CN108279085A - 一种压力传感器阵列及压力波测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力传感器阵列及压力波测试系统。该压力传感器阵列包括：三个圆环以及两个相交的弧形条；所述圆环包括一个实体圆环、第一虚拟圆环、第二虚拟圆环；所述实体圆环、所述第一虚拟圆环以及所述第二虚拟圆环的面积依次递减；所述两个相交的弧形条相互垂直且与所述三个圆环相交，所述弧形条与所述三个圆环的相交点处设有压力传感器；所述半球体压力传感器阵列除所述实体圆环以及所述弧形条之外的部分为镂空。采用本发明所提供的压力传感器阵列及压力波测试系统能够更精确的测量出穿着防弹衣的人体在受到枪弹冲击时的压力波的变化，从而为后续救治方案提供更精确的救治方向。

Description

一种压力传感器阵列及压力波测试系统

技术领域

本发明涉及人体内致伤机理研究领域，特别是涉及一种压力传感器阵列及压力波测试系统。

背景技术

防弹衣瞬间变形撞击人体时，将在人体组织产生压力波，压力波在人体内传播就会形成压力场，压力场的概念可以理解为压力在人体内不同位置的分布，即压力的大小和方向随着人体内位置不同而不同，确定了人体内的压力场就确定了压力在人体内的分布。人体的器官位于人体的不同位置处，确定了人体不同位置处的压力，就能确定在该位置处的器官受到损伤程度。因此，确定压力波在人体内的分布状态是研究压力波在人体内传播规律和致伤机理的一个重要研究点。

通过大量实验、理论推导和仿真分析，发现有防护的明胶体在手枪弹或步枪弹的冲击下，枪弹不会穿透防护材料，但会在明胶体内产生很大的压力波，该压力波是以球面波的形式传播的。现有技术中在明胶体内放置传感器阵列，该传感器阵列为平面阵列，是由四个普通的压力传感器固定在一个支架上构成的。特点是四个传感器的感应面处在同一个平面上，并且四个传感器之间的距离很小，只能测量四个传感器中心的那一点的压力变化的数据。但是，现有技术存在以下缺陷：(1)四个传感器之间的距离很小，现有技术的目的只是为了测量四个传感器中间位置点的压力随时间变化的数据，而不能测量压力波在整个传播面上的数据，无法得到明胶体内的压力波形成的压力场，而明胶体内的压力波形成的压力场对于研究枪弹对有防护的明胶体(或人体)的致伤机理更为重要，因此，无法更精确的推测穿着防弹衣的人体受枪弹冲击时的致伤机理，导致后续救治效率大大降低。(2)原有阵列四个传感器的感应面在一个平面上，与明胶体内的压力波的实际传播规律不符，不利于按着压力波的实际传播规律测量压力波。(3)原有的阵列中，压力传感器由四个传感器组成，传感器体积大，价格高，且实验和仿真结果表明原有的阵列对明胶体的本构属性有明显的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种压力传感器阵列及压力波测试系统，以解决现有技术中压力波测量精度低，导致推测的穿着防弹衣的人体受枪弹冲击时的致伤机理精确度低，降低后续救治效率的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种压力传感器阵列，包括：所述压力传感器阵列为半球体压力传感器阵列；

