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        一種新型智能口罩的設(shè)計(jì)

        2016-12-27 22:11:49魏佳濱曾沁妍袁亞非
        關(guān)鍵詞:智能

        魏佳濱 曾沁妍 袁亞非

        摘 要:當(dāng)前,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,在高速發(fā)展的同時(shí),日益惡劣的空氣質(zhì)量給廣大人民的工作和生活帶來(lái)不便,甚至嚴(yán)重威脅健康?;诖?,筆者設(shè)計(jì)了一款新型智能口罩。該口罩能大幅降低對(duì)空氣中有害顆粒的吸入量。在能高效防塵的基礎(chǔ)上,濾芯外側(cè)的PM2.5感應(yīng)器能夠?qū)⒂脩羲幁h(huán)境中的環(huán)境情況通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)反饋給用戶,由濾芯中內(nèi)外感應(yīng)器構(gòu)成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠通過(guò)數(shù)據(jù)比較達(dá)到當(dāng)濾芯失效后的報(bào)警功能,通過(guò)這項(xiàng)功能來(lái)避免使用者二次吸入粉塵的現(xiàn)象發(fā)生。針對(duì)大范圍,多層次的人群,該產(chǎn)品能滿足廣大用戶日常出行、工作的需要。

        關(guān)鍵詞:DID口罩;高粉塵環(huán)境;智能;健康

        中圖分類號(hào):TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-8937(2016)33-0001-02

        1 概 述

        當(dāng)前,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,在獲得高速發(fā)展的同時(shí),人們的生存環(huán)境質(zhì)量也隨之變得越來(lái)越差,給廣大人民的工作和生活帶來(lái)不便,甚至嚴(yán)重威脅健康。一方面,隨著空氣中PM2.5濃度的持續(xù)增加,人們患呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)疾病的機(jī)率越來(lái)越高。另一方面,我國(guó)有大量工作于粉塵環(huán)境的產(chǎn)業(yè)工人,此類特殊人群罹患?jí)m肺病等呼吸系統(tǒng)疾病的機(jī)率更高于普通人群。每年塵肺病給國(guó)家造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾十億元。因此,防治粉塵危害、預(yù)防塵肺病是當(dāng)前亟待解決的課題。針對(duì)當(dāng)前的情況,目前國(guó)內(nèi)常見的防護(hù)措施多采用自吸式防塵口罩,其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,口罩密合性較差,如果口罩與面部接觸不嚴(yán),就會(huì)泄漏而降低防塵效果。同時(shí),這種口罩會(huì)隨著濾塵量的增多而增大吸氣阻力,使佩戴者產(chǎn)生憋氣感,會(huì)造成工人不愿佩戴防塵口罩,從而加大了工人罹患?jí)m肺病的概率。由此看來(lái),現(xiàn)有口罩并無(wú)法實(shí)現(xiàn)廣大用戶的日常需求,也無(wú)法達(dá)到特殊人群的需要。因此,筆者將開發(fā)一種舒適的、濾塵效果好的智能口罩,解決現(xiàn)有防塵口罩防塵效果差等問(wèn)題。

        2 常見口罩防護(hù)效果

        目前我國(guó)顆粒物防護(hù)口罩有不同的過(guò)濾效率級(jí)別,不同級(jí)別由產(chǎn)品所適用的標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定。根據(jù)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2626-2006,防顆粒物口罩被分為KN和KP類。KN類的口罩只能過(guò)濾非油性顆粒物,比如:粉塵、酸霧、漆霧、微生物等。KP類口罩則既可過(guò)濾非油性顆粒物,又可過(guò)濾油性顆粒物。油性顆粒物比如:油煙、油霧等。此外,還有國(guó)際上還有美國(guó)NIOSH (國(guó)家職業(yè)安全健康研究所)認(rèn)證 、歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)認(rèn)證 。而能達(dá)到此類標(biāo)準(zhǔn)的已經(jīng)是專業(yè)級(jí)別的防塵口罩,通過(guò)原理是在風(fēng)機(jī)的作用下,氣體從入風(fēng)口進(jìn)入測(cè)量腔中,檢測(cè)儀可以檢測(cè)測(cè)量腔中的PM2.5值的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),3M口罩N95級(jí)別的產(chǎn)品過(guò)濾效率可以達(dá)到98%。帶夾層濾芯的口罩,由于空氣不但從濾芯中穿過(guò),而且從周圍的布料上穿過(guò),過(guò)濾效率達(dá)到47%。醫(yī)用一次性口罩因其價(jià)格低廉、佩戴方便、質(zhì)地輕盈、無(wú)需清洗等優(yōu)點(diǎn)而受到很多人的選擇,濾性是43%。棉口罩,幾乎沒(méi)有過(guò)濾PM2.5的效果,過(guò)濾效率僅為4%。

