一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，其特征在于，包括皮膚模擬元件，皮膚模擬元件與傳感器外殼匹配連接，傳感器外殼嵌在支撐板內(nèi)，皮膚模擬元件的表面與貫穿皮膚模擬元件和傳感器外殼的熱電偶的探頭部分粘接，傳感器外殼的頂部與把手的底部匹配連接。本發(fā)明可用于模擬皮膚在閃火熱環(huán)境條件下的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，并通過(guò)皮膚模擬材料表面的溫度信息采集，獲得皮膚表面的熱流密度信息。
【專利說(shuō)明】
一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，尤其涉及一種防火服裝測(cè) 試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，屬于服裝工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在ASTM F2731，ASTM F1930，IS0 13506等熱防護(hù)服裝測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，多使用皮膚燒 傷預(yù)測(cè)的方法評(píng)價(jià)防火阻燃服裝的熱防護(hù)性能。由于無(wú)法通過(guò)人體測(cè)試來(lái)預(yù)測(cè)燒傷，需要 依靠?jī)x器設(shè)備模擬人體皮膚對(duì)熱環(huán)境的響應(yīng)。因此正確獲得人體皮膚表面的熱流密度或溫 度信息，是正確評(píng)價(jià)防火阻燃服裝熱防護(hù)性能的重要前提。然而目前的相關(guān)測(cè)試及研究中 多采用銅片熱流計(jì)進(jìn)行熱信息的采集，實(shí)際上，銅和人體皮膚的熱學(xué)性能相差很大，例如， 銅的導(dǎo)熱系數(shù)為401W/(m · °C)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體皮膚的導(dǎo)熱系數(shù)0.255~0.523W/(m · °C)。因 此，需要采用更好的皮膚模擬材料來(lái)模擬人體皮膚。
[0003] 1957年，Williams等人將銅與空氣做成夾層結(jié)構(gòu)，從而降低模擬材料的導(dǎo)熱性能。 但是這種方法的制作工藝非常復(fù)雜，限制了其應(yīng)用范圍。之后有國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出使用陶瓷、 耐高溫玻璃等材料作為傳感器，從而模擬皮膚。
[0004] 然而這種皮膚模擬傳感器具有以下缺點(diǎn)：首先，皮膚模擬的理論方面來(lái)說(shuō)，這些無(wú) 機(jī)材質(zhì)在閃火等高溫條件下無(wú)法模擬皮膚的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如隨著溫度升高，皮膚中水分的蒸 發(fā)散熱，皮膚的炭化等現(xiàn)象。其次，從實(shí)際應(yīng)用方面來(lái)說(shuō)，由于這些材料的耐高溫程度不及 如銅片等金屬材質(zhì)，測(cè)試后碳化的面料附著在傳感器表面，難以清洗。另外，由于皮膚模擬 材料以直接嵌套在隔熱板的方式固定，損壞后皮膚模擬材料部分難以更替，如更換整體設(shè) 備，則費(fèi)用昂貴，不適用于大規(guī)模應(yīng)用。
[0005] 除了利用金屬及耐高溫?zé)o機(jī)物模擬皮膚之外，國(guó)外在上世紀(jì)60年代，還出現(xiàn)了使 用豬皮進(jìn)行皮膚模擬的研究，但是這種方法難以進(jìn)行精度控制，很難工業(yè)化應(yīng)用。
