CN105866170B - 一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置，其特征在于，包括皮肤模拟元件，皮肤模拟元件与传感器外壳匹配连接，传感器外壳嵌在支撑板内，皮肤模拟元件的表面与贯穿皮肤模拟元件和传感器外壳的热电偶的探头部分粘接，传感器外壳的顶部与把手的底部匹配连接。本发明可用于模拟皮肤在闪火热环境条件下的动态反应，并通过皮肤模拟材料表面的温度信息采集，获得皮肤表面的热流密度信息。

Description

一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置

技术领域

本发明涉及一种模拟皮肤表面热流密度的传感器装置，尤其涉及一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置，属于服装工程领域。

背景技术

在ASTM F2731，ASTM F1930，ISO 13506等热防护服装测试标准中，多使用皮肤烧伤预测的方法评价防火阻燃服装的热防护性能。由于无法通过人体测试来预测烧伤，需要依靠仪器设备模拟人体皮肤对热环境的响应。因此正确获得人体皮肤表面的热流密度或温度信息，是正确评价防火阻燃服装热防护性能的重要前提。然而目前的相关测试及研究中多采用铜片热流计进行热信息的采集，实际上，铜和人体皮肤的热学性能相差很大，例如，铜的导热系数为401W/(m·℃)，远远大于人体皮肤的导热系数0.255～0.523W/(m·℃)。因此，需要采用更好的皮肤模拟材料来模拟人体皮肤。

1957年，Williams等人将铜与空气做成夹层结构，从而降低模拟材料的导热性能。但是这种方法的制作工艺非常复杂，限制了其应用范围。之后有国内外学者提出使用陶瓷、耐高温玻璃等材料作为传感器，从而模拟皮肤。

然而这种皮肤模拟传感器具有以下缺点：首先，皮肤模拟的理论方面来说，这些无机材质在闪火等高温条件下无法模拟皮肤的动态响应，如随着温度升高，皮肤中水分的蒸发散热，皮肤的炭化等现象。其次，从实际应用方面来说，由于这些材料的耐高温程度不及如铜片等金属材质，测试后碳化的面料附着在传感器表面，难以清洗。另外，由于皮肤模拟材料以直接嵌套在隔热板的方式固定，损坏后皮肤模拟材料部分难以更替，如更换整体设备，则费用昂贵，不适用于大规模应用。

除了利用金属及耐高温无机物模拟皮肤之外，国外在上世纪60年代，还出现了使用猪皮进行皮肤模拟的研究，但是这种方法难以进行精度控制，很难工业化应用。

因此，目前对于皮肤模拟传感器的研发存在的突出问题是，随着皮肤模拟材料的热物理性能越来越接近皮肤，其作为传感器的实践应用困难就愈加明显。如何平衡好皮肤模拟效果及实用性两方面的关系，是解决这一研发问题的关键。在这一问题上，Torvi于1999年曾提出使用一次性可废弃的皮肤模拟传感器的观点，但是并未给出具体可实行方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供了一种便捷、实验操作可控性强、测得的皮肤表面热信息真实的防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置，解决了如何使得传感器装置更好的模拟人体皮肤，并更好地应用于实际测试的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置，其特征在于，包括皮肤模拟元件，皮肤模拟元件与传感器外壳匹配连接，传感器外壳嵌在支撑板内，皮肤模拟元件的表面与贯穿皮肤模拟元件和传感器外壳的热电偶的探头部分粘接，传感器外壳的顶部与把手的底部匹配连接。

优选地，所述的皮肤模拟元件为柱形结构，皮肤模拟元件前端的半径小于其主体的半径，皮肤模拟元件内设有第一孔。

优选地，所述的皮肤模拟元件的材料可选择材料或火腿材料。

优选地，所述的传感器外壳呈工字柱形结构，传感器外壳的中心法向设有便于热电偶贯穿的第二孔。

优选地，所述的传感器外壳包括传感器外壳顶部和传感器外壳底部，传感器外壳顶部和传感器外壳底部之间通过螺纹方式旋合，传感器外壳顶部与把手的底部匹配连接，传感器外壳底部与皮肤模拟元件匹配连接。

优选地，所述的传感器外壳的材料为高温陶瓷材料，所述的支撑板采用硅酸铝陶瓷纤维材料。

优选地，所述的热电偶为具有绝缘外套的K型热电偶。

优选地，所述的把手为中空的圆柱胶木材料。

优选地，所述的热电偶的探头部分依次贯穿把手、传感器外壳、皮肤模拟元件，并通过耐高温环氧树脂胶粘合于皮肤模拟元件表面，热电偶与皮肤模拟元件之间的间隙部分用耐高温硅酸盐粘接密封胶进行封装。

优选地，该传感器装置的表面覆盖耐高温无机亚光黑色喷漆。

本发明充分结合不同材质的可加工性能，设计了灵活地可拆卸式的传感器结构，可实现皮肤模拟元件与传感器外壳的快速简单分离，提供了皮肤模拟元件快速更替的方案。由于这种特殊的传感器构造，提供了使用多种皮肤模拟材料作为皮肤模拟元件的可能性，解决了皮肤模拟效果及实验应用清洗及更换之间的矛盾，可操作及测试实用性强，可便捷的实现闪火中皮肤的动态响应过程的模拟。另外提供了皮肤模拟材料的两种选择方案：稳定的工业产品材料，及可以更真实地模拟皮肤的火腿材料。

