摘要：高空電力作業(yè)中安全防護至關(guān)重要，為降低意外風險的發(fā)生率，主要通過安全帶來進行防護。傳統(tǒng)的高空作業(yè)安全帶是一端連接高空固定安全點，一端連接系帶的不具備彈性的織物繩。傳統(tǒng)安全繩雖然能夠保證工人的人身安全，但在下墜的過程中極容易造成人體的二次傷害。結(jié)合汽車安全氣囊的理念設計出具有緩沖氣囊的安全帶，能夠在下墜的過程中膨脹出安全氣囊，確保人體不會受到二次傷害。對電子式傳感器在氣囊式高空安全帶的應用進行了研究，希望能夠為安全帶優(yōu)化提供有效參考。

關(guān)鍵詞：高空作業(yè)安全帶；緩沖氣囊；電子式傳感器

一、前言

緩沖氣囊自身具備較低的密度、較強的形變能力且成本較低，被廣泛應用在民用及軍用領(lǐng)域。將緩沖氣囊結(jié)合到高空作業(yè)安全帶的防護設計中，能夠有效避免高空作業(yè)安全事故發(fā)生之后工人因安全帶受到的二次傷害。緩沖氣囊的應用范圍主要為軟著陸領(lǐng)域，采用電子式傳感器進行氣囊觸發(fā)能夠提升氣囊安全帶的應用效率和安全性，在安全帶的優(yōu)化設計中能夠起到重要的輔助作用。

二、電子式傳感器的定義、類別及優(yōu)勢

（一）電子式傳感器概述

傳感器作為電器中較為特殊的元件，能夠?qū)⒏鞣N非電學的物理量通過高敏感度元件進行常規(guī)電信號的轉(zhuǎn)換，主要應用在家用電器中[1]。傳感器在實際應用過程中能夠根據(jù)被測量的物理指標變化或者輸入信息等形式進行電信號的轉(zhuǎn)換和輸出，以此對信號進行傳輸、處理、顯示、存儲以及控制等。傳感器是當代信息領(lǐng)域發(fā)展的重要技術(shù)，能夠起到對人類感官進行延伸的作用，在自動檢查和控制功能等方面也有較為優(yōu)秀的效果。電子式傳感器的結(jié)構(gòu)包括敏感元件、轉(zhuǎn)換電路、轉(zhuǎn)換元件以及輔助電源四個部分[2]。敏感元件能夠?qū)Ρ粶y量指標進行感知，然后將相關(guān)的物理量信號進行及時的傳輸。轉(zhuǎn)換電路接受電信號后對其進行轉(zhuǎn)出。轉(zhuǎn)換元件對接收到的物理信號進行電信號的處理。輔助電源的功能為提供電力，確保電子式傳感器能夠穩(wěn)定運行。

（二）電子式式傳感器類型

科學技術(shù)的快速發(fā)展推動了電子式傳感器類型的增加，人工智能的普及進一步推動了電子式傳感器的進步。電子式傳感器的類型不同，其工作原理也各不相同，能夠應用的對象也各不相同[3]。電子式傳感器結(jié)合應用對象可以分為速度與加速度傳感器、液位傳感器、位置傳感器、熱敏傳感器、壓力敏傳感器等，也可以結(jié)合工作原理分為振動傳感器、氣敏傳感器、真空傳感器和生物傳感器等。豐富的類型能夠滿足人們多元化發(fā)展的需求，通過相關(guān)設備來對人類感官進行展示，進一步推動自動檢測和控制技術(shù)的發(fā)展。

