一种可双向调温暖体假人局部温控装置制造方法及图纸

本发明专利技术是一种可双向调温暖体假人局部温控装置，可以模拟人体皮肤温度在冷热宽温度范围内的瞬态环境下的动态调节为目标，调节假人的皮肤外壳温度。本发明专利技术具有金属外壳、半导体制冷片、水冷块、水循环管路、温控模块、温度传感器、温度采集模块等核心部件，还具有潜水泵、隔热棉、串口复用器、上位机等配套部件。本发明专利技术的主要特点是：可在温控过程中动态调整半导体制冷片的极性以切换加热和制冷的工作状态，与现有暖体假人自然散热降温相比，可提高温控装置的响应速度。在不同控制模式下，结合PID控制算法使得外壳模拟的人体局部节段皮温分布可控。本发明专利技术可应用于稳态和瞬态环境下服装热阻的测试。的测试。的测试。

【技术实现步骤摘要】
一种可双向调温暖体假人局部温控装置


[0001]本专利技术涉及复杂环境下特种服装测试的人因工程领域研究，具体涉及一种可双向调温暖体假人局部温控装置，可模拟人体前臂节段的皮肤温度自主动态调节过程，可以用于航空、消防、军事等领域极端高温或低温环境中抗荷服、防化服、作训服等特种服装的防护性能及热物理参数测定，并根据模拟人体皮肤温度分布的测试数据，评价人体局部节段在不同外界环境下穿着不同服装时的舒适度。

