“感測技術(shù)”課程中智能紡織品傳感器及其教學(xué)設(shè)計(jì)

徐瓏婷， 田娩鑫， 陸小辰， 趙 萍

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 上海 201620)

智能硬件的迅猛發(fā)展賦予了感測技術(shù)新的活力。“感測技術(shù)”為高校自動化專業(yè)的一門主要專業(yè)課程，其教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生了解傳感器技術(shù)和檢測系統(tǒng)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與方法，能夠理解研究應(yīng)具備的知識和能力；了解常見傳感器和檢測技術(shù)，掌握其基本概念及原理，并熟悉其測量方法；能夠基于工程相關(guān)背景知識進(jìn)行合理分析，評價專業(yè)工程實(shí)踐和復(fù)雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。目前感測技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如文獻(xiàn)[1]運(yùn)用光纖感測技術(shù)對隧道內(nèi)的管片接縫變形、道床變形進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)出現(xiàn)異常情況即可及時處理，以保障人民的生命財產(chǎn)安全。

隨著紡織學(xué)科以及電子信息學(xué)科的持續(xù)發(fā)展，人們對智能紡織品的期待越來越高。將自動化、生物、材料等新興技術(shù)融入傳統(tǒng)紡織品，在保留傳統(tǒng)紡織品柔軟、耐水洗、易變形等特性的基礎(chǔ)上，賦予其新的特性和功能，例如感知、反饋、自診斷等功能，其中最關(guān)鍵的感知功能是通過傳感器實(shí)現(xiàn)的。傳感器與紡織品結(jié)合后可用于監(jiān)測壓力、溫度、濕度、相對位移、脈搏等參數(shù)變化，把感測到的信號變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺魉徒o嵌入紡織品的控制器，控制器及時做出反饋和相應(yīng)的動作，既給個人生活帶來了便利，又滿足了多種專業(yè)領(lǐng)域的需求。

一、“感測技術(shù)”課程概況

“感測技術(shù)”是我校(東華大學(xué))電子工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，開設(shè)在第二學(xué)期，共32學(xué)時，2學(xué)分。課程內(nèi)容包括：現(xiàn)代傳感器與檢測技術(shù)概述及發(fā)展趨勢，測量數(shù)據(jù)的誤差分析，電參量檢測技術(shù)的方法與原理，常用溫度傳感器，壓力、視覺、光纖等檢測技術(shù)的原理，各類傳感器及其應(yīng)用實(shí)例。

我校是一所以紡織服裝為特色的高等院校，具有雄厚的紡織學(xué)科基礎(chǔ)，紡織科學(xué)與工程學(xué)科是首批國家“雙一流”建設(shè)學(xué)科。多學(xué)科的融合創(chuàng)新是未來研究的一大趨勢，將紡織技術(shù)和感測技術(shù)進(jìn)行深度融合創(chuàng)新，共同推進(jìn)兩門學(xué)科的發(fā)展與建設(shè)是值得研究的課題。傳感器是智能紡織品的關(guān)鍵組成部分，在“感測技術(shù)”課程教學(xué)中引入智能紡織品傳感器相關(guān)知識是十分必要的。教學(xué)內(nèi)容如圖1所示。

圖1 “感測技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容

二、智能紡織品傳感器分類及特點(diǎn)

智能紡織品是將微電子、電子信息、生物等學(xué)科知識進(jìn)行創(chuàng)新融合并應(yīng)用于紡織品而形成的一種新型紡織品[2]。智能紡織品既保留了傳統(tǒng)紡織品柔軟、舒適等特點(diǎn)，又能對外界環(huán)境的變化做出動態(tài)感應(yīng)和反應(yīng)[3]。常見的智能紡織品有保濕控溫、隨機(jī)變色、電子智能等紡織品。目前智能紡織品在很多高新技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如醫(yī)療健康、航空航天、運(yùn)動、通信、消防等。