所述半球体压力传感器阵列包括三个圆环以及两个相交的弧形条；所述圆环包括一个实体圆环、第一虚拟圆环、第二虚拟圆环；

所述实体圆环、所述第一虚拟圆环以及所述第二虚拟圆环的面积依次递减；

所述两个相交的弧形条相互垂直且与所述圆环相交，所述弧形条与所述圆环的相交点处设有压力传感器；

所述半球体压力传感器阵列除所述实体圆环以及所述弧形条之外的部分为镂空。

一种压力波测试系统，包括：枪口、光电测速靶、防护材料、明胶体、半球体压力传感器阵列、高速摄影机、信号调理单元、数据采集单元以及终端；

所述防护材料设于所述枪口和所述明胶体之间，所述防护材料固定于所述明胶体的受弹面；所述防护材料和所述明胶体用于测试人体在穿着防弹衣时弹丸的冲击对人体的杀伤程度；

所述光电测速靶设于所述枪口和所述防护材料之间，所述光电测速靶用于测量弹丸击中所述防护材料的初始速度；

所述半球体压力传感器阵列由支架支撑且设于所述明胶体内，所述半球体压力传感器阵列分布多个压力传感器，所述半球体压力传感器阵列的内半球面与所述受弹面同一方向，所述半球体压力传感器阵列用于测量弹丸冲击所述防护材料和所述明胶体时，所述明胶体内不同位置处的压力波随时间变化的变化值；

所述数据采集单元分别与所述光电测速靶、高速摄影机、信号调理单元以及终端相连接。

可选的，所述半球体压力传感器阵列具体包括：三个圆环以及两个相交的弧形条；所述圆环包括一个实体圆环、第一虚拟圆环、第二虚拟圆环；

所述实体圆环、所述第一虚拟圆环以及所述第二虚拟圆环的面积依次递减；

所述两个相交的弧形条相互垂直且与所述圆环相交，所述弧形条与所述圆环的相交点处设有压力传感器。

可选的，所述半球体压力传感器阵列除所述实体圆环以及所述弧形条之外的部分为镂空。

可选的，所述支架的材料为强度高于强度阈值的金属材料。

可选的，所述信号调理单元与所述半球体压力传感器阵列相连接；

所述信号调理单元用于放大压力传感器输出的电信号。

可选的，所述高速摄像机设于所述明胶体的侧面，且与所述明胶体具有距离阈值，所述高速摄像机用于拍摄弹丸冲击所述防护材料和所述明胶体全过程，以及所述防护材料和所述明胶体的变形过程。

可选的，所述数据采集单元用于采集所述高速摄影机输出的图像数据和所述信号调理单元输出的电信号。

可选的，所述终端用于提取弹丸冲击所述防护材料和所述明胶体时，在所述明胶体内部产生的压力变化数据；

还用于显示压力随时间变化的曲线以及显示弹丸冲击所述防护材料和所述明胶体时，所述防护材料和所述明胶体的变形过程。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种压力传感器阵列及压力波测试系统，通过在明胶体内设置半球体压力传感器阵列，以符合明胶体内的压力波以球面波的形式传播的规律，从而能够同时测量明胶体内不同位置处的随时间变化的压力波的变化值，更贴近人体受弹丸冲击时体内的压力波分布情况，从而能够更精准的推测出穿着防弹衣的人体受枪弹冲击时的致伤机理，为后续救治方案提供了更准确的救治方向，进而提高了救治效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的现有技术中的平面阵列分布示意图；

图2为本发明所提供的现有技术中的平面阵列的第一实物图；

图3为本发明所提供的现有技术中的平面阵列的第二实物图；

图4为本发明所提供的半球体压力传感器阵列的正视图；

图5为本发明所提供的半球体压力传感器阵列的侧视图；

图6为本发明所提供的半球体压力传感器阵列的第一实物图；

图7为本发明所提供的半球体压力传感器阵列的第二实物图；

图8为本发明所提供的压力波测试系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种压力传感器阵列及压力波测试系统，提高了压力波测量精度，更精确的推测出穿着防弹衣的人体受枪弹冲击时的致伤机理，从而提高了后续救治效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

原来安放在明胶体内的阵列为平面阵列，如图1-图3所示，该平面阵列是由四个普通的压力传感器固定在一个支架上构成的，图1中Ⅰ-Ⅳ表示的是压力传感器，括号里的是压力传感器的坐标，每个坐标位置是固定不变的。特点是四个传感器的感应面处在同一个平面上，并且四个传感器之间的距离很小，且坐标位置固定，因此只能测量四个传感器中心点的压力变化的数据。而只能测量中心点的压力波随时间变化的变化值以及原有的平面阵列破坏了明胶体本构属性，以致会出现压力波测量结果精度低、救治方向出现偏差等问题。

