摘 要:頭盔式消防用紅外熱像儀因攜帶方便、輕便高效,逐漸被消防部隊所接受。本文圍繞一款新型頭盔式消防用紅外熱像儀的設(shè)計展開探討。總結(jié)了頭盔式熱像儀的現(xiàn)狀與不足,提出了總體設(shè)計三原則。以GA635標準為基礎(chǔ),結(jié)合部隊實戰(zhàn)需求,確定了主要技術(shù)指標參數(shù)。綜合對比分析一體式結(jié)構(gòu)、目鏡獨立式結(jié)構(gòu)和三分式結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點,選擇三分式作為整體結(jié)構(gòu)方案。經(jīng)測試鑒定,新型頭盔式消防用紅外熱像儀的設(shè)計是科學、合理的。
關(guān)鍵詞:頭盔式;消防用紅外熱像儀;設(shè)計
消防用紅外熱像儀具有將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)換成可分辨圖像信號的功能,而被廣泛用于火情偵查、被困人員搜救、泄漏位置確定、火場清理、火災(zāi)調(diào)查等消防作業(yè),是一項重要的滅火救援實戰(zhàn)裝備。消防用紅外熱像儀按佩戴使用方式可分為手持式和頭盔式(頭戴式)。頭盔式消防用紅外熱像儀(以下簡稱頭盔式熱像儀)解放消防員雙手,有利于單兵戰(zhàn)斗力的充分發(fā)揮,符合消防單兵裝備“輕便化、集成化”發(fā)展趨勢,得到消防部隊認可,配備使用力度逐步加大。作者團隊研制了一款新型頭盔式熱像儀,文章將就新型頭盔式熱像儀的技術(shù)指標設(shè)計和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計與讀者交流探討。
1 現(xiàn)狀與不足
頭盔式熱像儀通常是指以消防頭盔為載體,將紅外熱像儀與之集成整合的一種紅外熱像儀。我國消防部隊配備使用的頭盔式熱像儀種類較多,國產(chǎn)產(chǎn)品和進口產(chǎn)品兼有。調(diào)研了解到,實戰(zhàn)中頭盔式熱像儀攜帶便利、使用方便,但也存在不少需要進一步改進之處,主要包括:(1)災(zāi)害現(xiàn)場的高溫和水易導(dǎo)致電子設(shè)備損壞,耐高溫、防水兩項性能須進一步提高;(2)重量較重,消防員頭頸部易疲勞甚至損傷,須進一步減輕重量;(3)微型顯示器作為目鏡在實戰(zhàn)中使用效果不佳,目鏡的顯示方式和結(jié)構(gòu)急需改進。
2 總體設(shè)計原則
為更加符合實戰(zhàn)需要,進一步提高使用效能,新型頭盔式熱像儀按照以下三原則展開設(shè)計:(1)參標原則。GA/T 635《消防用紅外熱像儀》標準對消防用紅外熱像儀性能指標及試驗方法有明確規(guī)定,頭盔式熱像儀屬消防用紅外熱像儀范疇,其設(shè)計性能指標應(yīng)不低于GA/T 635標準。(2)舒適原則。頭頸部是消防員相對脆弱的身體部位,頭盔式熱像儀要兼顧功能性和舒適性,減小體積、減輕重量、保持重心相對平衡。(3)頭盔無損傷原則。消防頭盔是消防員進入災(zāi)害現(xiàn)場必備的頭部個人防護裝備,頭盔損傷意味著防護性能降低。
3 主要技術(shù)指標設(shè)定
新型頭盔式熱像儀按照總體設(shè)計三原則,以GA635標準為基礎(chǔ),并結(jié)合部隊實戰(zhàn)要求,確定了其主要技術(shù)指標參數(shù)。主要技術(shù)指標包括:采樣幀速率、探測器類型、工作波段、重量、空間分辨力、噪聲等效溫差(NETD)、測溫范圍、溫度測量允許誤差、溫度漂移、連續(xù)穩(wěn)定工作時間、特定環(huán)境溫度持續(xù)工作時間、抗跌落性能、外殼防水等13項。除“重量”指標外,其余12項技術(shù)指標參數(shù)均參照GA635標準設(shè)定。對重量而言,現(xiàn)有手持式消防用紅外熱像儀重量大都在3kg左右,頭盔式熱像儀大都在2kg左右,消防部隊普遍反映現(xiàn)有頭盔式熱像儀重,長時間佩戴頭頸部易疲勞。因此,作為新型頭盔式熱像儀的設(shè)計亮點,也是技術(shù)攻關(guān)的重點和難點問題,將新型頭盔式熱像儀的“重量”指標設(shè)定為“不大于1.5kg”,高于GA635標準規(guī)定的“不大于3kg”。
4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
新型頭盔式熱像儀主要由主機、目鏡、連接固定裝置、電池和頭盔共五個主要部分組成。其中,紅外熱像儀主機是核心部分,包括機芯組件、鏡頭組件等;連接固定裝置是用于將紅外熱像儀主機與頭盔相連的機構(gòu);頭盔用于承載紅外熱像儀。研究發(fā)現(xiàn),提高頭盔式熱像儀佩戴舒適性除了減輕重量外,頭部負載重心平衡也十分關(guān)鍵。為此設(shè)計了三種結(jié)構(gòu)進行比較:
