CN111855742B

CN111855742B - 一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构及检测方法

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Publication number: CN111855742B
Application number: CN201911324213.9A
Authority: CN
Inventors: 林启敬; 张福政; 王作为; 赵立波; 韩枫; 李磊; 蒋庄德
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2039-12-16
Also published as: CN111855742A

Abstract

本发明公开了一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构，采用多层堆叠设置的电子皮肤层结构设计，在中间层电子皮肤层上阵列有传感器单元，在最下层层电子皮肤层上阵列有温度传感器和传感器单元，在最上层电子皮肤层上阵列有传感器单元、温度传感器和流速传感器；利用阵列于电子皮肤层上的传感器单元可获取爆炸破片对人体产生的热辐射、破片位置和破坏面积，温度传感器和流速传感器能够实现在爆炸环境下对相互耦合的流场和温度场进行测量，通过对不同层电子皮肤上的热流密度的测量，能够得到不同电子皮肤层的热流密度，判断爆炸环境下热辐射对人体表面的毁伤深度；本发明结构简单，实现对爆炸产生损伤统一监测，为在线实时智能监测提供技术支撑。

Description

一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构及检测方法

技术领域

本发明属于爆炸毁伤检测技术领域，具体涉及一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构及检测方法。

背景技术

爆炸产生的热辐射、破片等会对生物体造成不可逆转的重大损伤，煤气罐、油罐、液化石油气罐等易燃易爆产品，在各个领域也发挥着重要作用，同时，由于高温或者火灾等引起的气罐爆炸现象的发生也越来越频繁。因此，开展爆炸环境下电子皮肤的应用研究，实现对爆炸产生的热辐射、破片位置、环境温度与生物体温、流速的统一监测具有重要作用。

目前针对爆炸损伤检测，主要是通过猪、羊、牛等活体动物在实际爆炸环境下的实际损伤评估方法，对活体动物的组织表面损伤、内部器官检查等实际肉眼观察和仪器测量来类比获得爆炸对人体的损伤情况，获取数据不精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构及检测方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构，包括多层堆叠设置的电子皮肤层，中间层电子皮肤层上阵列有传感器单元，最下层电子皮肤层一侧贴近人体皮肤，最下层层电子皮肤层上阵列有温度传感器和传感器单元，最上层电子皮肤层上阵列有传感器单元、温度传感器和流速传感器；传感器单元包括热流密度传感器和压力传感器。

进一步的，具体采用三层电子皮肤层堆叠结构。

进一步的，热流密度传感器包括冷端热阻层和热端热阻，冷端热阻层和热端热阻结构相同，厚度不同。

进一步的，冷端热阻层和热端热阻包括绝缘层以及依次堆叠在绝缘层上的热电堆层和热阻层，绝缘层采用聚酰亚胺绝缘层；热电堆层采用T型热电堆结构，热阻层采用阶梯型热阻层。

进一步的，热电堆层包括N对串联热电偶，串联热电偶包括串联的康铜线和铜线，康铜线和铜线呈S型设置，一个热流密度传感器内有阵列有多个热电堆层。

进一步的，压力传感器采用柔性化阵列式压力传感器，包括依次堆叠在绝缘层上的上柔性薄膜层、压敏单元和下柔性薄膜层，上柔性薄膜层上位于压敏单元一侧设有上电极层，下柔性薄膜层位于压敏单元一侧设有下电极层，压敏单元阵列于上柔性薄膜层和下柔性薄膜层之间。

进一步的，温度传感器采用柔性薄膜热电偶。

进一步的，流速传感器采用双热线流速传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构，采用多层堆叠设置的电子皮肤层结构设计，在中间层电子皮肤层上阵列有传感器单元，最下层电子皮肤层一侧贴近人体皮肤，在最下层层电子皮肤层上阵列有温度传感器和传感器单元，在最上层电子皮肤层上阵列有传感器单元、温度传感器和流速传感器；传感器单元包括热流密度传感器和压力传感器，利用阵列于电子皮肤层上的传感器单元可获取爆炸破片对人体产生的热辐射、破片位置和破坏面积，温度传感器和流速传感器能够实现在爆炸环境下对相互耦合的流场和温度场进行测量，同时采用多层堆叠设置，通过对不同层电子皮肤上的热流密度的测量，能够得到不同电子皮肤层的热流密度，判断爆炸环境下热辐射对人体表面的毁伤深度；本发明结构简单，可以实现对爆炸产生的热辐射、破片位置、环境温度与生物体温、流速的统一监测，为在线实时智能监测提供技术支撑；通过在最上层电子皮肤层上阵列温度传感器和流速传感器，可实现爆炸流速大小和方向的测量，同时获取爆炸对人体冲击温度变化值。

进一步的，具体采用三层电子皮肤层堆叠结构，结构简单，便于布置，获取数据准确。

一种爆炸对人体损伤程度的检测方法，采用电子皮肤结构拟合人体模型，对已知爆炸当量的爆炸对人体损伤程度进行检测，通过获取爆炸后人体模型上的电子皮肤层各层传感器单元的热流密度值，得到人体热辐射毁伤总面积，本发明方法简单，测量结果准确。