智能紡織品的主要組成部分為導(dǎo)電纖維、傳感器及控制單元。智能紡織品的感知功能是由傳感器實(shí)現(xiàn)的，傳感器與導(dǎo)電纖維結(jié)合，用于檢測壓力、濕度、溫度、pH等參數(shù)，把感知到的信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，通過導(dǎo)電纖維將電信號傳遞給控制單元，控制單元根據(jù)信號及時做出反應(yīng)。

智能紡織品常采用柔性導(dǎo)電纖維和柔性傳感器作為基本材料，例如運(yùn)用鍍膜、印刷等工藝將柔性電子元件與柔性導(dǎo)電材料進(jìn)行組合配置，由于兩者本身具有良好的材料特性，使得柔性智能紡織品具有安全舒適、輕薄、可水洗等特點(diǎn)，能夠很好地滿足人們對智能紡織品的需求。目前用于智能紡織品的柔性傳感器主要有光纖、電感式、壓電式、電容式及壓阻式等傳感器[3]。

1. 柔性光纖傳感器

柔性光纖傳感器是利用光纖的敏感特性把被測物理量轉(zhuǎn)換成光波的振幅、相位、波長變化的傳感器[3]。相較于電傳感器，光纖傳感器具有質(zhì)量輕、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在醫(yī)療領(lǐng)域的高磁場環(huán)境具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，例如心率測量和呼吸頻率監(jiān)測等。柔性光纖傳感器除了能感知壓力、溫度、振動等信號外，還可感知拉伸力以及位置的變化，比如測量肌膚與衣物的相對位移或者隨呼吸變化的微小應(yīng)變信號。

2. 柔性電感式傳感器

電感式傳感器利用電磁感應(yīng)將非電量的變化量轉(zhuǎn)化為線圈的互感系數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)由物理參數(shù)到電參數(shù)的轉(zhuǎn)換[4]。柔性電感式傳感器的傳感線圈常采用電阻率低的導(dǎo)電纖維材料，相比金屬材質(zhì)的線圈，導(dǎo)電纖維材料使人的體感更加舒適。柔性電感式傳感器具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，監(jiān)測人體動態(tài)參數(shù)時有其獨(dú)特的優(yōu)勢。但在高磁場環(huán)境中電感傳感器會失靈，因此不宜用于高頻動態(tài)測量。

3. 柔性壓電式傳感器

壓電式傳感器是利用敏感元件受力產(chǎn)生電荷的原理制成的傳感器，其電荷量與所受力的大小成正比關(guān)系。偏聚氟乙烯(PVDF)作為性能良好的敏感元件，其壓電系數(shù)高且耐磨耐熱，常作為柔性壓電傳感器的敏感元件[4]。其他敏感元件包括陶瓷纖維、復(fù)合導(dǎo)電薄膜等，它們具有靈敏度高、質(zhì)量輕、加工性能良好、動態(tài)性能優(yōu)良等特性，在工程力學(xué)、電聲學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

4. 柔性電容式傳感器

電容式傳感器的傳感元件由各類電容器構(gòu)成，將測得的物理量轉(zhuǎn)換為電容存量，外界物理量的變化使得電容器起始狀態(tài)發(fā)生改變。柔性電容式傳感器通常采用柔性材料作為電容器的兩個平行極板，間隔層常以橡膠等彈性材料填充[4]。將柔性傳感器嵌入智能紡織品中，制作成能感知外界壓力或剪切力變化、柔軟易變形、空間分辨率高的智能紡織品，以便實(shí)現(xiàn)對微小靜態(tài)外力的檢測。

5. 柔性壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是利用壓阻效應(yīng)與集成電路技術(shù)制成的傳感器。傳感材料在受到壓力的情況下具有導(dǎo)電性，其緣由是內(nèi)部金屬粒子的轉(zhuǎn)移，通過測量電阻的變化從而推斷壓力變化的大小[5]。傳統(tǒng)柔性壓阻式傳感器常由半導(dǎo)體硅和鍺構(gòu)成，隨著材料科學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，開發(fā)出許多靈敏系數(shù)大、分辨率高、柔軟的壓阻材料，例如碳系材料和石墨烯構(gòu)成的復(fù)合型材料，用于感知外界的壓力、加速度等參數(shù)，被廣泛用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[6]。