（三）電子式傳感器式觸發(fā)裝置的優(yōu)勢

這類觸發(fā)裝置的觸發(fā)過程為采用特定的處理器來對人體運動狀態(tài)進行實時監(jiān)控，監(jiān)測到人體存在速度或者加速度變化后，將運動信息及時傳遞到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，系統(tǒng)接收到信息后進行處理分析，分析過程和內(nèi)容可以根據(jù)實際情況由設計者通過程序編制來實現(xiàn)[4]。設計過程中采用的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為單片機，將運動組件相關(guān)數(shù)據(jù)和預定的人體運動閾值輸入單片機中，通過對這兩者進行比較來監(jiān)測到人體運動的加速度。單片機能夠?qū)夤拗械碾姶砰y進行有效控制，進而達到充氣的效果，使氣囊完全展開，達到保護人體的效果。傳感器式觸發(fā)裝置在使用過程中具有較強的優(yōu)勢，包括其開啟完全可以實現(xiàn)全自動，有效避免人工開啟不規(guī)范不熟練而導致的無法及時開啟的情況；日常維護方面只需要對單片機的電量進行檢查，具有較低的維護難度，可以長時間使用，耗損率較低，有效降低了使用成本；這種觸發(fā)裝置具有較高的可靠性，使用過程中并不會出現(xiàn)氣囊無法開啟的情況，有效確保氣囊應用的安全性。

三、電子式傳感器機械力信號轉(zhuǎn)換

柔性可穿戴類電子式傳感器能夠?qū)⑼獠看碳び行У剞D(zhuǎn)化為電信號，對人體的具體情況進行檢測，其轉(zhuǎn)換機制包括壓阻、電容以及壓電三部分[5]。近幾年來為了對壓力進行實時掃描和對可拉伸能量進行回收，業(yè)界內(nèi)加大了對發(fā)光和摩擦發(fā)電機制傳感器的重視程度。

（一）壓阻

通過壓阻傳感器將外部刺激轉(zhuǎn)化為電阻，能夠更加便利地采用電學測試系統(tǒng)對外力變化進行探測，進而有效地獲得壓阻傳感信號，其設備及信號的讀出都較為簡單，這種傳感器被廣泛應用[6]。壓阻傳感器的導電物質(zhì)接觸導電彈性復合材料后的電阻變化和外界施加的壓力的平方根屬于正比的狀態(tài)。這樣能夠?qū)^為微小的壓力進行探測，能夠進一步對檢測范圍進行拓展?，F(xiàn)階段已經(jīng)研發(fā)出更加簡單實用的具有高靈敏度的壓阻傳感器，其彈性基底上增加了納米線薄層以及電極陣列，其檢測范圍為13～50000Pa。通過錐形的微結(jié)構(gòu)壓阻傳感器能夠有效增強其靈敏度，能夠?qū)佑|力進行更加高效的掃描，將觸覺信息直接傳輸?shù)酱竽X。近幾年來的壓阻薄膜采用了納米石墨烯材料，提升靈敏度的同時有效降低了能耗。

（二）電容

電容能夠?qū)ζ叫邪逯g的電荷容納的物理量進行衡量，傳統(tǒng)電容傳感器主要是調(diào)整平行板之間的間距和平行板的面積來對不同的力進行探測，如剪切力、壓力等[7]。電容式傳感器的優(yōu)勢是具有較強的敏感性，能夠?qū)ξ⑿〉撵o態(tài)力進行低能耗的檢測。這種傳感器在彈性基底上增加了可拉伸的透明碳納米管傳感器，能夠有效檢測到拉力和壓力。

（三）壓電

壓電材料能夠在機械壓力的狀態(tài)下產(chǎn)生電荷，是一種較為特殊的材料，其壓電特性主要是從電偶極矩產(chǎn)生的[8]。非中心對稱的晶體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形就會產(chǎn)生電偶極矩，或者通過孔中持續(xù)存在的電荷產(chǎn)生。能夠?qū)弘姴牧系哪芰哭D(zhuǎn)換效率進行衡量。壓電系數(shù)與能量轉(zhuǎn)換效率成正比，壓電材料具有較高的靈敏度、響應速度以及高壓電系數(shù)，在壓力轉(zhuǎn)換電信號的傳感器中得到了廣泛應用。

