CN104502132A - 一种安装有传感器的仿真人防爆评测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安装有传感器的仿真人防爆评测装置，所述装置包括仿真人，在仿真人身上设置有警用防护装备，在仿真人的头部、耳部、颈部、膝部、腰部和足部分别安装有传感器，传感器通过数据线与数据采集模块连接，数据采集模块通过数据处理模块处理后传送至数据评价模块，在仿真人的外部设有自由场测试架，自由场测试架上设置有自由场压力传感器，在仿真人的外部还设有摄像机，摄像机通过影像处理模块与数据评价模块连接。所述装置能够将仿真人体模型应用至警用防护装备效能评价领域，将防护装备的防护效能予以量化，能够从仿真人力学指标的角度对人体的损伤与防护开展研究。弥补了生物试验的不足，提高了逼近真人的数据可信度。

Description

一种安装有传感器的仿真人防爆评测装置

技术领域

本发明涉及防爆仿真评测技术领域，具体涉及一种安装有传感器的仿真人防爆评测装置。

背景技术

仿真人是一种能较为真实地模拟真人身体的设备，具有“外部形态相似性、材料组织等效性、内部结构仿真性、力学指标可测性”等特性，目前在车辆性能测试中应用较为广泛。为了能够有效进行数据采集、精确分析警用防护装备和人体的损伤、逼真模拟真人特性，准确、稳定、可重复性地对警用防护装备的防护能力进行评价，需要在警用防护装备效能评价中使用仿真人及其数据采集***。进行上述的警用防护装备防护能力判定时，需采用仿真人进行测试，为获得真实的数据，需要在仿真人上安装传感器，而目前，还没有任何关于传感器的安装方法方面的记载。

中国专利ZL：200810187549.0公开了一种单兵整体防护智能化***，包括头部装甲、躯干装甲和胳膊装甲，头部装甲转动连接在躯干装甲的顶端，在头部装甲的前面设有镶嵌防弹玻璃的观察口，在该头部装甲的口部位置设有过滤呼吸设备，在耳朵部位有细孔；在躯干装甲的两肩分别通过一万向节与一胳膊装甲连接，在每一胳膊装甲的中部设有弯曲节；在躯干装甲的背面设有带锁的、供人员进出的装甲门；在观察口或/和躯干装甲或/和胳膊装甲上设有智能化***。所述单兵整体防护智能化***是以单兵为基本单元，应用多种先进技术的高技术警用装备***，结合特殊机构使本***装备形成了一个有机的整体，从而全面增强单兵的防护、信息采集、通讯、抑制暴力，全面提高单兵的防护抑暴效能。但所述***不能用于防***方面的测试实验，也不能将自身的数据上传形成性能评测平台。

发明内容

本发明目的在于，克服现有技术中的缺陷，提供可将防护装备的防护效能予以量化，弥补了生物试验的不足，提高了逼近真人的数据可信度的安装有传感器的仿真人防爆评测装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：提供一种安装有传感器的仿真人防爆评测装置，所述装置包括仿真人，在仿真人身上设置有警用防护装备，在仿真人的头部、耳部、颈部、膝部、腰部和足部分别安装有传感器，传感器通过数据线与数据采集模块连接，数据采集模块通过数据处理模块处理后传送至数据评价模块，在仿真人的外部设有自由场测试架，自由场测试架上设置有自由场压力传感器，在仿真人的外部还设有摄像机，摄像机通过影像处理模块与数据评价模块连接。

优选的技术方案是，在所述仿真人的头部安装有测试单向加速度的传感器；在所述仿真人的颈部安装有测试颈部三向压力的传感器及测试颈部三向力矩的传感器；在所述仿真人的胸部内腔安装有测试胸部单向位移的传感器；在所述仿真人的胸部胸骨处安装有测试胸部位压力的传感器；在所述仿真人的膝部安装有测试膝部三方向压力的传感器以及测试三方向力矩的传感器；所述仿真人的足部安装有测试足部三方向压力的传感器以及测试足部三方向力矩的传感器。