为了解决现有技术存在的问题，本发明重新设计了一种半球体压力传感器阵列，该半球体压力传感器阵列的半球面是根据明胶体内的压力波以球面波的形式传播的实际传播规律设置的。通过大量实验得到的数据，使设计的半球体压力传感器阵列的曲面完全契合压力波的传播曲面，这种新设计能够同时测量整个压力波在传播方向上的一整面的压力随时间变化的变化值。同时，为了降低放置在明胶体内的半球体压力传感器阵列对明胶体本构属性的影响，即降低测量系统对被测量对象本身属性的影响。所设计的半球体压力传感器阵列是镂空的，即在球面上只有需要安装压力传感器的位置有金属支撑物，而在球面的其它位置一律为镂空设计，减小了半球体压力传感器阵列本身对明胶体内的压力波传播的阻碍作用。

如图4-图7所示，一种压力传感器阵列，所述压力传感器阵列为半球体压力传感器阵列；所述半球体压力传感器阵列包括三个圆环以及两个相交的弧形条；所述圆环包括一个实体圆环1-1、第一虚拟圆环1-2、第二虚拟圆环1-3；所述实体圆环1-1、所述第一虚拟圆环1-2以及所述第二虚拟圆环1-3的面积依次递减；所述两个相交的弧形条1-4相互垂直且与三个圆环(实体圆环1-1、第一虚拟圆环1-2、第二虚拟圆环1-3)相交，所述弧形条1-4与所述三个圆环的相交点处设有压力传感器1-5；所述半球体压力传感器阵列除所述实体圆环1-1以及所述弧形条1-4之外的部分为镂空的。

本发明所提供的半球体压力传感器阵列为铝制金属结构，球面表面由三个圆环和一个十字相交构成十三个节点，其它位置均为镂空；在节点上安装压力传感器，且压力传感器的敏感面与压力波的传播方向相对，所述压力传感器可以为基于微机电系统的微小型压力传感器。该半球体压力传感器阵列安放在总体尺寸为30cm×30cm×30cm的明胶体内。明胶体的受弹面固定有制作防弹衣的防护材料，当枪弹(主要是手枪弹，其次是步枪弹)冲击防护材料时，在明胶体内将产生因冲击而形成的压力波，压力波的大小由半球体压力传感器阵列内的微小型压力传感器进行测量。

本发明提供了一种新型的压力传感器阵列，根据压力波的传播方式，能更精确的测量出压力波的大小。

图8为本发明所提供的压力波测试系统结构图，如图8所示，一种压力波测试系统，包括：枪口8-1、光电测速靶8-2、防护材料8-3、明胶体8-4、半球体压力传感器阵列8-5、高速摄影机8-6、信号调理单元8-7、数据采集单元8-8以及终端8-9；所述防护材料8-3设于所述枪口8-1和所述明胶体8-4之间，所述防护材料8-3固定于所述明胶体8-4的受弹面；所述防护材料8-3和所述明胶体8-4用于测试人体在穿着防弹衣时弹丸的冲击对人体的杀伤程度；所述光电测速靶8-2设于所述枪口8-1和所述防护材料8-3之间，所述光电测速靶8-2用于测量弹丸击中所述防护材料8-3的初始速度；所述半球体压力传感器阵列8-5由支架支撑且设于所述明胶体8-4内，所述半球体压力传感器阵列8-5分布多个压力传感器，所述半球体压力传感器阵列8-5的内半球面与所述明胶体8-4的受弹面同一方向，所述半球体压力传感器阵列8-5用于测量弹丸冲击所述防护材料8-3和所述明胶体8-4时，所述明胶体8-4内不同位置处的压力波随时间变化的变化值；所述数据采集单元8-8分别与所述光电测速靶8-2、高速摄影机8-6、信号调理单元8-7以及终端8-9相连接。

