信号进行采集。

本发明的第一个目的是提供一种智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器的设计方法，包括以下步骤：

通过导电纱线在两面提花面料的正反两面正对位置分别织入导电方格，形成柔性传感器；每一组正反面导电方格形成的传感器称为柔性传感器单元；

所述导电方格是采用添纱方式进行编织，通过局部添纱组织和空气层组织配合编织形成的。

在一种实施方式中，在柔性传感器的设计方法中采用普通纱线做面纱，导电纱线做地纱。

在一种实施方式中，所述的导电方格的大小为5cm×5cm。

在一种实施方式中，所述的两面提花面料为床垫面料，可以将其分为头部、胸部、腹部、大腿四个横向区域，每个导电方格横向间隔为5cm，形成柔性传感器单元阵列。

在一种实施方式中，所述的两面提花面料中的提花组织为空气层组织、芝麻点组织、横条组织、纵条组织中的一种或者一种以上。

在一种实施方式中，所述普通纱线线规格在75D到300D左右，导电纱在20D到75D左右，衬纬纱在300D到1500D左右。

在一种实施方式中，所述的普通纱线为涤纶纱、锦纶纱、吸湿抗菌等功能性纱线中的一种或者一种以上。

在一种实施方式中，所述的导电纱为镀有导电金属的化纤长丝、金属长丝、碳纤维长丝中的一种或者一种以上。

在一种实施方式中，所述的衬纬纱为涤纶DTY、蓬松纱、弹性线状物中的一种或者一种以上。

本发明的第二个目的是本发明的设计方法得到的智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器。

本发明的第三个目的是本发明所述的智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器的织造方法。

在一种实施方式中，具体的织造方法为：在双面圆纬机或双针床横机上织造时，添加衬纬装置，在织物正反两面之间衬入具有细度在300D～1500D的衬纬纱，使织物的厚度在2mm～5mm之间；在所述柔性传感器上施加的压力，使导电方格之间的间距变化更明显，从而使电容大小变化更明显。

在一种实施方式中，所述的衬纬装置将衬纬纱嘴置于两针床织针之间，纱嘴位置略先与编织纱嘴位置；在正反线圈编织前先将衬纬纱衬入，再由正反线圈将衬纬纱包覆在正反两面织物之间固定。

在一种实施方式中，所述的导电方格的织造方法为：在双面提花圆纬机或双针床横机上织造的，主要通过带自动定位功能的纱嘴编织，以空气层组织、局部添纱组织复合织造而成。

在一种实施方式中，所述的柔性传感器的导电方格是以带自动定位功能的纱嘴添纱编织，普通纱线做面纱，导电纱线做地纱，在织物正面横向编织连接同一横列的导电方格，在织物反面纵向编织连接同一纵行的导电方格，形成柔性传感器。

本发明的第四个目的是本发明所述的智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器检测方法。

在一种实施方式中，所述的柔性传感器的数据采集过程为：在数据采集过程中对阵列中的柔性传感器单元进行逐个扫描，将压力信号转化为电信号，并将电信号经过放大器和滤波器完成数据处理后，使用无线传输技术传输到移动电子设备完成数据存储与同步。

在一种实施方式中，所述的柔性传感器横向使用多路4选1模拟开关控制织物正面4个横列导电方格，纵向使用多路16选1模拟开关控制织物反面16个纵行导电方格；通过循环扫描采集模块对电容信号进行特征提取，当上表面的指定行与下表面的指定列同时被接通时，有且仅有一对导电方格上下表面电极均通电，从而测得选中导电方格位置处的电容。

在一种实施方式中，所述的柔性传感器的数据采集的具体步骤为：首先通过控制轮流选通下层电极层的16路多路模拟开关，从而轮流选通每一纵行电极，在选通某纵行电极信号的时间内，通过控制轮流选通上层电极层的4路多路模拟开关，轮流选通每一纵行电极，并接通电源电压；每间隔30s对所有导电方格依次扫描提取一次特征信号，将得到的各个导电方格的电容经过放大器和滤波器，后续由处理器进行电路处理得到各个导电方格的电容云图。

本发明的第五个目的是本发明所述的智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器在睡眠监测中的应用。

本发明的有益效果：

(1)本发明中设计了针织立体结构，通过衬纬装置实现织物厚度上的变化，通过自动定位纱嘴实现导电部分局部编织，导电方格的大小与形状可以控制定位纱嘴的编织工艺灵活改变。

(2)本发明采用立体提花结构，使非导电纱线在织物正反两面编织形成提花图案，能实现床垫的个性化的设计，这一点其他传感面料都是无法实现的。

(3)本发明中所用针织结构为三明治结构，上下两层为针织物，中间为蓬松未加捻的衬垫纱或具有弹性的线状物，织成的织物具有很好的蓬松效果。

(4)本发明通过将电容传感器矩阵排列，有效监测人体睡眠压力，根据局部压力变化，实现体动、呼吸等生理信号的动态监测；同时还能根据压力分布，判断睡眠姿态，对人体睡眠结构与睡眠质量进行定量分析。

(5)本发明既能形成良好的电容结构，又避免了皮肤直接与导电物质直接接触发生触电的危险；所述柔性传感器在非导电部分仅通过普通纱线编织形成两面提花组织，同时增强织物的保形性与美观性。