优选的技术方案还有，在所述仿真人的耳部与胸部安装有外置的传感器。

优选的技术方案还有，在所述仿真人的外部安装有伤害源悬挂支架，伤害源被悬挂在伤害源悬挂支架上，使自由场测试架到伤害源悬挂支架的距离与到仿真人的距离相等。

进一步优选的技术方案还有，所述传感器包括粘贴在仿真人皮肤上的壁面压力传感器，壁面压力传感器的敏感面朝向仿真人的皮肤，所述传感器还包括粘贴在警用防护装备上的自由场压力传感器，自由场压力传感器的敏感面平行于冲击波传播方向。

优选的技术方案还有，所述自由场测试架上的自由场压力传感器的敏感面平行于冲击波传播方向。

进一步优选的技术方案还有，所述伤害源为TNT***。

优选的技术方案还有，所述摄像机为高速摄像机。

优选的技术方案还有，将所述仿真人与自由场测试架设置在空旷场地中。

本发明的优点及有益效果是：

1、所述装置能够将仿真人体模型应用到警用防护装备效能评价领域，可将防护装备的防护效能予以量化。

2、所述装置能够从仿真人力学指标的角度对人体的损伤与防护开展研究。弥补了生物试验的不足，提高了逼近真人的数据可信度。

3、所述装置能够搭建基于仿真人体模型的警用装备防护效能平台，对典型警用防护装备进行效能评估，提出相应的效能评价方法。

附图说明

图1为本发明安装有传感器的仿真人防爆评测装置框图；

图2为本发明安装有传感器的仿真人防爆评测装置安装结构示意图；

图3为本发明安装有传感器的仿真人防爆评测装置中传感器选用与安装方案表。

图中：1-仿真人，2-传感器，3-数据采集模块，4-数据处理模，5-数据评价模块，6-自由场测试架，7-摄像机，8-影像处理模块，9-伤害源悬挂支架，10-伤害源。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明一种安装有传感器的仿真人防爆评测装置，所述装置包括仿真人1，在仿真人1的身上设置有警用防护装备，在仿真人1的头部、耳部、颈部、膝部、腰部和足部分别安装有传感器2，传感器2通过数据线与数据采集模块3连接，数据采集模块3通过数据处理模4处理后传送至数据评价模块5，在仿真人1的外部设有自由场测试架6，自由场测试架6上设置有自由场压力传感器，在仿真人1的外部还设有摄像机7，摄像机7通过影像处理模块8与数据评价模块5连接。

本发明优选的实施方案是，在所述仿真人1的头部安装有测试单向加速度的传感器2；在所述仿真人1的颈部安装有测试颈部三向压力的传感器2及测试颈部三向力矩的传感器2，在所述仿真人1的胸部内腔安装有测试胸部单向位移的传感器2；在所述仿真人1的胸部胸骨处安装有测试胸部位压力的传感器2；在所述仿真人1的膝部安装有测试膝部三方向压力的传感器2以及测试三方向力矩的传感器2；所述仿真人1的足部安装有测试足部三方向压力的传感器2及测试足部三方向力矩的传感器2。

本发明优选的实施方案还有，在所述仿真人1的耳部与胸部安装有外置的传感器2。

本发明优选的实施方案还有，在所述仿真人1的外部安装有伤害源悬挂支架9，伤害源10被悬挂在伤害源悬挂支架9上，使自由场测试架6到伤害源悬挂支架9的距离与到仿真人1的距离相等。

本发明进一步优选的实施方案还有，所述传感器2包括粘贴在仿真人皮肤上的壁面压力传感器，壁面压力传感器的敏感面朝向仿真人的皮肤，传感器2还包括粘贴在警用防护装备上的自由场压力传感器，自由场压力传感器的敏感面平行于冲击波传播方向。

