張繼超,趙 野,陳雁多,曹芮菡,向麗蓉
(北華大學(xué),吉林吉林 132000)
根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì),每年死于溺水的人高達(dá)40萬。一般來說,溺水2min便會(huì)失去意識(shí),4~6min后神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)遭受不可逆損傷,溺水者在徹底沉沒前只有20~60s的時(shí)間掙扎。市面上現(xiàn)有救生手環(huán)利用二氧化碳高壓氣罐為氣囊充氣提供浮力,在事故發(fā)生時(shí)需拉動(dòng)手柄使氣體充入才能使溺水者上浮,但人在溺水時(shí)往往驚慌失措難以主動(dòng)操作使氣囊彈出,且球形氣囊難以抱住,浮力不足易漏氣,也不便于溺水者長時(shí)間穩(wěn)定漂浮,因此難以達(dá)到救生目的[1]。
針對現(xiàn)有救生手環(huán)充氣方式存在易爆炸、彈出速度不夠快等問題,參考汽車安全氣囊的反應(yīng)原理設(shè)計(jì)了新的氣體發(fā)生裝置,提高了氣囊彈出的速度和安全性;針對氣囊彈出方式上需手動(dòng)觸發(fā)的缺陷,增加了自動(dòng)報(bào)警裝置,可通過實(shí)時(shí)監(jiān)測多項(xiàng)生命體征指標(biāo)自動(dòng)觸發(fā);針對氣囊為球形不便于溺水者抱住的問題,設(shè)計(jì)拐杖形氣囊便于溺水者手臂搭扶,同時(shí)為了避免氣囊漏氣和濕滑難以抱住,氣囊材料選擇了混合型織物,并設(shè)計(jì)條紋突起表面防滑。
該手環(huán)主要由電控單元(ECU)、傳感器、報(bào)警器、點(diǎn)火裝置、氣體發(fā)生器、氣體發(fā)生劑,電源及備用電源七個(gè)單元構(gòu)成(圖1)。
圖1 氣囊工作原理圖
當(dāng)使用者啟動(dòng)手環(huán)時(shí),手環(huán)開始實(shí)時(shí)監(jiān)測使用者的血壓、心率數(shù)值,當(dāng)進(jìn)入水下時(shí),水位傳感器啟動(dòng),監(jiān)測水位變化。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過提前設(shè)定的參數(shù)閾值時(shí),將異常信號(hào)傳至電控單元,電控單元傳輸充氣指令到氣體發(fā)生器點(diǎn)火裝置,加熱氣體發(fā)生劑,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體,氣囊在極短時(shí)間內(nèi)充氣彈出,溺水者可在瞬間抓住氣囊,足夠的浮力可使溺水者頭部浮出水面自救,最大限度減少溺水所帶來的傷害,降低后續(xù)營救難度。在非室內(nèi)水域可選擇帶自動(dòng)定位的手環(huán),以便于溺水者快速得到救援。
手環(huán)的氣體發(fā)生裝置模擬汽車安全氣囊的氣體發(fā)生裝置彈出氣囊,氣體發(fā)生裝置主要由煙火式氣體發(fā)生器、硝酸胍和堿式硝酸銅混合成的可燃劑、剛性電發(fā)火頭結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火裝置構(gòu)成。
2.1.1 氣體發(fā)生器
常見的氣體發(fā)生器[2]可以分為貯氣瓶式、煙火式和混合式三類。綜合對比來看,混合式氣體發(fā)生器具有性能較高,但成本高昂并不適用。而煙火式氣體發(fā)生器,不僅產(chǎn)氣速度快,成本低廉,且便于長時(shí)間儲(chǔ)存,雖然排氣溫度較高,但隨著科技發(fā)展,涂層技術(shù)可以解決此類缺陷,故選擇煙火式氣體發(fā)生器對氣囊充氣。