[0006] 因此，目前對(duì)于皮膚模擬傳感器的研發(fā)存在的突出問(wèn)題是，隨著皮膚模擬材料的 熱物理性能越來(lái)越接近皮膚，其作為傳感器的實(shí)踐應(yīng)用困難就愈加明顯。如何平衡好皮膚 模擬效果及實(shí)用性兩方面的關(guān)系，是解決這一研發(fā)問(wèn)題的關(guān)鍵。在這一問(wèn)題上，Torvi于 1999年曾提出使用一次性可廢棄的皮膚模擬傳感器的觀點(diǎn)，但是并未給出具體可實(shí)行方 案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供了一種便捷、實(shí)驗(yàn)操作可控性強(qiáng)、測(cè)得的皮膚表 面熱信息真實(shí)的防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，解決了如何使得傳 感器裝置更好的模擬人體皮膚，并更好地應(yīng)用于實(shí)際測(cè)試的問(wèn)題。
[0008] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種防火服裝測(cè)試用模擬皮 膚表面熱流密度的傳感器裝置，其特征在于，包括皮膚模擬元件，皮膚模擬元件與傳感器外 殼匹配連接，傳感器外殼嵌在支撐板內(nèi)，皮膚模擬元件的表面與貫穿皮膚模擬元件和傳感 器外殼的熱電偶的探頭部分粘接，傳感器外殼的頂部與把手的底部匹配連接。
[0009] 優(yōu)選地，所述的皮膚模擬元件為柱形結(jié)構(gòu)，皮膚模擬元件前端的半徑小于其主體 的半徑，皮膚模擬元件內(nèi)設(shè)有第一孔。
[0010] 優(yōu)選地，所述的皮膚模擬元件的材料可選擇材料或火腿材料。
[0011]優(yōu)選地，所述的傳感器外殼呈工字柱形結(jié)構(gòu)，傳感器外殼的中心法向設(shè)有便于熱 電偶貫穿的第二孔。
[0012] 優(yōu)選地，所述的傳感器外殼包括傳感器外殼頂部和傳感器外殼底部，傳感器外殼 頂部和傳感器外殼底部之間通過(guò)螺紋方式旋合，傳感器外殼頂部與把手的底部匹配連接， 傳感器外殼底部與皮膚模擬元件匹配連接。
[0013] 優(yōu)選地，所述的傳感器外殼的材料為高溫陶瓷材料，所述的支撐板采用硅酸鋁陶 瓷纖維材料。
[0014] 優(yōu)選地，所述的熱電偶為具有絕緣外套的Κ型熱電偶。
[0015] 優(yōu)選地，所述的把手為中空的圓柱膠木材料。
[0016]優(yōu)選地，所述的熱電偶的探頭部分依次貫穿把手、傳感器外殼、皮膚模擬元件，并 通過(guò)耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂膠粘合于皮膚模擬元件表面，熱電偶與皮膚模擬元件之間的間隙部分 用耐高溫硅酸鹽粘接密封膠進(jìn)行封裝。
[0017] 優(yōu)選地，該傳感器裝置的表面覆蓋耐高溫?zé)o機(jī)亞光黑色噴漆。
[0018] 本發(fā)明充分結(jié)合不同材質(zhì)的可加工性能，設(shè)計(jì)了靈活地可拆卸式的傳感器結(jié)構(gòu)， 可實(shí)現(xiàn)皮膚模擬元件與傳感器外殼的快速簡(jiǎn)單分離，提供了皮膚模擬元件快速更替的方 案。由于這種特殊的傳感器構(gòu)造，提供了使用多種皮膚模擬材料作為皮膚模擬元件的可能 性，解決了皮膚模擬效果及實(shí)驗(yàn)應(yīng)用清洗及更換之間的矛盾，可操作及測(cè)試實(shí)用性強(qiáng)，可便 捷的實(shí)現(xiàn)閃火中皮膚的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的模擬。另外提供了皮膚模擬材料的兩種選擇方案： 穩(wěn)定的工業(yè)產(chǎn)品Maeo產(chǎn)材料，及可以更真實(shí)地模擬皮膚的火腿材料。
[0019] 本發(fā)明可用于模擬皮膚在閃火熱環(huán)境條件下的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，并通過(guò)皮膚模擬材料表 面的溫度信息采集，獲得皮膚表面的熱流密度信息。其優(yōu)點(diǎn)為:一，相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬傳感 器，其具有與人體皮膚表面近似的熱惰性，可測(cè)得閃火條件下，相對(duì)更真實(shí)的皮膚表面熱信 息;二，相對(duì)于豬皮等人體皮膚替代物，其具有更強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)操作可控性;三，具有方便的可拆 卸性，便于皮膚模擬元件及熱電偶元件的更換及清洗;四，與國(guó)際通用的熱防護(hù)性能測(cè)試裝 置可以很好的兼容，便捷的實(shí)現(xiàn)閃火中人體皮膚燒傷的模擬預(yù)測(cè)過(guò)程。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置的側(cè)視剖面圖； [0021 ]圖2為皮膚模擬元件的側(cè)視剖面圖；