本发明优选的实施方案还有，所述自由场测试架6上的自由场压力传感器的敏感面平行于冲击波传播方向。

本发明进一步优选的实施方案还有，所述伤害源10为TNT***。

本发明优选的实施方案还有，所述摄像机7为高速摄像机。

本发明优选的实施方案还有，将所述仿真人1与自由场测试架6设置在空旷场地中。

实施例

一种安装有传感器的仿真人防爆评测装置，在仿真人1上安装传感器2后，能够用于评价警用防护装备效能的平台，所述平台利用仿真人1模拟真人穿着排爆服作业的姿势，通过仿真人1身体里埋植的传感器，测试头部加速度和超压、颈部力与力矩、胸部位移、加速度和超压、膝部和足部加速度和位移、自由场超压等参数，计算人体受到的损伤指标参数，从而评价排爆服抵御和衰减冲击波的能力。

本发明提供的评价警用防护装备效能的平台包括：仿真人1、传感器2、数据采集模块3、数据处理模块4和数据评价模块5、伤害源、高速的摄像机7、自由场测试架6、警用防护装备、测量定位装置。

(一)、仿真人

所述仿真人1为一种能较为真实模拟真人身体的设备，具有外部形态相似性、材料组织等效性、内部结构仿真性、力学指标可测性等特性。能够真实的进行身体姿势定位以代表姿态，能保持数据处理过程中的响应一致性，可保证与伤害来源距离的可度量性、能够实现试验的可重复性。从而有效进行数据采集、精确分析警用防护装备和人体的损伤、逼真模拟真人特性，准确、稳定、可重复性地对警用防护装备的防护能力进行评价。例如以Hybrid III型仿真人为例，仿真人的材质以橡胶、塑料模拟人体的皮肤、肌肉和内脏等，以金属(钢、铁、铝、铝合金、钛合金等)模拟人体的骨骼；在身高和整体重量上模拟东方人种的平均身高和体重，且各部位的结构、尺寸和重量与真人相同。

(二)、传感器

在仿真人1的身体上，遍布着大约100个传感器，最多可以为200多个信道提供数据，并以每秒至少2000次以上的速度刷新数据。本发明主要检测仿真人1的头部、颈部、胸部、足部、膝部等位置的力学响应，选取了其中的1-50个传感器2，以测定这些部位的冲击力学响应，所选用的传感器2的种类如下：(1)安装在头部用于测试头部加速度单向的传感器；(2)安装在上颈部用于测试颈部力三方向传感器以及用于测试颈部力矩三方向的传感器；(3)安装在胸腔内用于测试胸部单向位移的传感器；(4)安装在胸骨处用于测试胸部位置单向压力的传感器；(5)安装在膝部用于测试膝部力三方向的传感器以及用于测试力矩三方向的传感器；(6)安装在足部用于测试足部力三方向传感器以及足部力矩三方向传感器。此外，为在仿真人1的耳部与胸部又安装了外置传感器，以测定这两个部位的冲击波超压；为验证试验的有效性与可重复性，需在警用防护装备之外，离伤害源10的距离等同于警用防护装备离伤害源10的距离处，安装自由场传感器，其参数如下：自由场超压传感器，安装在警用防护装备之外，离伤害源10的距离等同于警用防护装备离伤害源10的距离处，测试自由场超压；耳部冲击测试传感器，安装在耳部，测试耳部冲击；胸部冲击测试传感器，安装在胸部，测试胸部冲击。

本发明分别采用了多种传感器及安装方式；分别将壁面压力传感器安装于仿真人1的头部、上胸部、腰部，将自由场传感器安装于耳部、胸部、排爆服外侧、支架等位置，制定了3套传感器选取方案。

(三)、数据采集模块、数据处理模块和数据评价模块

所述数据采集模块采用多通道型数采***，所述数据采集模块至少共有1-50个通道，包括1-40个低速通道(1-500K)、1-20个高速通道(1-5M)。低速通道用于采集仿真人1的数据，高速通道用于测试***冲击。