（四）其他信號轉(zhuǎn)換機制

除了以上三種方法，近幾年也開始出現(xiàn)新式的信號轉(zhuǎn)換機制，進一步促進了電子式傳感器的應用。不同于傳統(tǒng)的靜態(tài)力傳感器，發(fā)光傳感器也能夠?qū)討B(tài)力進行實時的監(jiān)測[9]，還有能夠?qū)佑|電以及靜電感應的摩擦電傳感器能夠?qū)τ|覺進行自動監(jiān)控 ，極大地推動了自驅(qū)動傳感器的快速發(fā)展。

四、電子式傳感器的感應應用

可穿戴電子式傳感器除了具備壓力傳感功能，還具備感應體溫、脈搏、運動等監(jiān)測功能。

（一）溫度檢測

人體皮膚能夠通過感知溫度來協(xié)調(diào)身體內(nèi)外的熱量，確保熱量始終處于平衡狀態(tài)。實時溫度的傳感監(jiān)測能夠?qū)θ梭w的情況變化進行有效的判斷，結(jié)合周圍環(huán)境信息來對人體溫度進行測量。傳統(tǒng)的溫度探測器無法在不平整的表面進行有效接觸，可穿戴電子式傳感器可以通過多功能二極管、射頻發(fā)射器和無線功能線圈形成電子皮膚，對溫度以及熱導率進行敏感的探知，對人體的生理特征變化進行感知[10]。如血流量狀態(tài)、皮膚含水量以及熱導率的組織等。能夠有效滿足連續(xù)、無創(chuàng)、精準的體溫監(jiān)測需求?？纱┐麟娮邮絺鞲衅髂軌蛟?5～42℃的范圍內(nèi)保持生物相容性、柔韌性、高靈敏度以及輕薄的特點。有源矩陣的設計能夠有效提升空間的分辨率、響應速度以及信噪比。通過單壁碳納米管薄膜晶體管可以對溫度進行高靈敏性的溫度傳感，其高電阻靈敏性可以達到1.0%·℃^（-1），響應時間最短可以控制在1.8秒內(nèi)，感應范圍可以控制在15到45℃區(qū)間內(nèi)，并且可以在雙向拉伸超過30%的狀態(tài)下確保穩(wěn)定感知。目前可穿戴溫度傳感器的研究主要包括基于熱敏電阻的傳感器以及熱電效應的溫度傳感器兩種。其中熱敏電阻傳感器的應變敏感性研究面臨著挑戰(zhàn)，即皮膚在扭動或者彎曲的時候會對電阻的精準測量造成影響。

（二）脈搏檢測

可穿戴電子式傳感器能夠?qū)θ梭w的脈搏進行檢測，近幾年被廣泛應用在健康監(jiān)護設備中，對人體的日常活動相關(guān)生理數(shù)據(jù)進行感知、收集、分析以及存儲，為人體健康提供準確、必要以及長期的評估[11]。通過電子式傳感器對人體脈搏進行感知具備以下優(yōu)勢：①長時間采集人體心電數(shù)據(jù)的同時并不會對人體的運動狀態(tài)產(chǎn)生影響，通過監(jiān)護終端進行數(shù)據(jù)分析處理，實時性和準確性更高；②通過無線電波進行數(shù)據(jù)傳輸，有效避免連線和電學矩陣等非健康的監(jiān)測形式，材質(zhì)更加輕薄便于攜帶應用。人體的結(jié)構(gòu)并非完全平整，且過于精細，這樣對材料的附著就有了較高的要求。最近研制出一種基于微毛結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器，能夠?qū)π盘柶鸬椒糯蟮淖饔?，可以提升與不規(guī)則表皮接觸的有效率。同時，這種材料也可以采用非植入的方式附著在皮膚上，通過無線電波進行信號的傳輸，即使是微弱的頸內(nèi)靜脈也能夠有效獲取其脈搏數(shù)據(jù)。