[0022] 圖3為傳感器外殼頂部的側(cè)視剖面圖；
[0023] 圖4為傳感器外殼底部的側(cè)視剖面圖；
[0024]圖5為把手的側(cè)視剖面圖
[0025]圖6為支撐板的側(cè)視剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0027] 本發(fā)明為一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，如圖1所示， 其包括皮膚模擬元件1、傳感器外殼（即傳感器外殼頂部3和傳感器外殼底部4)、支撐板7、熱 電偶2、把手6。
[0028] 如圖2所示，皮膚模擬元件1為傳感器裝置的核心部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚熱學(xué)性能的模 擬，其為柱形結(jié)構(gòu)，前端半徑小于主體半徑，其前端與傳感器外殼匹配連接，可起到對(duì)皮膚 模擬元件1的固定作用，第一孔9為熱電偶2穿過(guò)的部位。皮膚模擬元件1由皮膚模擬材料構(gòu) 成，
[0029] 其材料可選擇具有穩(wěn)定熱學(xué)性能的Maeo產(chǎn)材料或火腿材料。其中材料與人 體皮膚表面的熱惰性相似，并具有良好的耐高溫穩(wěn)定性能，及良好的機(jī)械可加工性，可以作 為工程化穩(wěn)定材料替代人體皮膚進(jìn)行防護(hù)服裝的性能測(cè)試。另外，傳統(tǒng)上火腿材料具有與 人體皮膚極為相似的密度、比熱容及導(dǎo)熱系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)模擬皮膚在高溫條件下的水分流 失及碳化過(guò)程，反映皮膚在閃火高溫條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。
[0030] 如圖3、圖4所示，傳感器外殼為高溫陶瓷材料，呈工字柱形結(jié)構(gòu)，包括頂部與底部 兩部分（即傳感器外殼頂部3和傳感器外殼底部4)，并以螺紋方式旋合并嵌入支撐板7中。傳 感器外殼的中心法向設(shè)有便于熱電偶2貫穿的圓孔（即第二孔13)。傳感器外殼采用耐高溫 陶瓷材料，該材料具有良好的耐高溫及隔熱效果，對(duì)內(nèi)部的皮膚模擬元件1起到支撐、保護(hù) 及固定作用，并作為媒介，固定支撐板7與皮膚模擬元件1。
[0031] 如圖3所示，傳感器外殼頂部3上部為具有第一內(nèi)螺紋10的圓柱形中空結(jié)構(gòu)，用于 嵌入把手6。其底部為具有第一外螺紋11的柱形中空結(jié)構(gòu)，第一外螺紋11用于與傳感器外殼 底部4的拼接配伍。其底部的第一中空部位12為皮膚模擬元件1的嵌入部位。圓孔（即第二孔 13)為熱電偶2的穿過(guò)部位。
[0032]如圖4所示，傳感器外殼底部4上部為具有第二內(nèi)螺紋14的圓柱形中空結(jié)構(gòu)，用于 與傳感器外殼頂部3的拼接配伍。其底部為半徑較小的圓柱中空結(jié)構(gòu)15,用于支撐及固定皮 膚模擬元件1。
[0033] 傳感器外殼頂部3、傳感器外殼底部4與皮膚模擬元件1組裝后，在傳感器外殼底部 4與皮膚模擬元件1之間形成一柱形空氣層5,該空氣層5起到絕緣隔熱效果，減小皮膚模擬 元件1對(duì)外的熱量損失。
[0034] 如圖6所示，支撐板7采用硅酸鋁陶瓷纖維材料，對(duì)整個(gè)傳感器裝置起到支撐固定 作用。硅酸鋁陶瓷纖維具有較好的耐高溫穩(wěn)定性，很小的導(dǎo)熱系數(shù)(約為〇.〇85/(m · °C))， 因此具備優(yōu)秀的隔熱效果，減少熱量損失，以提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度。支撐板7的尺寸為:長(zhǎng) 130mm X寬130mm X高20mm。該尺寸與國(guó)際通用的熱防護(hù)性能測(cè)試儀相兼容，可以便捷地實(shí) 現(xiàn)閃火中人體皮膚信息采集及皮膚燒傷預(yù)測(cè)過(guò)程。支撐板7內(nèi)的第二中空部位8為中空的柱 形結(jié)構(gòu)，其為傳感器主體嵌入位置。