附图说明

图1为本发明最上层电子皮肤层结构示意图。

图2为本发明热流密度传感器结构示意图。

图3为本发明热电堆结构示意图。

图4为本发明压力传感器结构示意图。

图5为本发明中间层最上层电子皮肤层结构示意图。

图6为本发明最下层最上层电子皮肤层结构示意图。

其中，1、电子皮肤层；2、传感器单元；3、热流密度传感器；4、压力传感器；5、温度传感器；6、流速传感器；7、绝缘层；8、热电堆层；9、热阻层；10、上柔性薄膜层；11、压敏单元；12、下柔性薄膜层；13、上电极层；14、下电极层；15、康铜线；16、铜线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1、图5、图6所示，一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构，包括多层堆叠设置的电子皮肤层1，中间层电子皮肤层1上阵列有传感器单元2，最下层电子皮肤层1一侧贴近人体皮肤，最下层层电子皮肤层1上阵列有温度传感器5和传感器单元2，最上层电子皮肤层1上阵列有传感器单元2、温度传感器5和流速传感器6；传感器单元2包括热流密度传感器3和压力传感器4；热流密度传感器3和压力传感器4阵列于电子皮肤层1上。

具体的，本申请采用三层电子皮肤层1堆叠结构。

多个传感器单元2均布阵列在电子皮肤层1上，可根据实际使用情况设置传感器单元2阵列密度；在爆炸环境下，通过对一个传感器单元2热流密度是否超过阈值来判断该传感器单元2所在区域面积是否为人体热辐射毁伤面积，同一层电子皮肤上的所有热流密度超过热流密度阈值的传感器单元2所在区域面积总和即为人体热辐射毁伤总面积；热流密度阈值根据实际情况取值，一般取1500w/m²。

如图2、图3所示，热流密度传感器3包括冷端热阻层和热端热阻，冷端热阻层和热端热阻结构相同，厚度不同；冷端热阻层和热端热阻包括绝缘层7以及依次堆叠在绝缘层7上的热电堆层8和热阻层9，绝缘层7采用聚酰亚胺绝缘层；热电堆层8采用T型热电堆结构，热阻层9采用阶梯型热阻层；热电堆层8包括N对串联热电偶，串联热电偶包括串联的康铜线和铜线，康铜线和铜线呈S型设置，一个热流密度传感器3内有阵列有多个热电堆层8。

采用热流密度传感器检测热辐射损伤，对于N对热电偶，则其构成热电堆的输出电势E为：

E＝S□N□ΔT

式中E为输出热电势，单位为mv；S为热电偶的塞贝克系数，单位为；N为组成热电堆的热电偶个数；

若用热电堆测量温差，其温差与输出热电势成线型关系时，其温差又与热流密度成正比，则计算热电堆型热流密度为：

当热流加载到热流密度传感器表面上时，吸收的热量由于热流密度传感器3内的热端热阻层和冷端热阻层的存在，产生微小的温差，通过多对热电偶进行信号放大，提高输出热电势。采用T型热电偶作为热电堆的材料，塞贝克系数为5.26，康铜线和铜线布线方式为矩形，矩形布线的方式简单、容易掌控、对掩模版的制作要求较低。

将多个热流密度传感器集成于同一电子皮肤层上，采用多层电子皮肤层设计，在爆炸环境下，通过对一个传感器单元2热流密度是否超过阈值来判断该传感器单元2所在区域面积是否为人体热辐射毁伤面积，同一层电子皮肤上的所有热流密度超过阈值的传感器单元2所在区域面积总和即为人体热辐射毁伤总面积；同理，通过对不同层电子皮肤上的热流密度的测量，得到不同电子皮肤层的热流密度，判断爆炸环境下热辐射对人体表面的毁伤深度，电子皮肤上的热流密度超过阈值的传感器单元2所在电子皮肤层数越多，爆炸环境下热辐射对人体表面的毁伤深度越大。

热流密度传感器3采用光刻方法制备，具体的，对绝缘层7进行清洗除污后在绝缘层7上多点光刻形成热电堆层8和热阻层9，具体的，在除污后的绝缘层7表面多点淀积铜，去胶剥离后进行多点二次光刻，多点沉积康铜，在进行去胶剥离形成热电堆层8，在热电堆层8上多点添加热阻层9得到热流密度传感器3。

如图4所示，压力传感器4采用柔性化阵列式压力传感器，包括依次堆叠在绝缘层上的上柔性薄膜层10、压敏单元11和下柔性薄膜层12，上柔性薄膜层10上位于压敏单元11一侧设有上电极层13，下柔性薄膜层12位于压敏单元11一侧设有下电极层14，压敏单元11阵列于上柔性薄膜层10和下柔性薄膜层12之间；正常状态下上电极层13和下电极层14是导通的，压敏单元11承受压力后上电极层13和下电极层14断开；压力传感器4在正常状态下输出数字信号“0”，当承受破片压力导致传感器损坏断路时，输出数字信号“1”。因在同一区域面积内阵列多个压力传感器，每个压力传感器所在位置和占用面积是确定的，所以通过计算损坏传感器数量可以推算出破片的位置及致损面积。同时，通过计算每一层传感器损坏数量可以推算出破坏深度。