        3 方案設(shè)計(jì)

        針對(duì)以上情況,筆者設(shè)計(jì)了一款智能產(chǎn)品——DID智能口罩。DID智能口罩能夠大大降低對(duì)空氣中有害顆粒的吸入量。在能高效防塵的基礎(chǔ)上,濾芯外側(cè)的PM2.5感應(yīng)器能夠?qū)⒂脩羲幁h(huán)境中的環(huán)境情況通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)反饋給用戶,由濾芯中內(nèi)外感應(yīng)器構(gòu)成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠通過(guò)數(shù)據(jù)比較達(dá)到當(dāng)濾芯失效后的報(bào)警功能,通過(guò)這項(xiàng)功能來(lái)避免使用者二次吸入粉塵的現(xiàn)象發(fā)生。

        另外,由于口罩帶的柔性織物特殊材質(zhì),能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)使用者心率的功能并且通過(guò)手機(jī)APP向用戶進(jìn)行反饋。為了方便用戶使用,口罩濾芯和口罩可分離,隨時(shí)進(jìn)行濾芯的更換,口罩再也不是一次性的消耗品了,更加環(huán)保符合市場(chǎng)需求。

        另外為了避免口罩無(wú)法及時(shí)更換造成二次吸入污染物,通過(guò)采集口內(nèi)外設(shè)置的兩個(gè)PM2.5傳感器模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),當(dāng)內(nèi)外傳感器計(jì)量接近一致時(shí)說(shuō)明口罩失效,對(duì)人們發(fā)出更換濾芯的信號(hào)。

        此外,DID智能口罩的口罩綁帶采用了柔性織物材料,能夠?qū)θ梭w機(jī)能進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)手機(jī)APP向用戶提供數(shù)據(jù)。綜上所述,DID智能口罩能夠向大眾人群提供:監(jiān)測(cè),預(yù)警,防護(hù)三項(xiàng)服務(wù)。

        4 傳感器模塊主要技術(shù)指標(biāo)

        本設(shè)計(jì)方案的核心部件為夏普公司的GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器模塊。GP2Y1010AU0F 是一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器,設(shè)計(jì)用來(lái)感應(yīng)空氣中的塵埃粒子,能檢測(cè)出室內(nèi)空氣中的灰塵和煙塵含量。用夏普GP2Y1010AU0F灰塵傳感器價(jià)格較低廉,可有效降低產(chǎn)品成本。GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器電路結(jié)構(gòu),如圖1所示。

        檢測(cè)原理:

        其內(nèi)部對(duì)角安放紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管,使得其能夠探測(cè)到空氣中塵埃反射光,即使非常細(xì)小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測(cè)到。傳感器中心有個(gè)孔可以讓空氣自由流過(guò)。發(fā)光二極管定向發(fā)射LED光,通過(guò)檢測(cè)經(jīng)過(guò)空氣中灰塵折射過(guò)后的光線來(lái)判斷灰塵的含量。如圖2所示。

        GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器主要參數(shù):

        ①靈敏度:0.5 V/(0.1 mg/m3);

        ②輸出電壓(無(wú)灰塵):0.9 V(TYP);

        ③消耗電流:11 mA;

        該傳感器具有非常低的電流消耗(最大20 mA,典型值

        11 mA),可使用高達(dá)7VDC。該傳感器輸出為模擬電壓,其值與粉塵濃度成正比??蓽y(cè)量0.8微米以上的微小粒子,感知煙氣、花粉,房屋粉塵等.體積小,重量輕,便于安裝。

