Influence of Rib Structure and Elastic Yarn Type Variations on Textile Piezoresistive Strain Sensor Characteristics

• Autorzy: Raji R. K. , Miao X. , Zhang S. , Li Y. , Wan A.

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0012.2527

Warianty tytułu

PL

Wpływ struktury dzianiny i rodzaju przędzy elastycznej na charakterystykę piezorezystywnego czujnika tekstylnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Production parameters have been established to play a fundamental role in dictating the physical characteristics and sensing properties of knitted sensors. This research studied the influence of elastic yarn type and rib fabric structure variation on the physical, tensile and conductive properties and sensitivity performance of knitted underwear strain sensors to be used for breathing mensuration. Four different structures in 1×1, 1×2, 1×3 and 2×2 mock ribs were knitted using covered elastic (CY) and bare strand elastic yarn (BS) combinations. These two parameters proffered unique physical, conductive and tensile characteristics to the samples. Wear and machine tests were conducted to ascertain the sensor’s piezoresistive responses. The machine test showed a higher piezoresistive response, with an average peak value (APV) from 1.70 Ω to 0.24 Ω, while those for the wear test recorded were around 0.0110 Ω to 1.867 Ω for all sample categories. However, sensors knitted with covered elastic yarns produced the best breathing test results (APV of 1.089 Ω – 1.86 Ω) compared to bare strand elastic yarns (APV 0.0027 Ω – 0.0790 Ω) when used in a wearable environment. Fabric structure variation had influences on both conductive and tensile characteristics; however, the effects on the piezoresistive response were negligible. The influences of the unique characteristics provided by these core parameters on sensor resistance values, piezoresistance, aging, ease of deformation and dimensional stability have also been discussed.

PL

W pracy badano wpływ struktury dzianiny i rodzaju przędzy na właściwości fizyczne, rozciągające i przewodzące oraz czułość dzianinowych czujników umieszczonych w wyrobach bieliźnianych. Czujniki mają znaleźć zastosowanie w pomiarach napięcia oddechowego. Badaniom poddano cztery różne dzianiny: 1 × 1, 1 × 2, 1 × 3 i 2 × 2, w procesie dziania wykorzystano kombinacje przędz elastycznych powlekanych (CY) i niepowlekanych (BS). Dało to unikalne właściwości fizyczne, przewodzące i rozciągające próbki. W celu ustalenia reakcji piezorezystywnych czujnika przeprowadzono dwa rodzaje testów. Test maszynowy wykazał wyższą reakcję piezorezystywną, ze średnią wartością szczytową (APV) od 1,70 Ω do 0,24 Ω, podczas gdy dla testu zużycia zarejestrowano około 0,0110 Ω do 1,867 Ω dla wszystkich kategorii próbek. Jednakże, czujniki dzianinowe z powleczonymi przędzami elastycznymi dały najlepsze wyniki testu oddychania (APV o wartości 1.089 Ω – 1.86 Ω) w porównaniu do niepowleczonych przędz elastycznych (APV 0,0027 Ω – 0,0790 Ω), podczas stosowania ich w środowisku noszenia. Zmiana struktury dzianiny miała wpływ na właściwości przewodzące i rozciągające, jednak wpływ na reakcję piezorezystywną był znikomy. Omówiono również wpływ unikalnych cech tych podstawowych parametrów na wartości rezystancji czujnika, odporność na piezorezystencję, starzenie, łatwość deformacji i stabilność wymiarową.

Słowa kluczowe

EN

strain sensor; sensitivity; piezoresistance; elastic yarn; weft knitting

PL

czujnik odkształcenia; czułość; odporność na piezorezystancję; elastyczna przędza; dzianie wątku

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Łódzki Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Fibres & Textiles in Eastern Europe
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 26, no. 5 (131)
• Strony: 24--31
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Raji R. K.

• Ministry of Education, Jiangnan University, Engineering Research Center of Knitting Technology, Wuxi, P.R. China

autor

Miao X.

• Ministry of Education, Jiangnan University, Engineering Research Center of Knitting Technology, Wuxi, P.R. China

autor

Zhang S.

• Ministry of Education, Jiangnan University, Engineering Research Center of Knitting Technology, Wuxi, P.R. China

autor

Li Y.

• Ministry of Education, Jiangnan University, Engineering Research Center of Knitting Technology, Wuxi, P.R. China

autor

Wan A.

• Ministry of Education, Jiangnan University, Engineering Research Center of Knitting Technology, Wuxi, P.R. China