（三）運動監(jiān)測

隨著社會經(jīng)濟的不斷進步，人們開始注重健康和運動，通過電子式傳感器能夠?qū)θ梭w活動情況進行實時的監(jiān)測。主要應用在能夠進行交互的人體診療電學設備當中，對人體運動的情況進行應力監(jiān)控。監(jiān)測策略主要包含兩種：拓展運動監(jiān)測范圍，如手、腿、胳膊的彎曲運動監(jiān)測等；對呼吸、吞咽以及胸頸的細微運動進行監(jiān)測。應用在這兩種方面的電子式傳感器具有較高的靈敏度和拉伸性[12]。傳統(tǒng)的半導體金屬應力傳感器不具備這方面的優(yōu)勢?？纱┐麟娮邮絺鞲衅骶哂休^高的靈敏度和拉伸性，能夠被廣泛應用在運動監(jiān)測領(lǐng)域中。采用石墨烯材料的應力傳感器能夠通過可拉伸紗線進行組裝，用料成本低、操作簡便且可以規(guī)?；瘧?，通過多種紗線結(jié)構(gòu)能夠組裝成不同壓阻性質(zhì)的應力傳感器，被應用在更多領(lǐng)域當中。如橡膠紗線傳感器能夠探測人體胸部和喉嚨的小幅度振動，通過尼龍來對橡膠紗線傳感器進行包裹，能夠?qū)Υ蠓冗\動進行探測，能夠有效對身體運動的部分進行辨別。采用干紡的形式來制作出高取向性的碳納米管纖維應力傳感器，能夠讓拉緊程度達到900%左右，具有較快的響應速度、高靈敏度以及較強的持久性，可以在不同體系中進行應用，如可以穿戴在人體的電子式傳感器當中。這類電子式傳感器可以組裝在腰帶、手套、襪子上，對人體的動作進行監(jiān)測。

五、緩沖氣囊式高空作業(yè)安全帶設計要點

在對緩沖氣囊和安全帶進行連接時需要考慮到具體的連接形式，氣囊、儲氣罐和安全帶均使用尼龍搭扣進行連接[13]。長方形結(jié)構(gòu)的儲氣罐可以通過尼龍搭扣直接連接到安全帶背部，在儲氣罐的兩側(cè)增加一根具有彈性的固定帶，使用時可以將固定帶繞過人體腋下固定在胸口位置，這樣能夠確保儲氣罐牢固地設置在人體上。儲氣罐和氣囊之間的連接采用固定連接，無法將兩者進行拆分，這樣能夠有效避免儲氣罐丟失或者遺落的情況，也能夠避免儲氣罐和氣囊連接不順的情況。儲氣罐下方的位置可以打開，對儲氣罐中的壓縮氮氣罐需要進行定期的更換。儲氣罐上方的位置也可以打開，便于對控制系統(tǒng)和電池進行定期的檢修和維護。氣囊采用折疊形式，除了儲氣罐連接的部分處于完全固定的狀態(tài)，也需要在頭部、肩部、胯部進行固定。確保氣囊充氣時可以迅速打開，進而達到對人體進行保護的效果[14]。外形方面氣囊應當設置在氣罐的外側(cè)，這樣能夠?qū)夤拚麄€包裹起來，氣罐和氣囊設置在安全帶的外側(cè)，確保對人體能夠進行整個包圍。工作人員在緩沖氣囊式安全帶的佩戴過程中可以按照五點式安全帶的方法進行佩戴，然后再固定儲氣罐，將儲氣罐的橫向固定帶綁定后固定氣囊和安全帶。取下的步驟應當為首先解開緩沖氣囊和安全帶之間的尼龍搭扣，再解開儲氣罐固定帶以及尼龍搭扣，取下儲氣罐后取下安全帶[15]。

六、電子式傳感器式觸發(fā)裝置在氣囊式高空安全帶的應用

（一）電子式傳感器式觸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)設計

在氣囊式高空安全帶的設計之中，電子式傳感器式觸發(fā)裝置的控制中心為STM32單片機。STM32單片機在STM32F105和STM32F107互連型系列微控制器之前，意法半導體已經(jīng)推出STM32基本型系列、增強型系列，USB基本型系列、互補型系列；新系列產(chǎn)品沿用增強型系列的72MHz處理頻率。內(nèi)存包括64KB到256KB閃存和 20KB到64KB嵌入式SRAM。新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三種封裝，不同的封裝保持引腳排列的一致性，結(jié)合STM32平臺的設計理念，開發(fā)人員通過選擇產(chǎn)品可重新優(yōu)化功能、存儲器、性能和引腳數(shù)量，以最小的硬件變化來滿足個性化的應用需求，具體結(jié)構(gòu)如圖1。

