航空救生智能感知材料技術(shù)研究

陳泳安 余紅英 樊永生

【摘要】為滿足新時代戰(zhàn)機作戰(zhàn)需求，適應(yīng)其日益加大的飛行強度和難度，設(shè)計了以各類CUP作為核心處理器，以各類纖維傳感器作為感知設(shè)備，結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸模塊，和特殊功能的高分子材料，重新編織、融合加工成為具有特殊功能的新材料，配合上位機遠程操控模塊，實現(xiàn)對飛行員各類身體生理指標的實時監(jiān)控，預(yù)防身體突發(fā)狀況，提高飛行質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】作戰(zhàn)需求;CUP;感知設(shè)備;傳輸模塊;材料

引言

隨著新型戰(zhàn)機性能越來越優(yōu)良，飛行強度和飛行難度日益加大，尤其當飛行員在進行高難度課目飛行時，戰(zhàn)斗機的高機動性、高載荷極易使飛行員產(chǎn)生暈厥，以及可能產(chǎn)生倒飛、翻滾等錯覺，影響戰(zhàn)機的作戰(zhàn)效能和飛行安全，甚至引發(fā)嚴重的飛行事故。航空衛(wèi)勤專家周亞軍曾指出：“飛行中的安全隱患，有時是感覺不出來的，對空中飛行員身體各項生理、心理健康指標進行實時監(jiān)測，可以大大提高航空衛(wèi)勤保障水平。”實時監(jiān)測飛行員的各項生理指標將有助于飛行員對自身身體出現(xiàn)的突發(fā)狀況進行預(yù)防、預(yù)警和處理，及時糾正由于身體狀況產(chǎn)生的生理錯覺，降低身體突發(fā)狀況的可能性，保障飛行質(zhì)量。

1.智能材料概述

智能感知材料是20世紀90年代迅速發(fā)展起來的一類新型復(fù)合材料。一般來講，它由各類纖維傳感器和具有特殊性能的高分子原料制作而成：可以在紡織品中加入經(jīng)過微型化處理的電子產(chǎn)品;還可以利用織造的方式，把具有特殊功能的材料與一般纖維交織，變成具有感應(yīng)裝置的布料，研究傳感功能和電子特性。

2.總體設(shè)計方案

智能材料主要由高分子纖維、各類植入纖維傳感器、信號傳輸與反饋單元、數(shù)據(jù)記錄儀以及地面上位機等幾部分組成。主要包括體溫測量模塊，血壓測量模塊，心率監(jiān)控模塊，脈搏檢測模塊，智能數(shù)據(jù)綜合處理模塊，上位機數(shù)據(jù)處理模塊等。最終的智能感知材料將被制作成飛行員的指定穿戴內(nèi)衣，以實現(xiàn)材料的各種功能。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

本方案設(shè)計的智能感知材料不但具備以上外部環(huán)境需求功能指標，還可以達到自身材料應(yīng)該具備的多種性質(zhì)，如耐高溫，吸水、吸汗性能和可以洗滌等。

2.1 系統(tǒng)工作原理

傳感器織物電極作為心電信號傳感器、體溫傳感器以及脈搏傳感器，通過特殊導(dǎo)線與測量單元相連接組成了傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責(zé)采集各種傳感器輸出的電信號并對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號存儲在存儲模塊中，通過無線網(wǎng)絡(luò)向地面上位機發(fā)送包含生理信號的數(shù)據(jù)包。上位機裝有監(jiān)護軟件，具有建立及存儲數(shù)據(jù)文件、顯示生理信號圖像、提取或計算生理信號特征信息、識別異常心電波形及輔助診斷等功能。用于地面指揮中心了解飛行員實時飛行身體狀況和綜合分析各類數(shù)據(jù)，從而對飛行員進行針對性訓(xùn)練。數(shù)據(jù)記錄儀則相當于智能感知材料的黑匣子，全程記錄傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，用于飛行結(jié)束后，對數(shù)據(jù)的分析、處理。

