CN108627285A - 一种智能防弹服及爆炸冲击波智能检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种智能防弹服，其采用如下方法制备而成，以芳纶平纹织物为增强体，同向铺放32层，两个压电薄膜传感器分别安置于芳纶平纹织物的第二层下方和第31层上方，以环氧树脂和固化剂制备的混合胶液为基体，采用真空辅助(VARTM)成型工艺制备智能防弹服。压电薄膜传感器连接电荷放大器、无线数据采集卡和显示单元，检测冲击后防弹服变形并判别损伤程度。该智能防弹服实现快速、准确检测爆炸冲击波带来的危害，便于医疗人员判断士兵受冲击波伤害程度。
Description
技术领域
本发明属于防护纺织品技术领域，具体涉及一种智能防弹服及爆炸冲击波智能检测方法。
背景技术
战争中爆炸会瞬间夺取士兵的生命，即使爆炸没有带来明显的外伤，但有可能损害士兵的脑部，并且在几个月或者几年后才逐渐显现出来，因此保护士兵头部防止伤害至关重要。传统头盔主要用于防止弹片和子弹损伤。然而，目前恐怖分子使用的简易爆炸装置在战区使用越来越广泛，爆炸诱发的冲击波易引发脑损伤。脑损伤特别是外伤性脑损伤，也称为颅内损伤，主要由外力作用引起的脑损伤，包括临时或永久的脑损伤。在持久军事行动中，士兵容易受到路边炸弹、简易爆炸装置及自杀性炸弹袭击进而引发脑损伤。同时，受到交通事故、体育运动、恐怖袭击等容易引起脑损伤。
突然爆炸会产生大量热量，爆炸波包含冲击波和爆炸气浪。(1)冲击波以相对于介质超声波速度传递，同时速度取决于音速，当介质温度或压力增加时，音速也增加，冲击波传递速度也增加。同时，冲击波接触物体后会导致介质中压力、密度和温度突然上升。另外，爆炸通常会产生化学反应。(2)爆炸发生时，瞬间产生热高压气体，包围了冲击波。气体容积随着冲击波而膨胀。周围空气在膨胀冲击波的作用下加速且以较高速度传播，从而形成爆炸气浪。身在爆炸中的人首先受到高压冲击波影响，然后受到爆炸气浪作用。如果在封闭空间中，爆炸波与周围房间相互作用，特征发生变化并产生多次波反射。即使在开阔环境中，爆炸波从地面反射，导致爆炸压力增加。由于爆炸气浪高度非线性，很难预测准确的反射波。然而，反射波显著增加爆炸压力和爆炸气浪速度。因此，受害者有可能受到单次爆炸波或多次波作用。因此距离爆炸点越远受到的伤害越大。
根据实验可知，引起脑损伤损伤的原因有：
(1)高压冲击波接触身体引发。冲击波穿过头颅，头颅吸收压力。引发大脑损伤，有时也叫拉伸/压缩损伤。
(2)由高速气浪带来的碎片引发间接冲击波损伤。以人体炸弹或简易爆炸装置为例，产生大量的碎片诸如金属碎片，指甲，玻璃等。
(3)由爆炸气浪影响下身体不同部件的加速产生冲击波损伤。爆炸气浪速度能达到2400km/h，大概是飓风的10倍。影响到身体的每一个部位，特别是头、颈。头部转动，由于头颅惯性显著大于脑组织，在颅内产生较大的剪切应变。目前个人防护设备(Personalprotective equipment)特别是头盔没有针对此类损伤的检测单元。因此急需开发保护系统，集成防护机理、压电薄膜传感器于一体，除了应对弹道保护之外同时具备检测爆炸冲击波的功能。
发明内容
为了快速检测和判断战场中士兵受到爆炸诱发的冲击波的危害，本发明开发一种集成压电薄膜传感器智能防弹服以及采用该防弹服对爆炸冲击波智能检测方法，实现快速、准确检测爆炸冲击波带来的危害，便于医疗人员判断士兵受冲击波伤害程度。
本发明提供一种智能防弹服，采用如下方法制备而成，以芳纶平纹织物为增强体，同向铺放32层，制成模具，两个压电薄膜传感器分别置于芳纶平纹织物的第2层下方和第31层上方，以环氧树脂和固化剂制备的混合胶液为基体采用真空辅助(VARTM)成型工艺，在真空负压下导入到模具中经加热固化成型，脱膜处理，制备智能防弹服。
其中，所述芳纶单层平纹织物面密度优选为185g/m2，经纬纱均为K129纤维束，纱线细度优选为23tex。