三、智能紡織品傳感器的教案設(shè)計(jì)

為了更好地將智能紡織品傳感器的相關(guān)知識引入“感測技術(shù)”課程教學(xué)，我們根據(jù)上述智能紡織品傳感器的分類與特點(diǎn)進(jìn)行教案設(shè)計(jì)。下面從教師準(zhǔn)備、學(xué)生準(zhǔn)備、教學(xué)目標(biāo)、主要學(xué)習(xí)內(nèi)容、教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)、教學(xué)方法等方面介紹教案的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

1.教師準(zhǔn)備

教師選擇合適的教學(xué)媒體并制作柔性傳感器的課件；設(shè)計(jì)智能紡織品的概念圖；深入學(xué)習(xí)并理解柔性傳感器相關(guān)知識，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行備課；合理安排柔性傳感器的教學(xué)內(nèi)容及應(yīng)用案例，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

2.學(xué)生準(zhǔn)備

學(xué)生課前預(yù)習(xí)智能紡織品相關(guān)內(nèi)容，大致了解柔性傳感器知識；及時完成教師布置的作業(yè)和任務(wù)。

3.教學(xué)目標(biāo)

通過本課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解智能紡織品的概念，知悉智能紡織品的主要應(yīng)用領(lǐng)域及所發(fā)揮的作用；了解柔性傳感器種類及其特性，分析比較傳感器特性，并推斷其適合的應(yīng)用領(lǐng)域；激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，在學(xué)習(xí)柔性傳感器知識的過程中，結(jié)合現(xiàn)有最新的傳感器研究成果和已有的認(rèn)知水平，對未來傳感器的研究方向提出大膽設(shè)想，對柔性傳感器的物理特性提出改進(jìn)方法。

4.教學(xué)內(nèi)容

主要教學(xué)內(nèi)容包括：智能紡織品的概念，以及相比于普通紡織品所具有的優(yōu)勢和特點(diǎn)；智能紡織品的發(fā)展、現(xiàn)有成果和主要應(yīng)用領(lǐng)域；智能紡織品的組成以及柔性傳感器；柔性傳感器的種類，各類柔性傳感器的原理、特點(diǎn)以及主要應(yīng)用場景。

5.教學(xué)重點(diǎn)

柔性傳感器的種類，包括各類柔性傳感器的特性及主要應(yīng)用領(lǐng)域；智能紡織品的種類，包括各類智能紡織品所涉及的專業(yè)領(lǐng)域及其發(fā)展前景。

6.教學(xué)難點(diǎn)

調(diào)動學(xué)生對柔性傳感器的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)其創(chuàng)造性思維；對未來柔性傳感器性能提出改進(jìn)，啟發(fā)學(xué)生暢想未來發(fā)展前景。

7.教學(xué)方法

PPT課件介紹各類傳感器的相關(guān)知識，包括各類傳感器的定義和相關(guān)應(yīng)用場景。在教學(xué)過程中，為了活躍課堂氣氛，教師針對傳感器知識提出問題，讓學(xué)生回答，提升學(xué)生注意力。把學(xué)生分成幾個小組，引導(dǎo)小組進(jìn)行討論，如傳感器還適合應(yīng)用于哪些場景，還能對傳感器的哪些特性進(jìn)行改進(jìn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動力。

四、結(jié)語

柔性傳感器功能的創(chuàng)新和升級賦予了智能紡織品巨大潛力，使其具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。各類柔性傳感器除了要滿足人們?nèi)粘；顒拥幕疚锢砹繙y量外，還要進(jìn)一步拓寬其測量的范圍，并及時反饋到攜帶的可移動設(shè)備上，滿足消費(fèi)者對智能紡織品的進(jìn)一步要求。智能紡織品的技術(shù)日新月異，在“感測技術(shù)”課程教學(xué)中引入智能紡織品傳感器相關(guān)知識，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)最新的傳感器技術(shù)，拓寬知識面，提高新技術(shù)應(yīng)用能力。