Bibliografia

• 1. Wijesiriwardana R. Inductive fiber-meshed strain and displacement transducers for respiratory measuring systems and motion capturing systems. IEEE Sensors Journal 2006; 6(3): 571-9.
• 2. Waqas Qureshi, Li Guo, Joel Peterson, Adib Kalantar Mehrjerdi, Skrifvars M. Knitted wearable stretch sensor for breathing monitoring application. Ambience; Borås, Sweden, 2011: 1-5.
• 3. Asli A, Ozgur A, Muhammad DH, Anura F, Prasad P. Piezofilm yarn sensor-integrated knitted fabric for healthcare applications. Journal of Industrial Textiles 2016; 47(4): 50521.
• 4. Grillet A, Kinet D, Witt J, Schukar M, Krebber K, Pirotte F, et al. Optical Fiber Sensors Embedded Into Medical Textiles for Healthcare Monitoring. IEEE Sensors Journal 2008; 8(7): 1215-22.
• 5. Frutiger A, Muth JT, Vogt DM, Menguc Y, Campo A, Valentine AD, et al. Capacitive Soft Strain Sensors via Multicore–Shell Fiber Printing. Advanced Materials 2015; 27(15): 2440-6.
• 6. Ehrmann A, Heimlich F, Brucken A, Weber M, Haug R. Suitability of Knitted Fabrics as Elongation Sensors Subject to Structure, Stitch Dimension and Elongation Direction. Textile Research Journal 2014; 84(18): 1-16.
• 7. Gal Y, inventor; adidas AG (Herzogenaurach, DE), assignee. Sensors for inductive plethysmographic monitoring applications and apparel using same. US patent 8777868. 2014.
• 8. Zhou J, Gu Y, Fei P, Mai W, Gao Y, Yang R, et al. Flexible Piezotronic Strain Sensor. Nano Letters 2008; 8(9): 3035-40.
• 9. Hoffmann K. An Introduction to Stress Analysis and Transducer Design using Strain Gauges. HBM Test and Measurement. hbm.com: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH; 2016, p. 10-1.
• 10. Raji RK, Miao X, Boakye A. Electrical Conductivity in Textile Fibers and Yarns-Review. AATCC Journal of Research 2017; 4(3): 8-21.
• 11. Atalay O, Kennon W, Husain M. Textile-Based Weft Knitted Strain Sensors: Effect of Fabric Parameters on Sensor Properties. Sensors 2013; 13(8): 11114-27.
• 12. Ozgur A, Kennon WR. Knitted Strain Sensors: Impact of Design Parameters on Sensing Properties. Sensors 2014;14(3):4712-30.
• 13. Kaldor J, James D, Marschner S. Simulating knitted cloth at the yarn level. ACM Transactions on Graphics 2008;27(3):65.
• 14. Fatkić E, Geršak J, Ujević D. Influence of Knitting Parameters on the Mechanical Properties of Plain Jersey Weft Knitted Fabrics. FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe 2011; 19, 5(88): 87-91.
• 15. Xie J, Long H. Equivalent resistance calculation of knitting sensor under strip biaxial elongation. Sensors and Actuators A-physical 2014; 220: 118-25.
• 16. Hu J, Lu J. Recent developments in elastic fibers and yarns for sportswear In: Shishoo R, editor. Textiles for Sportswear: Woodhead Publishing; 2015. p. 53-76.
• 17. Eltahan EAE, Sultan M, Mito A-B. Determination of loop length, tightness factor and porosity of single jersey knitted fabric. Alexandria Engineering Journal 2016; 55(2): 851-6.
• 18. Marmarali AB. Dimensional and Physical Properties of Cotton/Spandex Single Jersey Fabrics. Textile Research Journal 2003; 73(1): 11-4.
• 19. Herath CN, Kang BC. Dimensional Stability of Core Spun Cotton/Spandex Single Jersey Fabrics under Relaxation. Textile Research Journal 2008; 78(3): 209-16.
• 20. Atalay O, Tuncay A, Husain MD, Kennon WR. Comparative study of the weft-knitted strain sensors. Journal of Industrial Textiles 2015; 46(5): 1212-40.
• 21. Nozoe M, Mase K, Takashima S, Matsushita K, Kouyama Y, Hashizume H, et al. Measurements of chest wall volume variation during tidal breathing in the supine and lateral positions in healthy subjects. Respiratory Physiology & Neurobiology 2014; 193 (Supplement C): 38-42.
• 22. Kaneko H, Horie J. Breathing movements of the chest and abdominal wall in healthy subjects. Respiratory Care 2012; 57(9): 1442-51.
• 23. Mohan V, Dzulkifli NH, Justine M, Haron R, H LJ, Rathinam C. Intrarater Reliability of Chest Expansion using Cloth Tape Measure Technique. Bangladesh Journal of Medical Science 2012; 11(4): 307-11.
• 24. Hammer J, Newth CJL. Assessment of thoraco-abdominal asynchrony. Paediatric Respiratory Reviews 2009; 10(2): 75-80.
• 25. Fadel PJ, Barman SM, Phillips SW, Gebber GL. Fractal fluctuations in human respiration. Journal of Applied Physiology 2004; 97(6): 2056-64.
• 26. Atalay O, Kennon WR, Demirok E. Weft-Knitted Strain Sensor for Monitoring Respiratory Rate and Its Electro-Mechanical Modeling. IEEE Sensors Journal 2015; 15(1): 110-22.
• 27. Senthilkumar MN. A. Elastane fabrics—A tool for stretch applications in sports. Indian Journal of Fibre and Textile Research 2011; 36(3): 300-7.
• 28. Mukhopadhyay A, Sharma IC, Mohanty A. Impact of lycra filament on extension and recovery characteristics of cotton knitted fabric. Indian Journal of Fibre & Textile Research. 2003; 28(4): 423-30.