其中，所述织物的层数优选为32层，两个压电薄膜传感器优选位于第2层下方和第31层上方。
其中，环氧树脂和固化剂的添加质量比例优选为100∶30。
本发明还提供一种智能防弹服检测爆炸冲击波系统，其包括上述的智能防弹服、电荷放大器、无线数据采集卡和显示单元，所述智能防弹服上的薄膜压电传感器连接电荷放大器，所述电荷放大器连接数据采集卡。
本发明还提供采用上述智能防弹服评估和测试士兵在爆炸中收到伤害的程度的方法，利用薄膜压电传感器的压阻效应，当防弹服受冲击载荷作用应变变化时，传感器的电阻系数发生相应变化，集成压电薄传感器复合材料防弹服连接电荷放大器，测试冲击载荷作用后，防弹服变形与输出电压信号之间的关系，根据人体可承受变形临界值，从而得到变形临界值与电荷放大器输出电压之关系，最终实现根据输出电压大小自动识别、判断冲击波给士兵带来的伤害。
有益的技术效果
本发明提供的智能防弹服基于防护机理(防弹、防爆、防热和防噪音)性能，通过集成压电薄膜传感器，具有瞬间检测爆炸冲击波造成的压力，可记录、保存和共享爆炸时带来的瞬间压力。通过测试复合材料受载变形与冲击波信号关系，同时结合冲击波作用下人体损伤临界值。建立人体受冲击波作用时防弹材料应变与大脑损伤之间的关系。可以检测和评估士兵在爆炸中受到的伤害程度，科学确定爆炸引发的冲击波对士兵大脑损伤程度。
附图说明
图1为防弹服智能检测爆炸冲击波系统，
1-芳纶树脂基复合材料，2-压电薄传感器，3-电荷放大器，4-无线数据采集卡，5-显示单元。
具体实施方式
本发明提供的智能防弹服采用如下方法制备而成，以芳纶平纹织物为增强体，同向铺放多层，两个压电薄膜传感器分别至于芳纶平纹织物的上数第二层和下数第二层，以环氧树脂和固化剂制备的混合胶液为基体，采用真空辅助(VARTM)成型工艺，在真空负压下导入到模具中经加热固化成型，脱膜处理，制备智能防弹服。
所述芳纶单层平纹织物织物面密度优选为185g/m2，经纬纱均为K129纤维束，纱线细度优选为23tex。
所述织物的层数优选为32层，两个压电薄膜传感器优选位于第2层下方和第31层上方。
环氧树脂和固化剂的添加质量比例优选为100∶30。所述环氧树脂优选为E-2511-1A和所述固化剂优选为2511-1BT。
本发明中采用压电薄膜传感器，用于弹性、触觉、振动和冲击的测量，具有较高的灵敏度，主要用于感应接触力及变形。传感器压电薄膜厚度优选为28μm，宽度优选为12mm，传感器长度优选为30mm，总长优选为235mm。传感器电容优选为1.37nF。与其他接出引线的压电薄膜元件不同，带电极的压电薄膜从动态传感区域延伸出来作为柔性电路板，末端带有连接头，从而使得传感器的引出非常扁平，而且柔软。将导电纤维穿入复合材料增强体中。利用传感器的压阻效应，当材料应变变化时，传感器的电阻系数发生相应变化；传感器连接低频C型电荷放大器ICA102，量程为±5v，频率为1Hz-10kHz，具有高精度超级噪音特点，放大器检测的电压值以无线的形式，传输到无线数据采集卡WIFI 2.4G型(最大400K采样率)，薄膜压电传感器主要有聚合物薄片，压电薄膜，保护涂层和金属层组成，型号优选为FDT1-028K(广州市安凯电子提供)。F在FDT系列里代表柔性引线；FDT系列是带银墨丝印电极的矩形压电薄膜元件。
本发明还提供一种智能防弹服检测爆炸冲击波系统，其包括上述的智能防弹服、电荷放大器、无线数据采集卡和显示单元，所述智能防弹服上的薄膜压电传感器连接电荷放大器，所述电荷放大器连接数据采集卡。
电荷放大器在防弹服受冲击载荷作用后，建立冲击载荷大小和材料变形之间的关系，为自动识别、判断冲击波给士兵带来的伤害奠定基础。