技术介绍

[0002]在飞行员高空飞行、消防救援与化工行业、士兵作战时的特殊防护等极端环境下，以特种服装为主体的个体防护装备对于保护人的生命健康、保障作业效率起着至关重要的作用。特种服装的热防护性能是服装研发过程中的一个重要评价角度，服装经过热防护测试后才可投入生产和使用。
[0003]服装热防护性能测试的传统方法主要是热平板法，但这种方法无法模拟人体穿着服装时局部节段皮肤与服装之间的空气层厚度分布，导致测量环境与人体真实热生理响应所处的高空低压、高温环境相差较大，因而测量结果误差较大。真实人体穿着防护服，在极端环境下的实地实验测试结果最为准确，但受试者数量受限、不同受试者个体间差异对实验结果的影响、时间和经济成本较高以及伦理学的种种限制都是开展人体实验的阻碍。
[0004]因此，开发暖体假人这一标准化测量设备成为特种服装热防护测试领域的一大需求。而目前的暖体假人产品皮肤外壳的温度调节均依靠电热丝(如Newton假人)或水循环(如Walter假人)实现，只具备主动升温的功能，降温则需通过自然散热实现，这种温控方法的降温过程与人体皮肤血管舒张增加对流换热的方式相比较为漫长，温控装置的响应速度低，不能很好的模拟正常生理温控过程，不利于模拟真实人体的皮肤温度分布。延长了在实现目标温度过程中各元件的反应时间，降低了实验效率且不利于模拟真实人体的皮肤温度分布。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种可双向调温模拟人体温度变化的暖体假人局部温控装置，以解决上述
技术介绍
中提出的现有服装热防护测试的问题。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种可双向调温暖体假人局部温控装置包括：金属外壳、双向调温系统、温度测量及采集系统、控制及通信系统；所述双向调温系统固定在所述金属外壳内部，对所述金属外壳内表面加热或制冷，改变所述金属外壳内外表面的温度分布；所述温度测量及采集系统采集所述金属外壳内外表面的温度信号；所述控制及通信系统可根据实时采集的温度信号，经过运算输出控制信号到所述双向调温系统，调控半导体制冷片的输出功率而改变所述金属外壳内外表面的温度分布。
[0007]具体的，所述双向调温系统包括半导体制冷片和水冷系统，分布在所述前后金属
外壳的上下两端，所述半导体制冷片通过导热硅脂和固定块与所述金属外壳内侧表面相贴附固定，所述水冷系统的水冷块通过导热硅脂贴附固定于半导体制冷片背向所述金属外壳内侧表面的一侧。为半导体制冷片提供负向电压时，其功能类似于电热丝，对所述金属外壳加热升温；为半导体制冷片提供正向电压时，可对所述金属外壳制冷降温。因此在模拟人体皮肤温度变化时，相比传统依靠电加热和自然散热的温控装置，所述双向调温系统可动态调节半导体制冷片的电压极性来快速实现温度上升和下降的控制。
[0008]具体的，所述温度测量及采集系统采用两种温度传感器：PT100温度传感器和热敏电阻温度传感器，分别测量所述金属外壳外表面、内表面的温度分布，前半外壳和后半外壳上温度传感器分布的数量和结构相同。
[0009]金属外壳前后剖分为对称两半，通过螺栓和卡扣相连接。在所述前后金属外壳的上下端分别布置双向调温系统。
[0010]进一步的，所述水冷系统还具有水循环管路、潜水泵、开关电源和水源，水循环管路分为入口管路和出口管路，与水冷块的入口及出口相连，入口管路另一端接潜水泵的出口，出口管路另一端置入水源之中。
[0011]进一步的，所述控制及通信系统包括温控模块、串口复用器、数据线、上位机及温度采集与控制程序，所述金属外壳内表面采集的温度信号传输给温控模块，外表面采集的温度信号传输给温度采集模块；各温控模块通过数据线与同一串口复用器相连，串口复用器通过数据线与上位机相连，上位机通过数据线与所述温控模块、所述温度采集模块相连，在温度采集与控制程序中同时接收所述金属外壳内表面和外表面的温度数据。
[0012]暖体假人温度控制过程中可充分利用半导体制冷片加热和制冷的双重功能，缩短所述金属外壳温度达到目标值的响应时间，模拟人体皮肤温度在外界环境温度大范围变化时相应上下波动的动态调节过程。
[0013]本专利技术具有以下有益效果：
[0014]1、在恒皮温控制模式下，本方案通过将温度传感器测得的节段实际温度与目标温度值进行比较，结合PID算法主动控制半导体PN结的电流方向与电压大小来实现双向调温，可以在外界高温环境下，通过半导体制冷片的主动制冷，真实的模拟人体神经系统控制皮肤毛细血管舒张、皮肤血流量增大、皮肤血流对流换热增强的主动且快速的热生理调节过程，解决了现有暖体假人只能通过自然散热缓慢降温，使得在外界高温环境下模拟的人体皮肤温度可能高于真实人体皮肤温度的问题，从而扩大了在保证暖体假人控温精度前提下所适用的环境范围。
[0015]另外，在恒皮温控制模式下，在控制金属外壳平均温度达到目标值的过程中如果出现超调，与传统的依靠降低电热片或电热丝的加热功率、通过自然散热降温的方式相比，本装置中半导体制冷片可主动制冷降温以加快金属外壳平均温度趋于目标值的速度，不仅减小了温度稳定于目标值附近时的波动，温控精度更高，而且提高了温控装置的响应速度。提高响应速度一方面可以缩短恒皮温控制模式下服装传热特性测试的时间，提高实验效率；另一方面，对于暖体假人自适应反馈控温模式的开发，有利于缩短金属外壳平均温度达到人体热生理调节模型对该节段所预测温度的时间步长，从而提升皮肤温度预测和控制的精度。
[0016]2、金属外壳采用铝合金材料制作且厚度仅2mm，保证导热性的同时减轻了装置重
量，便于局部温控装置的实际组装。外形和尺寸参考《中国成年人人体尺寸》(GB 10000
‑
88)中26～35岁男性前臂进行设计，温度测试结果与真实人体相似。
[0017]3、金属外壳剖分为前后两半，便于在内部安装半导体制冷片等元件及水循环管路、导线。半导体制冷片可通过固定块贴附固定于金属外壳内表面并调整其固定位置，便于实验中探究外壳内外表面温度分布最均匀时的半导体制冷片分布方案。
附图说明
[0018]本专利技术的工作方式和有益效果从结合下面附图对实施例的描述中将更直观，其中：
[0019]图1为本专利技术金属外壳、螺栓和卡扣的爆炸视图
[0020]图2为半导体制冷片在金属外壳内部固定的示意图
[0021]图3为本专利技术双向调温系统组成示意图
[0022]图4为本专利技术可双向调温暖体假人局部温控装置整体连接示意图
[0023]附图标记说本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可双向调温暖体假人局部温控装置，其特征在于，包括：金属外壳、双向调温系统、温度测量及采集系统、控制及通信系统；所述双向调温系统固定在所述金属外壳内部，对所述金属外壳内表面加热或制冷，改变所述金属外壳内外表面的温度分布；所述温度测量及采集系统采集所述金属外壳内外表面的温度信号；所述控制及通信系统可根据实时采集的温度信号，经过运算输出控制信号到所述双向调温系统，调控半导体制冷片的输出功率而改变所述金属外壳内外表面的温度分布。2.根据权利要求1所述的一种可双向调温暖体假人局部温控装置，其特征在于，所述双向调温系统包括半导体制冷片和水冷系统，分布在所述前后金属外壳的上下两端，所述半导体制冷片通过导热硅脂和固定块与所述金属外壳内侧表面相贴附固定，所述水冷系统的水冷块通过导热硅脂贴附固定于半导体制冷片背向所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁立，聂嘉辰，陈依然，宋炳琪，周佳芮，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：