[0035] 熱電偶2為具有絕緣外套的K型熱電偶，用于采集閃火高溫條件下皮膚模擬元件1 表面的溫度信息。熱電偶2貫穿整個(gè)傳感器的法相圓孔（即熱電偶2的探頭部分依次貫穿把 手6、傳感器外殼、皮膚模擬元件1)，熱電偶2的探頭部分通過(guò)耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂膠粘合于皮膚 模擬元件1表面，熱電偶2與皮膚模擬元件1之間的縫隙用耐高溫硅酸鹽粘接密封膠進(jìn)行封 裝。
[0036]如圖5所示，把手6為中空的圓柱膠木材料，具有隔熱作用。其底部具有與傳感器外 殼頂部3相匹配的第二外螺紋16。把手6-方面便于整個(gè)傳感器裝置與測(cè)試設(shè)備的匹配連 接，另一方面作為熱電偶2的引導(dǎo)線出口，對(duì)熱電偶2起到支撐和引導(dǎo)作用。
[0037] 傳感器裝置的表面覆蓋一層耐高溫?zé)o機(jī)亞光黑色噴漆，由于黑色亞光噴漆的吸收 系數(shù)(Ab s orp t i v i ty)與人體皮膚相似，可更好地模擬閃火高溫環(huán)境中熱福射的傳熱作用。
[0038] 皮膚模擬元件1與其表面粘合的熱電偶2可以在保持傳感器外殼與支撐板7不變的 狀態(tài)下方便的進(jìn)行更換。這樣設(shè)計(jì)提高了測(cè)試的利用效率并減少了縱向?qū)Ρ壬系南到y(tǒng)誤 差。
[0039] 本發(fā)明提供了一種可拆卸便于測(cè)試更換敏感元件的傳感器裝置，敏感元件（即皮 膚模擬元件1)可模擬代替皮膚進(jìn)行熱信息數(shù)據(jù)的采集，便捷的實(shí)現(xiàn)閃火中皮膚的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 過(guò)程的模擬。
[0040] 本發(fā)明的裝配過(guò)程如下：
[0041] 首先將皮膚模擬元件1嵌入傳感器外殼頂部3的第一中空部位12,然后將K型熱電 偶2穿過(guò)傳感器外殼頂部3的第二孔13及皮膚模擬元件1的第一孔9,再將熱電偶2的探頭部 分用耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂膠粘在皮膚模擬元件1表面。然后用耐高溫粘接劑填補(bǔ)表面縫隙。
[0042] 將傳感器外殼底部4嵌入支撐板7的第二中空部位8,再將傳感器外殼頂部3的第一 外螺紋11與傳感器外殼底部4的第二內(nèi)螺紋14旋和。最后將熱電偶2的尾部從把手6內(nèi)部穿 過(guò)，然后將把手6的第二外螺紋16與傳感器外殼頂部3的第一內(nèi)螺紋10旋和。
[0043] 傳感器外殼頂部3、傳感器外殼底部4與皮膚模擬元件1組裝后，在傳感器外殼底部 4與皮膚模擬元件1之間形成一柱形空氣層，該空氣層起到絕緣隔熱效果，減小皮膚模擬元 件1對(duì)外的熱量損失。
[0044]熱流密度計(jì)算：
[0045]在使用本發(fā)明的傳感器裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，將熱電偶2連接到數(shù)據(jù)采集裝置中， 通過(guò)軟件讀取皮膚模擬元件1表面的溫度變化信息。然后可通過(guò)以下公式，
[0047]將皮膚模擬元件1表面溫度轉(zhuǎn)化為皮膚表面的熱流密度信息。
[0048] _k為皮膚模擬元件的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m · K)
[0049] -p為皮膚模擬元件的密度(kg/m3)
[0050] -cp為皮膚模擬元件的比熱容(J/kg · K)
[0051 ] -At為時(shí)間間隔
[0052] -Tj為時(shí)間tj時(shí)刻的溫度值
[0053] -Tj-Ι為tj-Ι時(shí)刻的溫度值
[0054] -η為總時(shí)間步長(zhǎng)個(gè)數(shù)