所述压力波测试系统采用本发明所提供的半球体压力传感器阵列8-5，所述半球体压力传感器阵列8-5包括三个圆环以及两个相交的弧形条；所述圆环包括一个实体圆环、第一虚拟圆环、第二虚拟圆环；所述实体圆环、所述第一虚拟圆环以及所述第二虚拟圆环的面积依次递减；所述两个相交的弧形条相互垂直且与所述三个圆环相交，所述弧形条与所述三个圆环的相交点处设有压力传感器。

在实际应用中，所述半球体压力传感器阵列8-5除所述实体圆环以及所述弧形条之外的部分为镂空。

在实际应用中，所述支架的材料为强度高于强度阈值的金属材料。

在实际应用中，所述信号调理单元8-7与所述半球体压力传感器阵列8-5相连接；

所述信号调理单元8-7用于放大压力传感器输出的电信号。

在实际应用中，所述高速摄像机8-6设于所述明胶体8-4的侧面，且与所述明胶体8-4具有距离阈值，所述高速摄像机8-6用于拍摄弹丸冲击所述防护材料8-3和所述明胶体8-4全过程，以及所述防护材料8-3和所述明胶体8-4的变形过程。

在实际应用中，所述数据采集单元8-8用于采集所述高速摄影机8-6输出的图像数据和所述信号调理单元8-7输出的电信号。

在实际应用中，所述终端8-9用于提取弹丸冲击所述防护材料8-3和所述明胶体8-4时，在所述明胶体8-4内部产生的压力变化数据；还用于显示压力随时间变化的曲线以及显示弹丸冲击所述防护材料8-3和所述明胶体8-4时，所述防护材料8-3和所述明胶体8-4的变形过程。

综上，本发明所提供的半球体压力传感器阵列以及压力波测试系统存在以下优点：

(1)设计成球面形的阵列，为了测量压力波在整个传播面上的数据，最终建立明胶体内的压力波形成的压力场，通过枪弹冲击有防护的明胶后在明胶体内形成的压力场的分布和随时间变化的特征，能更准确的推测出枪弹对有防护的明胶体(或人体)的致伤机理。

(2)重新设计的半球体压力传感器阵列，该球面的设计依据是明胶体内的压力波是以球面波的形式传播的实际传播规律，半球体压力传感器阵列的外形设计符合明胶体内的压力波的传播规律，可以测量一整面上的不同位置处的压力波的随时间变化的数据。通过大量实验得到的数据，使设计的半球体压力传感器阵列的曲面完全契合压力波的传播曲面，这种新设计能够同时测量整个压力波在传播方向上的一整面的压力随时间变化的数据。

(3)为了降低放置在明胶体内的半球体压力传感器阵列对明胶体本构属性的影响，即降低测量系统对被测量对象本身属性的影响，所设计的半球体压力传感器阵列是镂空的，即在球面上只有需要安装压力传感器的位置有金属支撑物，而在球面的其它位置一律为镂空设计。并且压力传感器选择体积极小的基于微机电系统的微小型压力传感器，因此压力传感器体积更小，灵敏度更高。

(4)弹丸冲击穿着防弹衣的人体时，因为防弹衣的瞬间变形将撞击人体，使人体产生钝性损伤，而且防弹衣瞬间变形撞击人体时将在人体组织产生压力波，该压力波会使远离撞击位置的器官受到损伤；因为人体内压力波的传播规律很复杂，对人体器官产生的伤害更是难以确定。确定压力波在人体内的分布状态和压力波在人体内的传播规律是研究弹丸对穿着防弹衣的人体冲击时所产生钝性损伤的一个重要研究点，对于明确压力波对人体器官的致伤机理，以及后续救治有重要的实际意义。本申请所提供的半球体压力传感器阵列为铝制金属结构，球面表面由三个圆环和一个十字相交构成十三个节点，其它位置均为镂空，这种设计使明胶体和半球体压力传感器阵列分别等效为人体的肌肉和骨骼，使枪弹冲击有防护明胶体的压力波测试系统更接近人体的实际情况。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种压力传感器阵列，其特征在于，包括：所述压力传感器阵列为半球体压力传感器阵列；