在试验过程中，将低速通道的采样频率设置为1-100k，低通滤波设置为1-3000hz，将高速通道的采样频率设置为1-2M，低通滤波设置为1-15000hz。数据采集完成后，采用***附带软件进行动力信号后处理。

(四)、高速的摄像机

所述高速的摄像机7由数字式高速彩色摄像机、数据处理软件、笔记本电脑等其他外设设备组成，拥有各种镜头、摄像光源等多套辅助设备。其中高速彩色摄像机主要技术指标如下：拍摄速度：全幅到1-10000帧/秒；曝光时间：0.01-100微秒可调；分幅设定：可到500000帧/秒；灵敏度：彩色1600ISO/ASA；传感器：1280X800像素，CMOS彩色；触发方式：连续可变前后触发。所述高速的摄像机7与试验现场刻度标尺结合使用，可以实现对***前后仿真人1、测试装备的位移、速度测定。

(五)、伤害源

根据伤害来源10的模拟制作的简易伤害源，如***试验采用标准制式球状TNT***(密度为1.56g/cm³)等；撞击实验为摆锤、落锤试验机等；防弹实验为弹道枪及子弹(破片弹、铅芯弹等)等相关设备。试验过程中，伤害源10与身着警用防护装备的仿真人1的距离是从伤害源10中心至仿真人1躯干正中的测量距离。

(六)、自由场测试架

自由场测试架用于支撑定位后的仿真人1、伤害源和自由场传感器，自由场测试架6须固定在一空旷场地中。

(七)、警用防护装备

选用的警用防护装备为通过相关标准检测的合格的警用防护装备。

如图2所示，本发明安装有传感器的仿真人防爆评测装置是以排爆服的防护性能评价为例，选用的两种排爆服为通过相关标准检测的合格的排爆服(以下简称B和C)、阻燃服(该阻燃服相当于无防护，以下简称A)，伤害源为标准制式TNT***，其密度为1.56g/cm3，***当量500g，采用8号***引爆。***实验采用第三种传感器安装方式，即分别将壁面压力传感器安装于仿真人1的头部、上胸部、腰部，将自由场传感器安装于耳部、胸部、排爆服外侧、自由场测试架等位置。试验过程中，采用软绳将***悬空于离地1m的高度，距待评价的实验对象距离3m。根据试验的方便性与试验的连续性，将穿着衣服的仿真人置于场地中心，根据试验要求，调整传感器的位置及爆心的位置，实验设备架设示意图如说明书附图2所示。根据此种方案安装的传感器所测得的数据分析排爆服对***冲击的衰减特性、防爆能力以及使用安全性。

一、排爆服对***冲击的衰减特性

1、头盔对冲击波的衰减，在3m距离，500g当量下，三种状态下(分别穿着A、B和C三套服装)耳部压力传感器所测得的压力峰值分别0.05894、0.01084和0.01464，B、C两种头盔对冲击波的衰减率为81.6％和75.1％。排爆服头盔对冲击波予以较大衰减，佩戴头盔则有效保护了涉爆人员的耳部安全。

2、排爆服对冲击波的衰减，在3m距离，500g当量下，三种状态下(分别穿着A、B和C三套服装)胸部压力传感器所测得的压力峰值分别为0.12310、0.02426和0.05993，B、C两种排爆服对冲击波的衰减率分别为80.3％和51.3％，说明排爆服对***冲击波具有较大的衰减作用，能够较大程度的衰减冲击波，保证了人员的安全。

二、排爆服的防爆能力差异性比较

为比较两种排爆服的防爆能力差异性，以服装C作为基准参考，在3m距离、500g当量下，B、C两种排爆服胸部压力传感器所测得的压力峰值分别为0.02426和0.05993，相比于排爆服C，排爆服B的压力峰值较低，说明排爆服B对冲击波的衰减更强，即在3m/500g的试验工况下，排爆服B防爆性能更加优异。

