一种可双向调温暖体假人局部温控装置

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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，以解决上述背景技术中提出的现有服装热防护测试的问题。为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.本发明具有以下有益效果：
14.1、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。
15.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。
16.2、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。
17.3、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
18.本发明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：
19.图1为本发明金属外壳、螺栓和卡扣的爆炸视图
20.图2为半导体制冷片在金属外壳内部固定的示意图
21.图3为本发明双向调温系统组成示意图
22.图4为本发明可双向调温暖体假人局部温控装置整体连接示意图
23.附图标记说明：固紧螺钉1、金属外壳2、卡扣3、半导体制冷片4、水冷块5、温控模块6、冷却水入口管路7、冷却水出口管路8、潜水泵9、储水槽10、电源11、pt100温度传感器12、串口复用器13、电脑14、温度采集模块15、热敏电阻温度传感器16、固定块17。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述地实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.图1是根据本发明一个实施例的金属外壳、螺栓和卡扣的爆炸视图，图2是半导体制冷片在金属外壳内部固定的示意图。如图1所示，模拟人体小臂节段外形的金属外壳2采用铝合金材料制作，由前半外壳和与之对称的后半外壳组成，前半外壳和后半外壳之间通过两对侧翼相连接固定。卡扣3的一端开有通孔，固定前半外壳和后半外壳时，把卡扣开有通孔的一端与侧翼表面贴紧，旋入固紧螺钉1贯穿卡扣，固紧前半外壳和后半外壳。在前半外壳和后半外壳的上下端各分布一个紫铜材料制作的固定块17，固定块与金属外壳2之间通过导热硅脂相贴附固定。固定块的作用是在金属外壳内部空间创造一个平面，便于半导体制冷片4的固定，以便对外壳表面进行温度调节。在生理状态下前臂不同区域的温度是存在差异的，皮肤主动调温的能力也不相同，本发明分别在半外壳上下端设置固定块，这样通过其固定的半导体制冷片能够精准的模拟前臂主要部位的温度分布和变化，使得外壳温度场的模拟更加精准和灵活。如图2所示，半导体制冷片4通过导热硅脂与固定块17相贴附固定，水冷块5再通过导热硅脂与半导体制冷片4相贴附固定。
26.图3是根据本发明一个实施例的双向调温系统组成示意图。双向调温系统包括温控模块6、半导体制冷片4、水冷块5、硅胶管(包含冷却水入口管路7、冷却水出口管路8)、潜水泵9、储水槽10和电源11。半导体制冷片4的正负极导线与温控模块6的输出通道相连，通过改变半导体制冷片4内部的电流方向和电压大小，调节其加热或制冷的工作状态和工作功率。水冷块5通过导热硅脂贴附于半导体制冷片4背向金属外壳2的一侧，通过其内部冷却
水流动带走半导体制冷片在制冷工作状态下产生的热量，防止烧坏半导体制冷片4。水冷块5内部冷却水流动通道具有一个入口和一个出口，两根硅胶管套在水冷块入口和出口的两个宝塔水嘴上，形成一条冷却水入口管路7和一条冷却水出口管路8。冷却水入口管路7的另一端接潜水泵9的出水口，冷却水出口管路8的另一端置于储水槽10内的冷却水之中。储水槽10内储有冷却水，潜水泵9完全置于冷却水液面之下并固定在储水槽10的底部。潜水泵9的正负极导线接电源11的正负极端子，潜水泵9在直流供电下将储水槽10中的冷却水抽入，再压入冷却水入口管路7之中，冷却水经过水冷块内部通道充分换热后，进入冷却水出口管路8，最终回到储水槽10内。