所述半球体压力传感器阵列包括三个圆环以及两个相交的弧形条；所述圆环包括一个实体圆环、第一虚拟圆环、第二虚拟圆环；

所述实体圆环、所述第一虚拟圆环以及所述第二虚拟圆环的面积依次递减；

所述两个相交的弧形条相互垂直且与所述圆环相交，所述弧形条与所述圆环的相交点处设有压力传感器；

所述压力传感器阵列除所述实体圆环以及所述弧形条之外的部分为镂空。

2.一种压力波测试系统，其特征在于，包括：枪口、光电测速靶、防护材料、明胶体、半球体压力传感器阵列、高速摄影机、信号调理单元、数据采集单元以及终端；

所述防护材料设于所述枪口和所述明胶体之间，所述防护材料固定于所述明胶体的受弹面；所述防护材料和所述明胶体用于测试人体在穿着防弹衣时弹丸的冲击对人体的杀伤程度；

所述光电测速靶设于所述枪口和所述防护材料之间，所述光电测速靶用于测量弹丸击中所述防护材料的初始速度；

所述半球体压力传感器阵列由支架支撑且设于所述明胶体内，所述半球体压力传感器阵列分布多个压力传感器，所述半球体压力传感器阵列的内半球面与所述受弹面同一方向，所述半球体压力传感器阵列用于测量弹丸冲击所述防护材料和所述明胶体时，所述明胶体内不同位置处的压力波随时间变化的变化值；

所述数据采集单元分别与所述光电测速靶、高速摄影机、信号调理单元以及终端相连接。

3.根据权利要求2所述的压力波测试系统，其特征在于，所述半球体压力传感器阵列具体包括：三个圆环以及两个相交的弧形条；所述圆环包括一个实体圆环、第一虚拟圆环、第二虚拟圆环；

所述实体圆环、所述第一虚拟圆环以及所述第二虚拟圆环的面积依次递减；

所述两个相交的弧形条相互垂直且与所述圆环相交，所述弧形条与所述圆环的相交点处设有压力传感器。

4.根据权利要求2所述的压力波测试系统，其特征在于，所述半球体压力传感器阵列除所述实体圆环以及所述弧形条之外的部分为镂空。

5.根据权利要求2所述的压力波测试系统，其特征在于，所述支架的材料为强度高于强度阈值的金属材料。

6.根据权利要求2所述的压力波测试系统，其特征在于，所述信号调理单元与所述半球体压力传感器阵列相连接；

所述信号调理单元用于放大压力传感器输出的电信号。

7.根据权利要求2所述的压力波测试系统，其特征在于，所述高速摄像机设于所述明胶体的侧面，且与所述明胶体具有距离阈值，所述高速摄像机用于拍摄弹丸冲击所述防护材料和所述明胶体全过程，以及所述防护材料和所述明胶体的变形过程。

8.根据权利要求2所述的压力波测试系统，其特征在于，所述数据采集单元用于采集所述高速摄影机输出的图像数据和所述信号调理单元输出的电信号。

9.根据权利要求2所述的压力波测试系统，其特征在于，所述终端用于提取弹丸冲击所述防护材料和所述明胶体时，在所述明胶体内部产生的压力变化数据；

还用于显示压力随时间变化的曲线以及显示弹丸冲击所述防护材料和所述明胶体时，所述防护材料和所述明胶体的变形过程。