2.2 各模塊功能設(shè)計

2.2.1 體溫檢測模塊

光纖光柵是一種新型光無源器件，具有制作簡單、穩(wěn)定性好、體積小、抗電磁干擾、使用靈活等諸多優(yōu)點。由于光纖布拉格光柵體積小、重量輕，與紗線兼容并可織入織物內(nèi)部，因此是構(gòu)成智能材料最有潛力的傳感元件。系統(tǒng)采用測體溫方法是基于智能纖維材料傳感器的人體測溫方法。人體溫度測量的智能纖維材料利用不飽和樹脂高聚物進行封裝。使用五個智能纖維材料傳感器分別放置在右胸、右腋，左腋.后背和左胸。實驗中先測得各智能纖維材料傳感器反射中心波長數(shù)據(jù)，再結(jié)合5個智能纖維材料溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)，通過公式分析計算得到5個點的溫度測量值。

人體測溫的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 體溫測量模塊

圖2為基于可調(diào)諧F_P濾波的解調(diào)光路和電路，在解調(diào)光路中由寬帶光源SLED、隔離器、F-P濾波器構(gòu)成可調(diào)諧窄帶光源，在信號處理單元輸出的驅(qū)動電壓控制下，可調(diào)諧窄帶光源輸出不同中心波長的窄帶光，經(jīng)耦合器輸入到傳感光路。植入服裝中的分布式光纖布拉格光柵反射光經(jīng)光電探測器后輸出電信號，經(jīng)信號處理單元采樣后進行波長分析。信號處理電路對波長進行采集與處理，植入服裝中的分布式光纖布托格光柵反射光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，由信號調(diào)理電路進行放大和濾波，信號調(diào)理電路的輸出經(jīng)過處理器的采樣和存儲，并對采樣數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。處理后再傳給另外一個處理器，完成核心解調(diào)算法，并將溫度結(jié)果進行輸出。

2.2.2 脈搏檢測模塊

考慮到對人體無侵害性、體積限制、靈敏度、與服裝集成時安置的特殊需求等因素，選用由聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜制成的振動傳感器，PVDF壓電薄膜被層壓在很薄的聚酯基片上，其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、容易安裝、彈性好、靈敏度高、頻帶寬等優(yōu)點，能基本滿足脈搏測量的條件。脈搏模塊由傳感器、外接電路、電源、傳輸路線和信號采集卡組成。

2.2.3 心電檢測模塊

心電檢測儀是通過捕捉心電信號反應(yīng)人體心臟的健康程度，能夠捕捉到心電信號的部位都可以作為心電監(jiān)測部位。

模塊采用導(dǎo)聯(lián)線法是通過電極捕捉心電信號，可以將電極固定在服裝上，心電采集系統(tǒng)主要由四部分組成：放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換、存儲器、數(shù)據(jù)分析單元。

2.2.4 血壓測量模塊

該系統(tǒng)采用示波法來對血壓進行監(jiān)測。該血壓測量模塊主要有五大部分組成：氣路部分、壓力傳感器部分、前端數(shù)據(jù)采集及處理部分、控制芯片以及LCD顯示部分。模塊系統(tǒng)示意如圖3所示：

圖3 血壓測量模塊組成

氣路部分由氣泵、放氣閥與袖帶組成。該血壓測量模塊的袖帶位于檢測衣的袖臂的肱動脈處，可以通過控制氣泵袖帶進行充氣從而阻斷動脈血流，之后再通過控制放氣閥將袖帶內(nèi)的氣體逐漸排空。

前端采集處理部分由高通濾波電路、低通濾波電路、運算放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換組成。

2.2.5 智能數(shù)據(jù)處理中心

在智能數(shù)據(jù)處理中心CPU接收到參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中各模塊子系統(tǒng)實時監(jiān)測并且發(fā)送過來的數(shù)據(jù)之后，給定處理算法，由CPU整體、統(tǒng)一分析處理，并且智能顯示于上位機或者飛行戰(zhàn)機顯示屏。如果各項數(shù)據(jù)均正常，則處理中心整體對數(shù)據(jù)運算之后，顯示身體健康;如果任何一個模塊數(shù)據(jù)分析之后，不符合正常飛行員身體健康數(shù)據(jù)，身體健康診斷的專家診斷系統(tǒng)根據(jù)多項技術(shù)指標進行綜合判斷給出預(yù)警。

2.2.6 高分子纖維

作為各類纖維傳感器、測量單元以及導(dǎo)線的搭載平臺，又是飛行員的穿著內(nèi)衣材料，需要使用者貼身穿著。實現(xiàn)傳感器與原材料搭載的一體化，功能順利實現(xiàn)，還要保證飛行員的穿著舒適性;具有良好的彈性和可恢復(fù)性，以確保能與使用者皮膚完好接觸;用料舒適對皮膚無刺激;重量輕，外形結(jié)構(gòu)盡量簡約，減少對身體活動的限制;清洗方便。