2.1.2 氣體發(fā)生劑
氣體發(fā)生劑的成分應(yīng)選取安全無毒或毒性較低,成本低的物質(zhì)。疊氮類發(fā)生劑雖燃溫低,燃速快,燃?xì)廨^為安全,工藝簡單成本較低,但其原料疊氮化鈉有劇毒,穩(wěn)定性較差易分解爆炸,產(chǎn)氣率低下,燃燒后會(huì)產(chǎn)生不易過濾的鈉單質(zhì)和對人體有刺激性的氫氧化鈉?;谏鲜鋈毕?,非疊氮類更為安全、穩(wěn)定。
可燃劑應(yīng)選取產(chǎn)氣率高且物化性質(zhì)相對穩(wěn)定的物質(zhì),物質(zhì)的氮含量高,需氧量少,可使產(chǎn)氣量增加。氧化劑為可燃劑提供燃燒過程中所需的氧,應(yīng)選取較高含氧量、高安全性能,且燃燒時(shí)氧易于釋放,生產(chǎn)物殘?jiān)^少的物質(zhì),通常選擇兩種以上的氧化劑。
雖然氣囊的材料具有一定耐熱性,但仍需降溫劑和燃素調(diào)節(jié)劑,降溫并加速反應(yīng),使產(chǎn)氣耗時(shí)更短。非疊氮類發(fā)生劑燃燒后,會(huì)生成部分有毒氣體,需適當(dāng)?shù)拇呋瘎┲泻?,或改變?nèi)紵龣C(jī)理,即可解決這個(gè)缺陷。
基于上述需求,選擇燃溫低產(chǎn)氣量較大的硝酸胍(GN)和堿式硝酸銅(BCN)作為反應(yīng)的可燃劑,選取高氯酸銨(AP)作為燃素調(diào)節(jié)劑,提高可燃劑的著火性,加快燃速并增加產(chǎn)氣量,且其具有的吸濕性可減少生成氣體中有毒氣體的含量,同時(shí)需要適量的硝酸鉀(KNO3)作為除氯劑和主要氧化劑。反應(yīng)方程式[3]如下。
要求9a+5b=2。
混合物燃燒時(shí)的溫度為1 901K,產(chǎn)氣量為3.01mol·(100g)-1,且與添加劑含量無關(guān),當(dāng)GN/BCN=33.57/64.43時(shí),燃速達(dá)到最快。
2.1.3 點(diǎn)火裝置
剛性電發(fā)火頭結(jié)構(gòu)電阻一致性較好,且成本較低,并利用激光焊接提高密封性,利于長期貯存,而點(diǎn)火裝置用藥劑選用了點(diǎn)火能力強(qiáng),傳火速度快,性能穩(wěn)定且便于儲(chǔ)運(yùn)硝基苯酚火藥[4]。點(diǎn)火裝置接受異常信號(hào)過程如圖2所示:
圖2 信號(hào)傳播過程圖
異常值信號(hào)傳遞給ECU,ECU傳遞電信號(hào)給點(diǎn)火線圈的電流,傳播過程形成點(diǎn)火延遲時(shí)間,此后點(diǎn)火線圈發(fā)熱,加熱硝酸胍(GN)和堿式硝酸銅(BCN)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生二氧化碳和氮?dú)獾幕旌蠚怏w為氣囊充氣。點(diǎn)火線圈持續(xù)發(fā)熱時(shí)間就是點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間,截止化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)氣結(jié)束,充氣完成。
使用者在使用過程中實(shí)時(shí)測定其體溫、血壓、心率,設(shè)定參數(shù)正常值,當(dāng)手環(huán)各數(shù)值發(fā)生異常,傳遞異常信號(hào)。
由于心跳與脈搏近似同步,手環(huán)通過光電傳感器對脈搏信號(hào)進(jìn)行檢測,從而檢測心率,并利用氣體壓力傳感器識(shí)別血壓。而人在水中的壓力會(huì)隨水深而變化,通過壓力變化衡量水位變化,水壓傳感器根據(jù)水壓變化引起內(nèi)部內(nèi)膜片產(chǎn)生形變壓力,使敏感電氣元件產(chǎn)生低電平信號(hào),由水壓數(shù)據(jù)得到佩戴者所處水深。