本发明可用于模拟皮肤在闪火热环境条件下的动态反应，并通过皮肤模拟材料表面的温度信息采集，获得皮肤表面的热流密度信息。其优点为：一，相对于传统的金属传感器，其具有与人体皮肤表面近似的热惰性，可测得闪火条件下，相对更真实的皮肤表面热信息；二，相对于猪皮等人体皮肤替代物，其具有更强的实验操作可控性；三，具有方便的可拆卸性，便于皮肤模拟元件及热电偶元件的更换及清洗；四，与国际通用的热防护性能测试装置可以很好的兼容，便捷的实现闪火中人体皮肤烧伤的模拟预测过程。

附图说明

图1为一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置的侧视剖面图；

图2为皮肤模拟元件的侧视剖面图；

图3为传感器外壳顶部的侧视剖面图；

图4为传感器外壳底部的侧视剖面图；

图5为把手的侧视剖面图

图6为支撑板的侧视剖面图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明为一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置，如图1所示，其包括皮肤模拟元件1、传感器外壳(即传感器外壳顶部3和传感器外壳底部4)、支撑板7、热电偶2、把手6。

如图2所示，皮肤模拟元件1为传感器装置的核心部分，实现对皮肤热学性能的模拟，其为柱形结构，前端半径小于主体半径，其前端与传感器外壳匹配连接，可起到对皮肤模拟元件1的固定作用，第一孔9为热电偶2穿过的部位。皮肤模拟元件1由皮肤模拟材料构成，

其材料可选择具有稳定热学性能的材料或火腿材料。其中材料与人体皮肤表面的热惰性相似，并具有良好的耐高温稳定性能，及良好的机械可加工性，可以作为工程化稳定材料替代人体皮肤进行防护服装的性能测试。另外，传统上火腿材料具有与人体皮肤极为相似的密度、比热容及导热系数，可以实现模拟皮肤在高温条件下的水分流失及碳化过程，反映皮肤在闪火高温条件下的动态响应过程。

如图3、图4所示，传感器外壳为高温陶瓷材料，呈工字柱形结构，包括顶部与底部两部分(即传感器外壳顶部3和传感器外壳底部4)，并以螺纹方式旋合并嵌入支撑板7中。传感器外壳的中心法向设有便于热电偶2贯穿的圆孔(即第二孔13)。传感器外壳采用耐高温陶瓷材料，该材料具有良好的耐高温及隔热效果，对内部的皮肤模拟元件l起到支撑、保护及固定作用，并作为媒介，固定支撑板7与皮肤模拟元件1。

如图3所示，传感器外壳顶部3上部为具有第一内螺纹lO的圆柱形中空结构，用于嵌入把手6。其底部为具有第一外螺纹11的柱形中空结构，第一外螺纹11用于与传感器外壳底部4的拼接配伍。其底部的第一中空部位12为皮肤模拟元件1的嵌入部位。圆孔(即第二孔13)为热电偶2的穿过部位。

如图4所示，传感器外壳底部4上部为具有第二内螺纹14的圆柱形中空结构，用于与传感器外壳顶部3的拼接配伍。其底部为半径较小的圆柱中空结构15，用于支撑及固定皮肤模拟元件1。

传感器外壳顶部3、传感器外壳底部4与皮肤模拟元件1组装后，在传感器外壳底部4与皮肤模拟元件1之间形成一柱形空气层5，该空气层5起到绝缘隔热效果，减小皮肤模拟元件1对外的热量损失。

如图6所示，支撑板7采用硅酸铝陶瓷纤维材料，对整个传感器装置起到支撑固定作用。硅酸铝陶瓷纤维具有较好的耐高温稳定性，很小的导热系数(约为0.085/(m·℃))，因此具备优秀的隔热效果，减少热量损失，以提高测试结果的准确度。支撑板7的尺寸为：长130mm×宽130mm×高20mm。该尺寸与国际通用的热防护性能测试仪相兼容，可以便捷地实现闪火中人体皮肤信息采集及皮肤烧伤预测过程。支撑板7内的第二中空部位8为中空的柱形结构，其为传感器主体嵌入位置。

热电偶2为具有绝缘外套的K型热电偶，用于采集闪火高温条件下皮肤模拟元件1表面的温度信息。热电偶2贯穿整个传感器的法相圆孔(即热电偶2的探头部分依次贯穿把手6、传感器外壳、皮肤模拟元件1)，热电偶2的探头部分通过耐高温环氧树脂胶粘合于皮肤模拟元件1表面，热电偶2与皮肤模拟元件1之间的缝隙用耐高温硅酸盐粘接密封胶进行封装。