2.2.7 穿戴內(nèi)衣

在本方案中，智能感知材料制作為飛行員特制穿戴內(nèi)衣，加工過程可以參考三維編織設(shè)備和三維異型整體編織技術(shù)。加工成功的穿戴內(nèi)衣設(shè)置有布線區(qū)、織物電極連接盤以及用來安衣放測量單元的口袋。

傳感器與處理器之間連接的導(dǎo)線可以利用具有感知和反應(yīng)的智能纖維與普通纖維交織，融入在服裝中。心電電極是用來傳導(dǎo)人體體表心電電平的導(dǎo)體，也稱做導(dǎo)引電極。目前臨床應(yīng)用的心電電極種類主要有金屬平板電極、吸附電極，粘性電極等。心電監(jiān)護儀采用電極片捕捉電信號時需要導(dǎo)聯(lián)線的連接，而導(dǎo)聯(lián)線在服裝表層影響美觀，在里層直接與皮膚接觸影響服裝的穿著舒適性，所以需要用材料將其固定遮蓋。材料選擇魔術(shù)貼，為了避免魔術(shù)貼表面粗糙影響觸感，將在魔術(shù)貼與皮膚的接觸面覆蓋面料，改善其舒適度。脈搏信號與體溫模塊的測量電極也可以采用相同的處理辦法。

3.材料設(shè)計可行性分析

智能感應(yīng)材料技術(shù)的研究國內(nèi)外雖然已經(jīng)取得一定的成果，國外有較多的產(chǎn)品出現(xiàn)。但并未獲得大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的進展。（1）為了實現(xiàn)智能功能，電子智能材料中不可避免要用到一些電子元件，用這些材料設(shè)計智能服裝時會影響服裝的穿著舒適性。如何將各種電子元件做成柔性體，將智能纖維與電子技術(shù)完美結(jié)合，技術(shù)還在初級階段;（2）目前開發(fā)的電子智能材料由于電子元件和布線等因素，有些電路系統(tǒng)比較復(fù)雜，大部分還是存在不方便洗滌的情況;（3）智能材料中的智能功能，在使用初期測試效果比較明顯，但經(jīng)過一段時間使用后，功能可靠性可能下降，同時在使用時由于一些外界因素會影響電子元件，也會影響其功能;（4）另外材料中的電子器件不可避免的會產(chǎn)生微小的電流磁場，運行過程中會產(chǎn)生微量輻射作用。

智能材料的生產(chǎn)工藝仍然處于研究、試驗階段，仍然存在功能的穩(wěn)定性，功能實現(xiàn)的難易，本身材料性質(zhì)對功能實現(xiàn)的制約，生產(chǎn)成本造價高等等問題。

4.創(chuàng)新點

（1）智能纖維和高分子原料融合技術(shù)

利用各類智能纖維傳感器和高分子原料生產(chǎn)出的智能材料是航空救生智能感知材料研究的核心技術(shù)。具有舒適性功能高分子原料織物提供了可穿戴式模型的整個工作平臺，所選用的纖維是依據(jù)欲達到的服裝功能來選擇的，再運用內(nèi)部隱藏式配線技術(shù)，高分子原料和各類傳感器實現(xiàn)了融合。

（2）先進傳感和數(shù)據(jù)處理技術(shù)

智能材料技術(shù)是整合了多功能模塊的系統(tǒng)集成技術(shù)，主要模塊包括檢測，數(shù)據(jù)采集及整理，數(shù)據(jù)處理及分析以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｏ到y(tǒng)對各種生理信號如心電信號、血壓、體溫、脈搏等各種生理信號的全方位監(jiān)測和綜合處理，判斷流程智能化、專家化。

5.結(jié)論

對于智能材料的研究，國內(nèi)外仍然處于初級階段?，F(xiàn)有的材料功能單一，結(jié)構(gòu)簡單，滿足不了現(xiàn)代化需求。航空救生智能材料的設(shè)計綜合了國內(nèi)外各項技術(shù)于一體，討論了具有各類纖維傳感器和CUP核心處理器組成的功能完善，設(shè)計貼近飛行員飛行需求的新型材料。對于航空飛行、醫(yī)療保健等具有重要意義。