三、排爆服的使用安全性

1、头部损伤评价，根据实验数据，计算得出头部HIC值，在3m/500g的试验情况下，HIC值小于4，远小于损伤阈值1000；头部加速度峰值均未超过50g，且在使用排爆头盔后，加速度峰值得以明显降低；头部3ms加速度值也未超过50g。因此由***冲击引起的头部振动和加速度不足以对人体头部产生损害，说明穿着排爆服B和C后人体头部是安全的。

2、颈部损伤评价，在3m/500g的试验情况下，仿真人颈部剪力Fx均不超过300N，颈部张力Fz均不超过500N，远远低于(3.1kN0ms，1.5kN25-35ms，1.1kN45ms)的限值；仿真人颈部张力矩未超过20Nm，低于颈部力矩57Nm的限值，因此颈部不会因受到剪力、拉力和拉力矩的损伤，说明穿着排爆服B和C后人体颈部是安全的。

3、胸部损伤评价，在3m/500g的试验情况下，胸部压缩量的值均未超过10mm，低于50mm的限值；胸部加速度峰值均未超过50g，小于胸部加速度限值60g；胸部3ms加速度值也未超过60g，因此胸部不会因***冲击波的作用产生的压缩和加速度变化而受到损伤，说明穿着排爆服B和C后人体胸部是安全的。

本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种安装有传感器的仿真人防爆评测装置，其特征在于，所述装置包括仿真人，在仿真人身上设置有警用防护装备，在仿真人的头部、耳部、颈部、膝部、腰部和足部分别安装有传感器，传感器通过数据线与数据采集模块连接，数据采集模块通过数据处理模块处理后传送至数据评价模块，在仿真人的外部设有自由场测试架，自由场测试架上设置有自由场压力传感器，在仿真人的外部还设有摄像机，摄像机通过影像处理模块与数据评价模块连接。

2.如权利要求1所述的安装有传感器的仿真人防爆评测装置，其特征在于，在所述仿真人的头部安装有测试单向加速度的传感器；在所述仿真人的颈部安装有测试颈部三向压力的传感器及测试颈部三向力矩的传感器；在所述仿真人的胸部内腔安装有测试胸部单向位移的传感器；在所述仿真人的胸部胸骨处安装有测试胸部位压力的传感器；在所述仿真人的膝部安装有测试膝部三方向压力的传感器以及测试三方向力矩的传感器；所述仿真人的足部安装有测试足部三方向压力的传感器以及测试足部三方向力矩的传感器。

3.如权利要求1所述的安装有传感器的仿真人防爆评测装置，其特征在于，在所述仿真人的耳部与胸部安装有外置的传感器。

4.如权利要求1所述的安装有传感器的仿真人防爆评测装置，其特征在于，在所述仿真人的外部安装有伤害源悬挂支架，伤害源被悬挂在伤害源悬挂支架上，所述自由场测试架到伤害源悬挂支架的距离与到仿真人的距离相等。

5.如权利要求2所述的安装有传感器的仿真人防爆评测装置，其特征在于，所述传感器包括粘贴在仿真人皮肤上的壁面压力传感器，壁面压力传感器的敏感面朝向仿真人的皮肤，传感器还包括粘贴在警用防护装备上的自由场压力传感器，自由场压力传感器的敏感面平行于冲击波传播方向。

6.如权利要求1所述的安装有传感器的仿真人防爆评测装置，其特征在于，所述自由场测试架上的自由场压力传感器的敏感面平行于冲击波传播方向。

7.如权利要求4所述的安装有传感器的仿真人防爆评测装置，其特征在于，所述伤害源为TNT***。

8.如权利要求1所述的安装有传感器的仿真人防爆评测装置，其特征在于，所述摄像机为高速摄像机。

9.如权利要求1所述的安装有传感器的仿真人防爆评测装置，其特征在于，将所述仿真人与自由场测试架设置在空旷场地面上。