随着纺织科学与技术的发展,纺织物的双重功能特征日渐明显,即传统穿着物基体和具有传感表征功能特征的织物发展迅猛,并逐渐取代植入式传感器成为真正意义一物同质、同形的双功能织物。集传感材料、信息科学、数据处理与存储及人体工学为一体的智能感受织物“人工皮肤”已经成为高技术纺织领域的研究热点方向。基于目前市场传感器通常为刚性器件,如何将电子器件柔性化、可穿戴化、绿色化是亟需解决的问题。因此,本课题采用表面金属镀层长丝为本征敏感材料,辅以弹簧鞘复合线特殊结构优势,构建了以电阻、电感为检测信号的功能性力学传感器,对其传感机制、结构与性能的相关性进行了理论建模与实验验证,并成功应用于人体关节弯曲等运动信号和人体呼吸等健康信号的监测,以及人体动作和形体的三维重构,实现了力学柔弹性和皮肤共形性产品的设计,具有重要的学术价值和社会效益。首先,本文采用自制包缠纺纱系统制备了以镀银锦纶长丝为鞘、氨纶长丝为芯的复合线,对不同捻度弹簧鞘复合线的表面形貌和力-电学行为进行了表征和分析,并建立了与实验结果一致性较好的复合线静动态拉伸力学模型,在此基础上对复合线的导电机制进行了探讨。通过原位观察不同捻度弹簧鞘复合线静动态表面形态,验证了所制备弹簧鞘复合线鞘层包缠结构的均一稳定性。结合几何结构模型分析得到弹簧鞘螺旋线圈单元临界接触捻度在472~649(捻/10cm)之间,实验验证结果与理论值吻合度高,验证了模型的准确性并为后续获得高灵敏度传感器提供了理论指导。弹簧鞘复合线在100%应变内的力学行为表现出典型的非线性拉伸力学行为,且弹簧鞘复合线捻度与模量呈正相关关系。同时通过动态力学测试,得到弹簧鞘复合线在拉伸应变振幅10μm内的动态力学性质与氨纶芯纱较为接近,复合线储能模量E′在0℃损失率达到96%。对弹簧鞘复合线在0~10%应变范围内进行6000次循环拉伸,采用双对数线性模型分析得到变形作用下应力与疲劳寿命关系符合衰减指数关系,明晰了弹簧鞘复合线在静、动态载荷作用下的变形特征。并进一步建立弹簧鞘复合线粘弹性模型,优选出复合线非线性拉伸力学行为的三元件结构模型,计算相关结构参数并与实验结果进行对比验证。分析了复合线导电通道的组成及影响因素,明晰了不同捻度弹簧鞘复合线螺旋线圈单元接触状态及其对导电性的贡献,并提出不同捻度复合线的电阻计算模型,为可调控式复合传感系统的设计提供了思路。基于弹簧鞘复合线进一步构建了高灵敏度电阻传感器,理论分析了不同捻度弹簧鞘复合线受拉伸时的电阻变化机制,表征了弹簧鞘复合线基传感器的灵敏度、线性度、响应时间及稳定性等性能,并剖析了结构参数对复合线基传感器性能的影响。得出复合线电阻变化的三个主导机制分别为螺旋线圈之间接触状态、鞘层复丝中堆叠纤维的展开和鞘层复丝的伸长。捻度为450~900(捻/10cm)的弹簧鞘复合线在0%~100%应变范围内具有明显的电学响应。弹簧鞘复合线基电阻传感器灵敏度在726捻/10cm时达到最大值64,电信号响应线性度在捻度为450捻/10cm时最优,非线性度为0.11%。弹簧鞘复合线的电阻传感器在800次循环拉伸时电信号响应稳定,电阻变化振幅变化不显著,表面锦纶表面所镀银层稳定未产生明显损伤,复合线循环往复测试中电阻的变化主要取决于应变变化,力学疲劳损伤对复合线电阻变化影响不明显。此外,利用弹簧鞘复合线的特殊结构优势,以氨纶弹性纱线为芯纱、聚酯涂层铜丝为鞘层制备了一种弹簧鞘复合线电感,通过测量复合线的力学行为及电学行为,验证了复合线电感作为自感式及互感式传感器的有效性和可靠性。分析了弹簧鞘复合线电感在拉伸作用下的应力-应变关系,进一步对粘弹性力学行为进行了实测和理论建模分析。根据弹簧鞘复合线电感在拉伸过程中的电信号变化,求得电感变化率-应变特征关系曲线,得到弹簧鞘复合线电感传感器灵敏度与芯纱根数呈正相关关系。在0%~40%,60%~100%的应变范围内对电感变化率进行线性拟合,拟合相关度均大于0.99,表明在此阶段内线性度良好。基于弹簧鞘复合线的电感传感器在拉伸力作用下,具有即时稳定的电感信号输出。进一步利用复合线电感与相邻电感之间的互感效应,实现了复合线拉伸应变的无线无源检测。当复合线电感穿过外部读取线圈时求得电感回路的谐振频率为191MHz。复合线电感拉伸应变增大引起的复合线电感值减小导致了谐振回路中谐振频率的增大,谐振频率向右偏移。复合线电感拉伸时的谐振频率在拉伸作用下灵敏度为0.28MHz/KPa。借助于读取线圈之间产生的电感耦合,通过对谐振频率的测试实现了拉伸位移的无线无源检测。将弹簧鞘复合线传感器与服装本体进行结合,实现了人体关节弯曲等运动信号及人体呼吸等健康信号的监测,以及人体动作和形体的三维重构和虚拟试衣系统人体模型的构建。在运动信号监测方面,将弹簧鞘复合线贴合在手指指背处,当手指从0°分别弯曲至30°,60°,90°时,复合线基传感器产生不同大小的电阻信号量,传感器亦可用于手指手势识别、手肘和手腕等关节的弯曲和回复的动作监测;在人体健康信息采集方面,当志愿者身着腹部位置缝制有弹簧鞘复合线传感器的紧身服装时,监测的志愿者呼吸频次与传统呼吸功能监测仪结果一致;在人体运动及形态的三维重构方面,通过调用电阻信号与人体运动或体型信号的对应关系,实现了与实际结果高度一致的人体模型的建立与重构。揭示了基于弹簧鞘复合线的力学传感器的可靠性及其在对人体运动实时监测、健康信息采集及人体三维模型重构等领域的应用潜力。本课题比较系统地分析了弹簧鞘复合线的受力变形机理、力学性能及导电机制,分析了基于弹簧鞘复合线的应变传感器的拉伸-电阻、电感行为及传感机制,通过对弹簧鞘复合线传感器的结构成形、机理分析及其在智能穿戴的多样化应用进行分析,为具有柔性传感功能的服装设计提供了方法和理论依据,同时为具有高灵敏度弹簧鞘复合线传感器的设计提供了预测力-电模型,丰富了传感器在检测人体运动及健康信息、人体形态重构的等智能纺织品领域的应用。