如图5所示，把手6为中空的圆柱胶木材料，具有隔热作用。其底部具有与传感器外壳顶部3相匹配的第二外螺纹16。把手6一方面便于整个传感器装置与测试设备的匹配连接，另一方面作为热电偶2的引导线出口，对热电偶2起到支撑和引导作用。

传感器装置的表面覆盖一层耐高温无机亚光黑色喷漆，由于黑色亚光喷漆的吸收系数(Absorptivity)与人体皮肤相似，可更好地模拟闪火高温环境中热辐射的传热作用。

皮肤模拟元件1与其表面粘合的热电偶2可以在保持传感器外壳与支撑板7不变的状态下方便的进行更换。这样设计提高了测试的利用效率并减少了纵向对比上的系统误差。

本发明提供了一种可拆卸便于测试更换敏感元件的传感器装置，敏感元件(即皮肤模拟元件1)可模拟代替皮肤进行热信息数据的采集，便捷的实现闪火中皮肤的动态响应过程的模拟。

本发明的装配过程如下：

首先将皮肤模拟元件1嵌入传感器外壳顶部3的第一中空部位12，然后将K型热电偶2穿过传感器外壳顶部3的第二孔13及皮肤模拟元件1的第一孔9，再将热电偶2的探头部分用耐高温环氧树脂胶粘在皮肤模拟元件1表面。然后用耐高温粘接剂填补表面缝隙。

将传感器外壳底部4嵌入支撑板7的第二中空部位8，再将传感器外壳顶部3的第一外螺纹11与传感器外壳底部4的第二内螺纹14旋和。最后将热电偶2的尾部从把手6内部穿过，然后将把手6的第二外螺纹16与传感器外壳顶部3的第一内螺纹10旋和。

传感器外壳顶部3、传感器外壳底部4与皮肤模拟元件1组装后，在传感器外壳底部4与皮肤模拟元件1之间形成一柱形空气层，该空气层起到绝缘隔热效果，减小皮肤模拟元件1对外的热量损失。

热流密度计算：

在使用本发明的传感器装置进行实验测试时，将热电偶2连接到数据采集装置中，通过软件读取皮肤模拟元件1表面的温度变化信息。然后可通过以下公式，

将皮肤模拟元件1表面温度转化为皮肤表面的热流密度信息。

-k为皮肤模拟元件的导热系数(W/m·K)

-ρ为皮肤模拟元件的密度(kg/m3)

-cp为皮肤模拟元件的比热容(J/kg·K)

-Δt为时间间隔

-Tj为时间tj时刻的温度值

-Tj-1为tj-1时刻的温度值

-n为总时间步长个数

若皮肤模拟元件采用工业化的材料构成，则其参考值为：导热系数k，1.46(W/m·K)；密度ρ，2520(kg/m3)；比热容cp，790(J/kg·K)。

利用皮肤表面的热流密度，即可以根据Pennes生物传热模型及Henriques烧伤模型确定皮肤的烧伤等级，从而模拟闪火环境中防火服装作用下皮肤的动态响应，应用于防火服装的防护性能测评中。

Claims (7)

1.一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置，其特征在于，包括皮肤模拟元件(1)，皮肤模拟元件(1)与传感器外壳匹配连接，传感器外壳嵌在支撑板(7)内，皮肤模拟元件(1)的表面与贯穿皮肤模拟元件(1)和传感器外壳的热电偶(2)的探头部分粘接，传感器外壳的顶部与把手(6)的底部匹配连接，所述的皮肤模拟元件(1)为柱形结构，皮肤模拟元件(1)前端的半径小于其主体的半径，皮肤模拟元件(1)内设有第一孔(9)，所述的传感器外壳呈工字柱形结构，传感器外壳的中心法向设有便于热电偶(2)贯穿的第二孔(13)，所述的传感器外壳包括传感器外壳顶部(3)和传感器外壳底部(4)，传感器外壳顶部(3)和传感器外壳底部(4)之间通过螺纹方式旋合，传感器外壳顶部(3)与把手(6)的底部匹配连接，传感器外壳底部(4)与皮肤模拟元件(1)匹配连接。

2.如权利要求1所述的一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置，其特征在于，所述的皮肤模拟元件(1)的材料可选择材料或火腿材料。

3.如权利要求1所述的一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置，其特征在于，所述的传感器外壳的材料为高温陶瓷材料，所述的支撑板(7)采用硅酸铝陶瓷纤维材料。

4.如权利要求1所述的一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置，其特征在于，所述的热电偶(2)为具有绝缘外套的K型热电偶。

5.如权利要求1所述的一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置，其特征在于，所述的把手(6)为中空的圆柱胶木材料。

6.如权利要求1所述的一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置，其特征在于，所述的热电偶(2)的探头部分依次贯穿把手(6)、传感器外壳、皮肤模拟元件(1)，并通过耐高温环氧树脂胶粘合于皮肤模拟元件(1)表面，热电偶(2)与皮肤模拟元件(1)之间的间隙部分用耐高温硅酸盐粘接密封胶进行封装。

7.如权利要求1所述的一种防火服装测试用模拟皮肤表面热流密度的传感器装置，其特征在于，该传感器装置的表面覆盖耐高温无机亚光黑色喷漆。