根據(jù)表1數(shù)據(jù)我們設(shè)定心率正常值為55-80bpm。而人體正常的收縮壓為98至105mmhg,舒張壓為73至79mmhg,設(shè)置收縮壓為95mmhg(約為正常收縮壓最低值的97%),舒張壓為70mmhg(約為正常收縮壓最低值的96%)[5]。
表1 各狀態(tài)心率正常值范圍
由于年齡,性別,以及各類別人群對血壓都有一定的影響,設(shè)定具體值并不可靠,所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)心率、血壓和水位綜合判斷人是否處于溺水狀態(tài)。
由于在室外水域,溺水者不易被救援人員及時(shí)發(fā)現(xiàn),故手環(huán)增加了定位功能,方便溺水者更快得到救援。AGPS[6]有一個(gè)附加的定位器,這是其相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)勢,它的基本原理是通過基站發(fā)送有關(guān)輔助衛(wèi)星的信息,從而可將接收機(jī)和輔助設(shè)備拆分為兩個(gè)可操作設(shè)備,減少GPS芯片接收信號(hào)所需的時(shí)間,并使用基站信號(hào)來減少對衛(wèi)星的依賴性,與實(shí)際定位相比,誤差較小。
原球形氣囊需溺水者主動(dòng)抱住漂浮氣囊,但溺水時(shí)即使氣囊彈出,溺水者也很可能由于緊張慌亂,無法抱住氣囊自救。為了便于溺水者穩(wěn)定漂浮,將氣囊形狀設(shè)計(jì)為拐杖形,安裝時(shí)利用卡槽固定住拐杖彈出方向,彈出后氣囊圓弧部分繞過佩戴手手腕至手腕下方,足長的圓柱體部分朝另一只手的方向彈出。基于溺水者可能產(chǎn)生雙臂上舉的撲水動(dòng)作,拐杖形氣囊更便于溺水者雙臂搭在氣囊上,以保持頭部超過水面,進(jìn)而自救。另外,為保證氣囊的安全性,需設(shè)置排氣孔以減緩沖擊力。 相關(guān)設(shè)計(jì)如圖3所示
圖3 手環(huán)部分簡略圖
氣囊織物原料采用聚酯和聚酰胺復(fù)合纖維,聚酯作芯,聚酰胺作皮層,在提升了織物的尺寸穩(wěn)定性的同時(shí)還保證了耐熱性,外層采用條紋凸起的涂層織物液體硅橡膠,便于人在溺水之后雙手搭在氣囊上而不會(huì)打滑,里面采用非涂層織物,這樣既滿足了氣囊的氣密性、耐磨性,又可以使灼熱氣體排出,在安全性上也得到了保證[7]。TPE材質(zhì)的腕帶材料環(huán)保無毒,具有皮膚般柔軟舒適的觸感,彈性優(yōu)良,抗靜電,不易黏灰塵,耐污性能好,與硅膠相比具有較高的生產(chǎn)效率,且邊角余料可反復(fù)回收利用,降低成本。碳纖維復(fù)合材料作為手環(huán)的外殼材料,碳纖維相對合金等金屬材料極大減輕了手環(huán)的重量,比重僅占鋼的1/5,與樹脂等材料復(fù)合后,抗拉強(qiáng)度是鋼鐵的5倍以上,故具有超高的比強(qiáng)度,非常適合作為手環(huán)的外殼材料[8]。
基于安全氣囊氣體發(fā)生器的溺水自救手環(huán)具有以下優(yōu)勢:在安全性方面,改良的彈出方式和手環(huán)材料上的嚴(yán)格選取,使之不會(huì)出現(xiàn)關(guān)鍵時(shí)刻手環(huán)無法使用的現(xiàn)象。相較于游泳圈和救生衣,手環(huán)更為便攜安全。增加的AGPS定位系統(tǒng),可使溺水者更快得到救援。手環(huán)上的點(diǎn)火開關(guān)按鈕可以實(shí)現(xiàn)一鍵式引起氣體發(fā)生反應(yīng),為溺水者的自救提供了保障。