压力传感器4采用光刻方法制备，具体的，对绝缘层进行清洗除污后在绝缘层上沉积下柔性薄膜层12，在下柔性薄膜层12上淀积下电极层后去胶剥离后清洗，再在下柔性薄膜层12上阵列布置压敏单元11；在阵列有压敏单元11的下柔性薄膜层12上依次淀积上电极层13和上柔性薄膜层10，去胶剥离，清洗、封装引线。

温度传感器3采用柔性薄膜热电偶，柔性薄膜热电偶采用MEMS工艺制备而成，同时采用智能电路对热电偶进行冷端补偿，以提高测试精度并降低对测试环境的要求。通过实验制备高可靠性、耐高温热电偶敏感材料；同时，由于爆炸环境下难以为冷端提供恒温条件，采用智能电路对热电偶进行冷端补偿以满足实地测试的要求。

流速传感器采用双热线流速传感器，双热线流速传感器以柔性聚酰亚胺为衬底，选用具有高电阻温度系数的材料作为热线电阻，并通过离子刻蚀在热线上加工空腔结构。双热线传感器利用了平行热线之间的热串扰现象，通过比较两热线的输出电压的差值大小和正负，可同时实现对流速大小和方向的测量。

采用MEMS工艺将传感器单元、热流密度传感器、压力传感器和流速传感器集成在同一电子皮肤层上，采用一体化工艺进行逐层集成，将具有不同结构的传感器同时在聚酰亚胺基底上制作加工，最后完成层与层之间的拼接工艺。最底层电子皮肤层能够采集生物体体温。

Claims

1.一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构，其特征在于，包括三层电子皮肤层（1）堆叠结构，中间层电子皮肤层上阵列有传感器单元（2），最下层电子皮肤层一侧贴近人体皮肤，最下层电子皮肤层上阵列有温度传感器（5）和传感器单元（2），最上层电子皮肤层上阵列有传感器单元（2）、温度传感器（5）和流速传感器（6）；传感器单元（2）包括热流密度传感器（3）和压力传感器（4），热流密度传感器（3）包括冷端热阻层和热端热阻，冷端热阻层和热端热阻结构相同，厚度不同；利用阵列于电子皮肤层上的传感器单元可获取爆炸破片对人体产生的热辐射、破片位置和破坏面积，温度传感器和流速传感器能够实现在爆炸环境下对相互耦合的流场和温度场进行测量，同时采用多层堆叠设置，通过对不同层电子皮肤上的热流密度的测量，能够得到不同电子皮肤层的热流密度，判断爆炸环境下热辐射对人体表面的毁伤深度。

2.根据权利要求1所述的一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构，其特征在于，冷端热阻层和热端热阻包括绝缘层（7）以及依次堆叠在绝缘层（7）上的热电堆层（8）和热阻层（9），绝缘层（7）采用聚酰亚胺绝缘层；热电堆层（8）采用Ｔ型热电堆结构，热阻层（9）采用阶梯型热阻层。

3.根据权利要求2所述的一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构，其特征在于，热电堆层（8）包括N对串联热电偶，串联热电偶包括串联的康铜线和铜线，康铜线和铜线呈S型设置。

4.根据权利要求1所述的一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构，其特征在于，一个热流密度传感器（3）内有阵列有多个热电堆层（8）。

5.根据权利要求1所述的一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构，其特征在于，压力传感器（4）采用柔性化阵列式压力传感器。

6.根据权利要求5所述的一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构，其特征在于，压力传感器（4）包括依次堆叠在绝缘层上的上柔性薄膜层（10）、压敏单元（11）和下柔性薄膜层（12），上柔性薄膜层（10）上位于压敏单元（11）一侧设有上电极层（13），下柔性薄膜层（12）位于压敏单元（11）一侧设有下电极层（14），压敏单元（11）阵列于上柔性薄膜层（10）和下柔性薄膜层（12）之间。

7.根据权利要求1所述的一种检测爆炸对人体损伤程度的电子皮肤结构，其特征在于，温度传感器（5）采用柔性薄膜热电偶，流速传感器采用双热线流速传感器。

8.一种爆炸对人体损伤程度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）、将权利要求1所述电子皮肤结构贴合在人体模型上，置于已知爆炸当量的爆炸环境中；

步骤2）、获取爆炸后人体模型上的电子皮肤层各层传感器单元的热流密度值，得到人体热辐射毁伤总面积S，S=nm，n为同一层电子皮肤层上热流密度超过热流密度阈值的传感器单元个数，m为一个电子皮肤层面积。