本发明还提供采用上述智能防弹服评估和测试士兵在爆炸中收到伤害的程度的方法，利用薄膜压电传感器的压阻效应，当防弹服受冲击载荷作用应变变化时，传感器的电阻系数发生相应变化，集成压电薄传感器复合材料防弹服连接电荷放大器，测试冲击载荷作用后，防弹服变形与输出电压信号之间的关系，根据人体可承受变形临界值，从而得到变形临界值与电荷放大器输出电压之关系，最终实现根据输出电压大小自动识别、判断冲击波给士兵带来的伤害。
本发明通过开发一种智能防弹服，通过在防弹服中集成传感器，检测防弹服评估和测试士兵在爆炸中受到的伤害程度，从而确定爆炸带来的波浪是否会对士兵的大脑造成损害。这种微型传感器被安装在头盔和防弹衣中，并且记录爆炸时带来的压力，保存和共享数据。同时，在士兵的手上附带一个神经评估工具，可以通过刺激士兵的手来测试反应速度，这些数据会让战场的医疗队在最短的时间内评估受伤或受到冲击的程度。
这项技术对于保护战场上士兵的安全起到了非常重要的作用，如果士兵非常接近爆炸发生地，那么在战场上是没有足够的时间和设备来评估受伤的程度，尤其是在密集程度比较高的行动中保证士兵的安全和行动人员数量。如果能够立刻评估出受影响人员的数量，那么可以在最短时间内决定行动继续还是终止。
以下采用实施例和附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
如图1所示，本发明以芳纶平纹织物为增强体，单层织物面密度为185g/m2，经纬纱均为K129纤维束，纱线细度23tex。芳纶平纹织物同向铺放32层1，两只可感应变形的柔性FDT1-028K压电薄传感器2分别布置于芳纶织物第2层下方和第31层上方。以环氧树脂E-2511-1A和固化剂2511-1BT(质量分数比为100∶30)混合胶液为基体，基于真空辅助(VARTM)成型工艺制备的防弹复合材料。压电薄膜传感器主要用于感应接触力及变形。与其他接出引线的压电薄膜元件不同，带电极的压电薄膜从动态传感区域延伸出来作为柔性电路板，末端带有连接头，从而使得传感器的引出扁平，而且柔软。传感器连接低频C型电荷放大器ICA102，量程为±5v。频率为1Hz-10kHz。具有高精度超级噪音特点。电荷放大器3检测的电压值以无线的形式，传输到WIFI 2.4G型无线数据采集卡4，数据采集卡4将数据传输到显示单元5。
所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种智能防弹服，其特征在于：采用如下方法制备而成，以芳纶平纹织物为增强体，同向铺放多层，两个压电薄膜传感器分别至于芳纶平纹织物的上数第2层和下数第2层，以环氧树脂和固化剂制备的混合胶液为基体，采用真空辅助(VARTM)成型工艺制备智能防弹服。
2.如权利要求1所述的智能防弹服，其特征在于：所述芳纶平纹织物单层织物面密度优选为185g/m2，经纬纱均为K129纤维束，纱线细度优选为23tex。
3.如权利要求1或2所述的智能防弹服，其特征在于：所述织物的层数为32层，两个压电薄膜传感器优选位于第2层下方和第31层上方。
4.如权利要求1至3所述的智能防弹服，其特征在于：环氧树脂和固化剂的添加质量比例优选为100∶30。
5.一种智能防弹服检测爆炸冲击波系统，其特征在于：包括权利要求1至4所述的智能防弹服、电荷放大器、无线数据采集卡和显示单元，所述智能防弹服上的薄膜压电传感器连接电荷放大器，所述电荷放大器连接数据采集卡。
6.采用权利要求1至4所述智能防弹服评估和测试士兵在爆炸中收到伤害的程度的方法，其特征在于：利用薄膜压电传感器的压阻效应，当防弹服受冲击载荷作用应变变化时，传感器的电阻系数发生相应变化，集成压电薄传感器复合材料防弹服连接电荷放大器，测试冲击载荷作用后，防弹服变形与输出电压信号之间的关系，根据人体可承受变形临界值，从而得到变形临界值与电荷放大器输出电压之关系，最终实现根据输出电压大小自动识别、判断冲击波给士兵带来的伤害。
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