4.1 一體式結(jié)構(gòu)
一體式結(jié)構(gòu)將機芯、目鏡、電池等做成一個整體,再由連接固定裝置固定在消防頭盔上。使用時,將主機整體下翻至眼前方。如圖1所示。
一體式結(jié)構(gòu)的特點是:(1)結(jié)構(gòu)簡單,沒有復(fù)雜的連接機構(gòu),易于操作,可靠性高;(2)可借鑒手持式紅外熱像儀的結(jié)構(gòu)進行整體防護,實現(xiàn)整機的耐高溫、防水、抗跌落等性能的技術(shù)難度相對較小,當前國內(nèi)外軍隊、消防等行業(yè)頭盔式熱像儀大多采用此種結(jié)構(gòu)。
該設(shè)計不足之處在于:體積大、重量重,固定在帽檐上不利于頭盔重心平衡,容易導(dǎo)致頭盔前傾,增加消防員負擔。
4.2 目鏡獨立式結(jié)構(gòu)
該設(shè)計是將目鏡分離出來,主機和目鏡分別由連接固定裝置固定在消防頭盔的不同位置。使用時,只需將目鏡翻轉(zhuǎn)即可,主機不需翻轉(zhuǎn),如圖2所示。其特點是:(1)重量分布較均衡,有利于穩(wěn)定頭盔的重心;(2)使用時僅需翻轉(zhuǎn)目鏡,翻轉(zhuǎn)部分體體積小,操作更方便且不易發(fā)生磕碰。
不足之處在于:部件、連接件增多,實現(xiàn)耐高溫、防水、抗跌落等性能的技術(shù)難度較大。
4.3 三分式結(jié)構(gòu)
在目鏡獨立式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,再將電源分離出來。該結(jié)構(gòu)中,電源不再固定在頭盔上而是掛在消防腰帶上,進一步減輕了重量,主機和目鏡的重量更加接近,重心也更加平衡。
經(jīng)綜合分析比較,三分式結(jié)構(gòu)在減輕重量和平衡重心兩個方面更有優(yōu)勢,故選定三分式結(jié)構(gòu)作為新型頭盔式熱像儀的整體結(jié)構(gòu)方案。此外通過試驗對比發(fā)現(xiàn),消防員佩戴空氣呼吸器作業(yè)時,空呼器面罩會導(dǎo)致消防員眼睛無法貼近微顯示器,圖像效果大打折扣,故選用3.5寸液晶屏作為新型頭盔式熱像儀的目鏡。以此為基礎(chǔ),完成了新型頭盔式熱像儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計,如圖3所示。
圖3 新型頭盔式熱像儀設(shè)計圖
新型頭盔式熱像儀的設(shè)計具有以下特點:
(1)主機和目鏡分別固定在消防頭盔左右兩側(cè),有利于均衡分布重量,穩(wěn)定頭盔重心;(2)電池掛在消防腰帶上,減輕頭部負荷;(3)為便于調(diào)整觀察角度,主機可在±15°內(nèi)俯仰調(diào)節(jié),如圖4所示;(4)目鏡位置可調(diào),不使用時可放置在頭盔頂上,戰(zhàn)時再放下,攜帶更方便;(5)顏色采用黃色、銀色和黑色,整體效果協(xié)調(diào)美觀。
5 測試與結(jié)論
為檢驗設(shè)計合理性及產(chǎn)品性能,對生產(chǎn)加工出的新型頭盔式熱像儀實用產(chǎn)品(如圖4所示)開展了一系列嚴格測試。新型頭盔式熱像儀的測試結(jié)果全部達到設(shè)計指標要求,已于2013年通過了國家消防裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的檢驗,截止到文章刊發(fā)為止,是當前國內(nèi)外頭盔式熱像儀產(chǎn)品中唯一符合GA635標準要求并取得檢驗證書的產(chǎn)品,目前已配備消防部隊使用,得到官兵認可。綜上所述,新型頭盔式熱像儀的指標設(shè)計是科學的,基于三分式的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。
參考文獻
[1]賀宜亮.發(fā)展國產(chǎn)紅外熱像儀的挑戰(zhàn)與機遇[J].紅外與激光工程,2006,35(Z5).
[2]吳誠,蘇君紅,潘順臣.非致冷紅外焦平面技術(shù)述評(上)[J].紅外技術(shù),1999,21(1):6-9.
[3]張曉青,王麗敏.基于紅外探測技術(shù)的器材在消防領(lǐng)域中的應(yīng)用[A].中國科學技術(shù)協(xié)會.2008年(第十屆)中國科協(xié)年會論文集[C].2008.
作者簡介:施巍(1981.8-)男,本科學歷,現(xiàn)攻讀同濟大學工程碩士。任職于公安部上海消防研究所,副研究員,研究方向:消防搶險救援裝備技術(shù)。