27.图4是根据本发明一个实施例的可双向调温暖体假人局部温控装置整体连接示意图，直观说明了该装置中金属外壳、双向调温系统、温度测量及采集系统和控制及通信系统的相互连接关系。进一步地，温度测量及采集系统包括温控模块6、电源11、pt100温度传感器12、热敏电阻温度传感器16、电脑14和温度采集模块15。本实施例中共布置20个温度传感器(包含pt100温度传感器12、热敏电阻温度传感器16)测量金属外壳内外表面的温度分布，在前半外壳和后半外壳各分布10个温度传感器。具体的，根据4个半导体制冷片4的位置将金属外壳2分成4个区域，前半外壳和后半外壳从上到下均匀分为2个区域a、b，对于前半外壳，在区域a和b的金属外壳2内表面的温度测量区固定2个热敏电阻温度传感器12，并连接到温控模块6上；外表面固定3个pt100温度传感器，并连接到温度采集模块15，上传至电脑14；对于后半外壳也是如此，图中只展示了前半外壳的内外表面。由于精确的温度测量对暖体假人非常重要，而温度测量受环境影响容易出现漂移等误差，为了保证采集数据的准确性，本发明设计采用两种类型的温度传感器实现测量校准。具体的，热敏电阻温度传感器16的测量数值以更高精度的pt100温度传感器12的测量数值为基准，通过实验所得的两者数值之间的回归函数来进行校准。温控模块6的电压输入端子与电源11相连用以为其直流供电，传感器输入端子与外壳内侧8个温度传感器相连用以采集金属外壳2内表面各位点的温度，电压输出端子与半导体制冷片4相连以调节其工作功率。
28.进一步地，控制及通信系统包括温控模块6、串口复用器13、电脑14及温度采集与控制程序。4个温控模块6用于控制4个半导体制冷片4的功率，通过数据线接入串口复用器13的下行接口，串口复用器13的上行接口再通过数据线与电脑14相连，将4个温控模块6采集的温度数据同步上传至电脑14的温度采集与控制程序。电脑14经过pid算法综合处理后，计算出4个温控模块6的4个电压输出端子所需提供给半导体制冷片4的控制电压，并通过串口复用器13将控制指令传达给4个温控模块6使之做出响应。
29.本发明的实施步骤如下：
30.步骤一，在金属外壳2的前半外壳和后半外壳的内外表面贴附固定块17、半导体制冷片4、水冷块5、硅胶管(包含冷却水入口管路7、冷却水出口管路8)和温度传感器(包含pt100温度传感器12、热敏电阻温度传感器16)，在外壳内侧填充隔热棉，防止双向调温系统向内部空气漏热，降低加热或制冷的效率。
31.步骤二，将硅胶管和潜水泵9、储水槽10内冷却水组成水冷系统，潜水泵9与电源11相连。
32.步骤三，将半导体制冷片4、金属外壳2内侧的温度传感器与4个温控模块6相连，4个温控模块6集中连线到1个串口复用器13上，串口复用器13再与电脑14通过数据线相连，
通过电脑14第1个串口通讯。金属外壳2外侧的温度传感器与温度采集模块15相连，温度采集模块15再通过数据线与电脑14相连，实现与电脑14第2个串口的通讯。
33.步骤四，通过固紧螺钉1和卡扣3连接将前半外壳和后半外壳组装在一起，电源11通电开始测试。
34.步骤五，用户根据恒皮温或恒热流控制模式的需要，在电脑14中选择相应的温度采集与控制程序。
35.在恒皮温控制模式下，根据程序内部的pid控制算法计算半导体制冷片4所需的工作电压，通过数据线向温控模块6发送指令控制其输出电压，将金属外壳2内外表面4个区域传感器测得的平均温度控制在目标值。
36.在恒热流控制模式下，温度采集与控制程序将半导体制冷片4工作电压设定为不同恒定值，以模拟人体在不同热环境下、不同工作强度下的代谢率，采集在模拟不同代谢率下的金属外壳2温度分布数据。
37.步骤六，实验结束时，可从电脑14中导出各传感器测得的温度曲线用于后续处理和分析。关闭电源11，将半导体制冷片4、水冷块5、硅胶管、潜水泵9拆离，可调整半导体制冷片4和温度传感器的相对位置再次实验，以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，对半导体制冷片和温度传感器的分布方案做出优化。
38.现有暖体假人通过自然散热缓慢降温模拟人体散热，忽略了人体皮肤主动调温的功能，在模拟高温环境时，将导致假人皮肤温度与人体皮肤温度出现偏差，影响测试结果的准确性。同时自然散热快慢随环境变化在温控过程中带来不确定因素，增加了精准控温的难度。本发明提出的技术方案，不同于国内外现有暖体假人以电热片或电热丝为核心加热元件的温控系统，通过以半导体制冷片为核心的温控系统来实现双向调温，可以在外界高温环境下模拟人体神经系统控制的主动热生理调节过程，解决了现有暖体假人只能通过自然散热缓慢降温，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；通过双向调温的方式，提高了控温精度，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；同时温控装置的响应速度和控制稳定性得到提高，不仅可缩短服装传热特性测试的时间，而且对于提高未来暖体假人自适应反馈控温模式的皮温预测及控制精度也具有重要意义。以半导体制冷片为核心，本发明相应设计的前后对称组合式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；金属外壳具有平面结构且可拆分，便于局部温控装置的实际组装；半导体制冷片贴附固定的位置可以动态调整，便于优化局部节段外壳温度均匀性、稳定性最佳时半导体制冷片的分布位置。
39.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。