(6)本发明在导电部分使用添纱组织，导电纱线为地纱，非导电纱线为面纱，保证了导电性的同时，避免了人体直接与导电纱线接触，防止发生漏电影响睡眠的舒适性与安全性。

(7)人体在睡眠阶段皮肤与床垫长期接触，因此面料上如果采用试剂对传感器进行复合，会增加面料处理的流程使处理既不环保又浪费时间，所用试剂对人体的安全性不能保证。本发明避免了多层复合结构的复杂流程，还可通过更换功能性纱线使传感面料同时具备传感功能与特殊功能，如使用导电纱线作为地纱，吸湿排汗纱线作为面纱，使床垫面料具有良好的吸湿排汗效果，既保证了安全性，又增加了舒适性。

(8)本发明通过原料的选择和合理的组织结构及织造工艺路线，生产智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器，减少了导线的布局，仅通过三层结构实现柔性传感器的数据收集，生产方式简单、绿色、便于实现。

附图说明

图1为实施例1中的智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器的导电方格正面设计图。

图2为实施例1中的智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器的导电方格反面设计图。

图3为实施例2的导电方格正面的局部编织图，区域①为导电方格，使用1,2号纱嘴同时添纱编织；区域②为非导电区域，使用1号纱嘴编织；区域③为导电横条，使用1,3号纱嘴同时添纱编织。

图4为实施例2的柔性传感器中正反导电方格形成的电容式压力传感器局部放大图。

图5为实施例3中单个柔性传感器的传感器应力-电容曲线。

图6为实施例3中单个柔性传感器的传感器应力-应变曲线。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。

实施例1

一种智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器的设计方法，所述的柔性传感器中导电方格的布局如图1、2所示：

所述智能床垫的柔性传感器是在双针床横机上织造，以嵌花组织、局部添纱组织、空气层组织和提花组织复合设计织造而成；

所述柔性传感器导电部分与非导电部分交接使用嵌花结构进行衔接，导电部分使用添纱组织和空气层组织，非导电部分使用双面提花组织，最终形成柔性传感器面料；

所述柔性传感器单元在织物上排列成16×4的矩阵，每个柔性传感器单元由两个导电方格在织物正反两面组成，两个导电方格呈前后正对关系；

所述柔性传感器单元在纵向上排布成四个区域的横列，分别位于头部、胸部、腹部、大腿四个位置。

实施例2

实施例1中的智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器的织造方法：所述的柔性传感器单元的局部编织图如图3所示：柔性传感器同一横列导电方格中各个导电方格与导电横条均分别单独使用独立纱嘴进行编织；

以织物正面编织为例，区域①通过1、2号纱嘴采用局部添纱方式进行定位编织，纱嘴1喂入150D/48F涤纶FDY用做面纱，纱嘴2喂入40D镀银尼龙丝用做地纱，仅在织物正面形成导电方格区域，用于检测电信号；

区域②通过纱嘴1喂纱，使用150D/48F涤纶FDY编织非导电区域，在区域①②交接处与形成嵌花结构，在区域②的中间部分进行双面提花组织编织，连接织物正反面；

区域③采用局部添纱方式进行编织，使用1号纱嘴喂入150D/48F涤纶FDY做面纱，使用3号纱嘴喂入40D镀银尼龙丝做地纱，在织物正面导电方格之间连接成横条区域，用于传输电信号。

所述衬纬纱为1500D/92F涤纶DTY，在正反线圈编织前先将衬纬纱衬入，再由正反线圈将衬纬纱包覆在正反两面织物之间固定。

图4为实施例2的柔性传感器中正反导电方格形成的电容式压力传感器局部放大图。

从图3和图4可以看出：采用双针床横机编织，直接利用导电纱线编织成柔性传感器，充分发挥了立体提花面料的空气层结构的优势，后道工序简单，节省人工成本。同时在柔性传感器四个横列最右侧使用四选一多路模拟开关控制信号的收集，织物反面十六个纵行最下端使用十六个选一多路模拟开关控制信号的收集。

实施例3

采用实施例2制造出来的柔性传感器单元进行传感器性能测试，具体如下：

所述传感器单元的传感面积为5cm×5cm，所属传感器厚度为5mm；

首先使用YF-900压缩仪器对传感器局部施加应力，使用TH2830型电容测量仪器对柔性传感单元的电容进行测量；

所述电容测量仪器测试速度设定为慢速，测试频率采用100kHz，压缩速度为10mm/min。

所述传感器单元在进行电容测量时，记录应力与电容变化数据、应变与应力变化数据，从而得到单个传感器单元的传感器应力-电容曲线(图5所示)，单个柔性传感器的传感器应力-应变曲线(图6所示)；

从图5和图6单个柔性传感器的传感曲线特征可以看出：传感器单元在0-30kPa之间应力-电容、应力-应变基本均呈线性变化关系，为了保证传感器的测试可靠性，单个传感器施加应力应当≤30kPa；

人体睡眠时最大体压约为10kPa，符合传感器的应力-电容线性相关范围，因此可以进行下一步传感器矩阵实验。

实施例4

采用实施例2织造出来的传感器矩阵进行传感器性能测试，具体如下：

通过控制轮流选通下层电极层的16路多路模拟开关，从而轮流选通每一纵行电极，在选通某纵行电极信号的时间内，通过控制轮流选通上层电极层的4路多路模拟开关，轮流选通每一纵行电极，并接通电源电压；每间隔30s对所有导电方格依次扫描提取一次特征信号，将得到的各个导电方格的电容信号。

在规定应力范围内，施加应力与电容信号呈现正相关，电容检测范围在0-20pF之间。

将柔性传感器的信号收集完毕后，经过处理器(放大器和滤波器)与存储器进行数据处理，后续由处理器进行电路处理得到各个导电方格的电容云图，得到的数据经过蓝牙进行无线传输，可以传输到上位机软件或移动电子设备中便于数据随时的调取与监测。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

智能床垫用纬编双向提花结构柔性传感器设计及织造方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。