文摘

介绍EIT-based织物传感器,旨在提供一个压力映射使用当前携带和电压传感电极附着在织物片的边界。Pressure-induced形状变化的传感器区域使电导率分布的变化可向边界电流电压的变化数据。这个边界数据是通过在EIT电极测量系统。相应的逆问题是重构压力和变形映射之间的关系从织物上的应用电流和测量电压边界。利用EIT提供动力的电导率变化的图像由于压力引起的形状变化,地图可以估计的压力。摘要EIT-based织物传感器提出了圆形和矩形传感器几何。一段敏感织物用于循环和16个电极传感器,压力敏感织物用于矩形与32电极传感器。人类测试进行了初步的矩形传感器脚压力映射显示出可喜的成果。

1。介绍

电阻抗断层成像(EIT)是一个快速和具有成本效益的技术提供层析电导率从边界电流电压数据的主题形象。时差EIT技术可用于图像电导率变化织物传感器(1]。当压力应用到织物补丁(保存在一个框架的边界保持一个固定的边界和电极位置),提出导电织物的导电率的变化与压力越来越大或织物的变形。压力诱导的形状变化的传感器区域更改电导率分布;电导率分布的变化导致在EIT系统电流电压的变化数据。EIT系统显示电导率变化的图像边界的电流电压数据测量织物补丁。最后,电导率的压力分布可以估计图像。

压力映射可以完成各种测量方法:电容的方法(2,3],压电法[4- - - - - -6],归纳法[7- - - - - -9),光电方法(10- - - - - -12]。压力映射技术有广泛的应用,包括在生物力学和触摸感应门和压力监测机器人(13- - - - - -15]。的电阻率变化对压力传感区域可以提供另一种方法映射,因此EIT有可能被用作压力映射成像工具。工业、地球物理和医学应用的EIT成像是众所周知的事情。EIT作为映射成像方法非常新的压力。最初的想法施加EIT-based压力传感的褥疮,Reddy推出了et al。16]和1993年富尔顿和Lipczynski [17]。然而,实验试验(16,17)不是非常成功,部分原因是缺乏适合EIT压力传感器的导电材料。在[18),提出了一种理论模型,基于结构EIT。电活性纺织品正在迅速发展在过去的几年中由于商业利益激增可穿戴的纺织品。哈桑et al。19)提出了一种基于结构的电磁感应传感器作为人工机器人皮肤。进一步进行图像质量分析聚合物织物EIT在[20.]。

摘要EIT-based织物传感器的基础数学框架解释并执行各种实验可行性研究的使用EIT-based织物传感器的改进版本。本研究的主要目的是显示当前一代的压力的能力和限制映射EIT系统和方法。最后相关的科学挑战织物EIT已经突出显示。

2。数学模型

EIT-based压力的数学框架映射成像可以简要地解释道。让织物占领二维域 与它的边界 。在外围 织物的电极相连 , 。1 mA电流注入在1 kHz的频率较低,选择一对相邻的电极 和 )来产生潜在的织物 。那么由此产生的潜在 满足 与边界条件(21] 在哪里 织物的电导率分布, 有效接触阻抗在哪里 , 是单位外法线向量, 是潜在的 。电导率的分布是反映测量数据:

电导率的扰动 可以通过线性化重建算法通过计算 在哪里 测量数据的扰动, 雅可比矩阵, 是正则化矩阵, 是正则化参数。计算雅可比矩阵用有限元方法(FEM):每个元素包含一个针织结构和细胞的数量 在每个元素被认为是一个常数,是这些组合的平均电导率细胞,包括空气和纱线。下面的流程图总结如何与电压变化的压力 : 逆问题是反转这个过程。

3所示。实验结果

3.1。EIT硬件和织物传感器

国家仪器虚拟仪器基本EIT系统设计数据采集和多路复用器对EIT激励和测量电路是捏造的。图1显示了拟议的EIT硬件系统框图。多路复用器1提供励磁电流的电极和多路复用器2获得电压测量。这是一个简单的EIT 40 dB设计的信噪比(1]。


图1
EIT硬件的原理图。

通过收购两组不同的电压测量数据,重建软件是用来做一个时差图像重建。评估的可重复性和可靠性fabric-EIT系统,进行了大量的实验。

的导电材料被使用在先前的研究中,例如,硅树脂的导电胶与Ag填充剂(18[]或polymer-carbon-nanotube复合材料20.,22]。在这项研究中现成的导电织物叫做EeonTex导电织物的型号EeonTex LR-SL-PA-10E5 [23)是用于一个圆形织物传感器。这个面料是针织尼龙/氨纶涂有导电配方。这种织物的表面电阻率是105 每平方米。这是一个可伸缩的传感器显示良好的弹性和电气性能。