        5 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        5.1 過(guò)濾材料

        DID智能口罩以無(wú)紡布作為基本材料,母體由抗菌面料形成的保護(hù)層,材質(zhì)為碳纖維氈墊、高分子織物、多層超細(xì)纖維、無(wú)紡布??谡譃V芯是由內(nèi)外PM2.5感應(yīng)器及PM2.5感應(yīng)器之間的多層織物構(gòu)成,多層織物由碳釬維布和過(guò)濾布構(gòu)成,碳纖維布是加入了無(wú)粉塵顆?;钚蕴俊⒔?jīng)過(guò)納米銀殺菌劑技術(shù)處理的濾片。每個(gè)濾片都經(jīng)過(guò)微靜電處理細(xì)微顆粒主動(dòng)吸附在過(guò)濾片上,能夠達(dá)到多層過(guò)濾,的效果,從而起到防氣味、防低毒、防油煙、防灰塵、防霧霾、防PM2.5的作用。

        5.2 智能傳感材料

        DID智能口罩的口罩采用不同于傳統(tǒng)口罩帶的SOFTCEPTOR柔性織物材料。SOFTCEPTOR柔性織物是珠海安潤(rùn)普公司基于新型柔性織物傳感技術(shù)而開發(fā)的。SOFTCEPTOR技術(shù)將傳感技術(shù)與柔性織物融合,將碳基導(dǎo)電材料涂層在彈性織物基底上,通過(guò)織物的拉伸、壓縮等形變以及生物電的采集,可以連續(xù)監(jiān)測(cè)人體呼吸、心率、運(yùn)動(dòng)、睡眠、步態(tài)等信息。相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體、金屬等硬的傳感器,不僅具有靈敏度高、彈性好、穩(wěn)定性好、耐疲勞、材料體系安全等優(yōu)點(diǎn),還可以像普通衣服一樣折疊、水洗、甩干。在DID口罩的設(shè)計(jì)中,通過(guò)該柔性織物與傳感芯片連接,可對(duì)過(guò)濾器所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并將結(jié)果發(fā)送至移動(dòng)終端,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。該柔性織物材料的性能和價(jià)格較為適中,加之制造口罩做采用的材料較少,因此SOFTCEPTOR柔性織物符合本設(shè)計(jì)方案的要求。

        6 目標(biāo)用戶

        當(dāng)前預(yù)防粉塵吸入的主要手段是個(gè)體防護(hù),即從業(yè)人員佩戴口罩等防護(hù)設(shè)備。個(gè)體防護(hù)是職業(yè)健康防護(hù)的最后一道防線,是有效預(yù)防塵肺病的重要手段。隨著機(jī)械化水平提高,在提高工作效率的同時(shí),產(chǎn)塵量和粉塵濃度也大大提高,雖然工人作業(yè)時(shí)佩戴普通防塵口罩,防塵效果亦差強(qiáng)人意。針對(duì)粉塵環(huán)境工作的特殊工人,患呼吸系統(tǒng)疾病的機(jī)率更高于普通人群。DID智能口罩的材質(zhì)特殊,透氣性較好,在保證防塵功能的情況下同時(shí)能夠保證工人不會(huì)因?yàn)榕宕骺谡殖霈F(xiàn)缺氧的狀況。另外,口罩能夠及時(shí)提醒工人更換濾芯避免二次吸入粉塵,還能向管理人員進(jìn)行實(shí)時(shí)提供工人身體機(jī)能數(shù)據(jù),以便于合理的進(jìn)行工作安排。

        7 結(jié) 語(yǔ)

        本文針對(duì)當(dāng)前霧霾問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重的現(xiàn)狀,面對(duì)大范圍,多層次的人群,設(shè)計(jì)了一款新型智能口罩。通過(guò)對(duì)該新型智能口罩的設(shè)計(jì)與分析,充分證明了該設(shè)計(jì)的可行性,具有廣闊的應(yīng)用前景。這種基于GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器和SOFTCEPTOR柔性織物材料的新型口罩對(duì)當(dāng)前處于惡劣環(huán)境作業(yè)或出行的人群提供了較好的的防護(hù)力,能滿足廣大用戶日常出行、工作的需要。因此,該新型只能口罩設(shè)計(jì)方案具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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