本文在撰寫過程中采用這一系列單片機的原因有以下兩點。

1.STM32L系列產(chǎn)品基于超低功耗的ARM Cortex-M4處理器內(nèi)核，采用意法半導體獨有的兩大節(jié)能技術(shù)：130nm專用低泄漏電流制造工藝和優(yōu)化的節(jié)能架構(gòu)，提供業(yè)界領(lǐng)先的節(jié)能性能。該系列屬于意法半導體陣容強大的32位STM32微控制器產(chǎn)品家族，該產(chǎn)品家族共有200余款產(chǎn)品，全系列產(chǎn)品共用大部分引腳、軟件和外設，優(yōu)異的兼容性為開發(fā)人員帶來最大的設計靈活性。

2.STM32F0系列產(chǎn)品基于超低功耗的ARM Cortex-M0處理器內(nèi)核，整合增強的技術(shù)和功能，瞄準超低成本預算的應用。該系列微控制器縮短了采用8位和16位微控制器的設備與采用32 位微控制器的設備之間的性能差距，能夠在經(jīng)濟型用戶終端產(chǎn)品上實現(xiàn)先進且復雜的功能。

（二）電子式傳感器式觸發(fā)裝置啟動過程

首先通過縫合在腰帶上的可穿戴傳感器對人體的運動狀態(tài)進行實時監(jiān)控，一旦監(jiān)測到人體發(fā)生速度以及加速度變化，傳感器就會將人體的運動信息傳遞到單片機上。單片機受到運動監(jiān)測組件傳遞的信息之后，對信息數(shù)據(jù)會進行進一步的分析和處理，分析內(nèi)容和分析過程可以通過編程來進行設計。本文在對這一部分進行論證時，要求單片機能夠進行的數(shù)據(jù)處理內(nèi)容主要為，將運動監(jiān)測組件發(fā)來的數(shù)據(jù)與提前設定好的人體運動閾值進行對比。穿戴感應器的運動監(jiān)測組件監(jiān)測到人體的運動速度超過單片機設定的人體運動速度閾值時，或者監(jiān)測到人體運動的加速度超過單片機設定的人體運動加速度閾值，單片機就會將控制信息傳遞到氣罐的電磁閥上，開啟電磁閥向著氣囊中開始充氣，進而展開氣囊。傳感器觸發(fā)裝置在應用的過程中能夠確保全自動開啟，這樣能夠有效避免工作人員存在操作不熟練或者操作不規(guī)范無法及時有效展開氣囊的情況發(fā)生。傳感器式觸發(fā)裝置的日常維護只需要對單片機的電量是否充足進行檢查，對比其他觸發(fā)裝置的維護難度更低，能夠長時間地保存和使用，有效降低了產(chǎn)品的使用成本和消耗。傳感器式觸發(fā)裝置具有較高的可靠性，使用過程中不會出現(xiàn)誤觸導致氣囊展開或者氣囊無法完全展開的情況，有效保障了氣囊使用的安全性。

七、結(jié)語

綜上，針對電力企業(yè)高空作業(yè)的特點，針對安全帶導致工人二次傷害的問題提出了緩沖氣囊式高空作業(yè)安全帶的設計理念。以五點式安全帶為基礎(chǔ)，結(jié)合緩沖氣囊相關(guān)理論資料，對整體結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)設計。整套裝置設計的最終版獲得了相關(guān)工作人員的認可，可以在高空作業(yè)相關(guān)領(lǐng)域中進行推廣。本文在設計的過程之中采用STM單片機作為控制芯片，同時通過六軸陀螺儀MPI-6050來檢測加速值作為觸發(fā)值，進而實現(xiàn)對氣囊充氣狀態(tài)的有效控制。

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作者單位：國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司