广场上的材料传感器nw170 - sl - pa - 1500 (24),这也是Eeonyx开发的公司。它是一种超细纤维非织造材料与导电涂层配方,通过产品信息表上的描述,它是专为应用程序与一个动态压力传感要求。这种材料的表面电阻率是1500 每平方米±15%。

3.2。圆形织物传感器

第一个实验是为了分析16通道循环织物传感器的性能。传感器由三个主要部分组成:一个木制框架,织物材料,电极。框架是由两个木环与织物的一个顶部和底部的另一个,它被用来保持织物的补丁。16相同的电极被放置在两个木戒指,是等距的。泡沫层用于保护导电织物不受损坏。

图2显示了压力实验结果接近成像区域的边界。实验是在四个步骤完成,首先是500克体重逐渐增加重量2000克。重建图像显示的位置应用的压力。彩条尺度的图像也显示相对于体重变化。









图2
在边界压力点。

第二组的测试进行了中间的传感器灵敏度最低的地方,如图3。这里500克样品没有产生一个有意义的形象。1000克重量的结果显示失真的压力位置但由于中央位置是最敏感的区域。改善可以观察到更大的重量。彩条的图像显示的规模相对于体重变化。虽然不可能宣称比例图像比例尺和体重之间变化,看到重建的规模是有前途的电导率遵循权重。





图3
压力点成像的核心区域。

是有用的系统如何执行多个位置的压力。图4显示重建的1、2、3、4、5点的压力。可以看出,中心在过去的实验中的第五个对象不能被重建,这表明中部的低灵敏度成像区域。











图4
多个压力重建。
3.3。方形织物传感器

更大的方形传感器是人类开发的研究领域。32路EIT系统被用于映射在不同织物的压力。w170 - sl - pa - 1500被用作压敏织物在这项研究。这个传感器可以减少潜在的滞后效应的降低拉伸因为没有大规模应用可能会发生变形,当压力。一个木制框架用于电极的精确定位。第一个测试是观察广场的功能织物传感器感知各种压力点。重建结果如图5类似的观察,圆形的传感器。图6表明500克样品不能被检测到,而1000克样品中检测出中部和边界地区。









图5
广场传感器。








图6
与中央广场传感器和边界点的压力。
3.4。初步的人类应用程序测试

第一个人类志愿者实验进行了映射成像对脚的压力。传感器不需要直接接触人的脚是完全安全的测试。成像结果如图7。测试进行单脚和两只脚的年轻的志愿者。第一个图像显示的位置右脚的志愿者。第二个实验的左脚迅速搬到传感区域。仍有强大压力的右脚,这可以是一个滞后效应的传感器或倾向志愿者保持更高级别的右脚来保持他们的平衡压力一样单脚实验。第三个实验是当志愿者移动双脚的织物。图像显示了双脚类似压力的映射。







图7
初步的人类应用程序。

4所示。讨论和结论

摘要EIT-based织物提出了传感器和测试。对象的中部地区,由此产生的图像是不太清楚该地区靠近电极相比,由于更高的灵敏度。在许多EIT的传统应用,进入中央成像区域是不可能的。在基于结构EIT,可以包括一个或多个电极成像区域内,从而提高成像区域中部的敏感性。

织物导电率的变化应对pressure-induced形状变形。EIT系统提供了一个实时成像的电导率分布的变化。电导率分布的改变可以被看作是一个非线性函数的形状变化可表示为一个纵向位移。纵向位移是由压力分布,边界几何,织物的弹性性质。位移计算通过求解泊松方程齐次狄利克雷边界条件。这些机电模型需要开发以达到更好的理解织物EIT未来可能的应用程序。圆形织物传感器显示承诺单个和多个对象的检测能力,而长方形的角落附近的传感器显示出一些文物。边界附近的一个扰动数据相对敏感电极,虽然离电极局部扰动不敏感。在长方形的传感器,即使我们应用一个地方压力远离角落,它可能产生突然扰动在角落附近。这个问题应该通过仔细分析为了开发健壮的重建算法从EIT数据可视化压力分布。 Our future research includes multifrequency EIT-based pressure sensing imaging. Since the modal structure of the fabric-based sensor is not entirely pure resistant, measurement of permittivity can be useful, particularly for capacitive effect in the contact nodes, and the change the deformation of the structure can provide valuable information.

承认

作者要感谢年轻的志愿者丹尼尔Soleimani参加初步测试应用程序。j·k·Seo是韩国国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府资助(最高明的)。2011 - 0028868 (2012 r1a2a1a03670512)。