[0055] 若皮膚模擬元件采用工業(yè)化的材料構(gòu)成，則其參考值為：導(dǎo)熱系數(shù)k，1.46 (W/m · K);密度P，2520(kg/m3);比熱容cp，790(J/kg · K)。
[0056]利用皮膚表面的熱流密度，即可以根據(jù)Pennes生物傳熱模型及Henriques燒傷模 型確定皮膚的燒傷等級(jí)，從而模擬閃火環(huán)境中防火服裝作用下皮膚的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，應(yīng)用于防 火服裝的防護(hù)性能測(cè)評(píng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，其特征在于，包括皮膚 模擬元件（1 )，皮膚模擬元件（1)與傳感器外殼匹配連接，傳感器外殼嵌在支撐板(7)內(nèi)，皮 膚模擬元件（1)的表面與貫穿皮膚模擬元件（1)和傳感器外殼的熱電偶（2)的探頭部分粘 接，傳感器外殼的頂部與把手(6)的底部匹配連接。2. 如權(quán)利要求1所述的一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，其 特征在于，所述的皮膚模擬元件（1)為柱形結(jié)構(gòu)，皮膚模擬元件（1)前端的半徑小于其主體 的半徑，皮膚模擬元件(1)內(nèi)設(shè)有第一孔(9)。3. 如權(quán)利要求2所述的一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，其 特征在于，所述的皮膚模擬元件(1)的材料可選擇Msem#材料或火腿材料。4. 如權(quán)利要求1所述的一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，其 特征在于，所述的傳感器外殼呈工字柱形結(jié)構(gòu)，傳感器外殼的中心法向設(shè)有便于熱電偶(2) 貫穿的第二孔(13)。5. 如權(quán)利要求4所述的一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，其 特征在于，所述的傳感器外殼包括傳感器外殼頂部(3)和傳感器外殼底部(4)，傳感器外殼 頂部(3)和傳感器外殼底部(4)之間通過(guò)螺紋方式旋合，傳感器外殼頂部(3)與把手(6)的底 部匹配連接，傳感器外殼底部(4)與皮膚模擬元件(1)匹配連接。6. 如權(quán)利要求1所述的一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，其 特征在于，所述的傳感器外殼的材料為高溫陶瓷材料，所述的支撐板(7)采用硅酸鋁陶瓷纖 維材料。7. 如權(quán)利要求1所述的一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，其 特征在于，所述的熱電偶(2)為具有絕緣外套的K型熱電偶。8. 如權(quán)利要求1所述的一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，其 特征在于，所述的把手(6)為中空的圓柱膠木材料。9. 如權(quán)利要求1所述的一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，其 特征在于，所述的熱電偶(2)的探頭部分依次貫穿把手(6)、傳感器外殼、皮膚模擬元件（1)， 并通過(guò)耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂膠粘合于皮膚模擬元件（1)表面，熱電偶(2)與皮膚模擬元件（1)之 間的間隙部分用耐高溫硅酸鹽粘接密封膠進(jìn)行封裝。10. 如權(quán)利要求1所述的一種防火服裝測(cè)試用模擬皮膚表面熱流密度的傳感器裝置，其 特征在于，該傳感器裝置的表面覆蓋耐高溫?zé)o機(jī)亞光黑色噴漆。
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK105866170SQ201610363188
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月27日
【發(fā)明人】翟麗娜, 李俊
【申請(qǐng)人】東華大學(xué)