电压检测手套的制作方法
本公开涉及一种电压检测手套和系统，所述电压检测手套和系统被指定由对电气设备进行维修或除此之外可能会遭遇通电电路的工作人员使用，并且尤其涉及一种包括天线和电子电路的手套，所述电子电路能够检测ac电场并且响应于检测到场超过预选阈值而激活信号，从而可以向工作人员警告潜在的电击危险。
背景技术：
接触通电的电路和设备被公认为是严重的工作场所危险，其可能因触电或其他有害的二次影响(诸如跌倒后的创伤)而导致严重损伤甚至死亡。在某些情况下，危险是直接且明显的，但在其他情况下，危险可能是间接的。例如，对于在安装或修理实际电气设备时有意地直接接触实际电气设备的电工或其他工作人员，存在直接且可识别的危险。从理论上讲，可以通过给设备断电来消除这种危险，但是，即使仍然存在电击危险，无法识别的故障或人为错误也都常常使工作人员认为工作可以安全地进行。在涉及高电压的某些情况下，仅接近而没有实际接触就可能足以使工作人员遭受伤害性电击或甚至触电死亡。另外，由于与起重机、叉车、梯子或其他类似的工作场所设备或工具(电流通过其传导至使用者)的间接接触，工作人员可能会无意中直接接触通电的电路或暴露于其中。
尽管通常认为高电压更危险，但是普通的120v/60hz电源的持续电击也能够轻易地导致心室纤颤，因为电击强度可能超过摆脱阈值，同时无法递送足够的初始能量来使受害者远离电源。
有时以非接触式检测器或测试仪的形式提供保护，这些检测器或测试仪能够在工作人员活动之前和期间感测有害电压。通常，这些检测器被构造在笔形壳体中，以使其易于携带和使用。在预期高电压的情况下，有时会将合适的检测器安装在不导电的长杆上，以使工作人员在保持安全距离的同时将检测器操纵到期望的检测区中。但是，在这些情况中的任一情况下，测试通常在开始时间或工作过程中与工作人员的持续活动无关的不规律时间进行一次。在工作人员进入某个区域或发起给定工作活动之前进行的这种测试通常可以避免危险。然而，稍后可能会产生危险并且没有通知工作人员。在复杂的工作现场中，想象到的是，在不了解整体员工队伍的情况下，其他工作人员的活动可能会使电路通电，从而使得通过准备测试已经清除的活动以后可能会变得危险。
连续操作而无需采取特定措施或中断工作人员的日常工作的电压检测系统将提供针对此类情况的保护。与其他常规使用的个人防护设备结合的系统在增强工作人员保护方面将特别有用且方便。
技术实现要素：
本发明的一方面提供了一种电压检测手套，所述电压检测手套包括：
(a)手套外壳；
(b)手套衬里，所述手套衬里具有近端部分和远端部分，所述远端部分具有从所述近端部分延伸的指状物，所述近端部分和所述远端部分各自具有相反的正面和背面，所述手套衬里由非导电材料构造并且可移除地设置在所述外壳内；以及
(c)电压检测器，所述电压检测器包括：(i)具有输入端的电压检测电路以及(ii)连接到所述输入端的天线，
并且其中：
(i)所述天线设置在所述手套衬里与所述外壳之间并且包括一个导体，所述导体从位于所述近端部分背面的连接器端开始、然后沿着所述指状物中的预选的一个指状物延伸并缠绕其末端、并且然后终止于自由端；
(ii)在所述手套衬里与所述天线之间插入有厚度至少为2.5mm的缓冲物；并且
(iii)所述电压检测器被配置成：感测所述天线附近是否存在具有预定的预期频率的ac电场，并响应于在所述输入端处检测到指示场强度超过预选阈值极限的信号而激活警报。
另一方面提供了一种对佩戴着上述电压检测手套的工作人员可能遭遇的ac电场进行检测的方法。
附图说明
当参考本发明的优选实施例的以下详细描述和附图时，将更充分地理解本发明并且其他优点将变得显而易见，其中贯穿若干视图相似的附图标记表示相似的元件，并且在附图中：
图1a至图1b描绘了本公开的电压检测手套系统的相反面的平面视图；
图2以(在图1a的ii-ii处截取的)示意性截面图描绘了本公开的电压检测手套系统的一部分；
图3是描绘本系统中使用的电子设备的编程和操作的流程图；
图4描绘了模拟本公开的电压检测手套系统的电气性能的电路；并且
图5是描绘由于在内衬与天线之间插入缓冲物而对本公开的电压检测手套系统的灵敏度的影响的曲线图。.
具体实施方式
本公开的一方面提供了一种电压检测手套，所述电压检测手套包括：具有手套外壳的手套本体、手套衬里、以及插入在所述外壳与所述手套衬里之间的缓冲物。天线位于缓冲物与手套外壳之间，并且连接到合适的电子电路。
当手套佩戴者接近可能会造成电击危险的ac电压源时，会通过与所述源的电容耦接在天线上看到电压。该电压可以通过手套的电路来检测。在检测到由源引起的ac电场时，通过任何类型的警报信号(包括但不限于可听警报或可视警报)向佩戴者警告潜在危险的电压。所述系统的灵敏度足够高，以在使用者实际接触通电的电路或者受到电容耦接电压危害之前触发警告。因此，减轻了严重损伤或触电死亡的危险。
图1a和图1b总体上示出了本公开的电压检测手套系统的一个可能的实施例，这些图分别描绘了构造成佩戴在使用者右手上的手套30的各个面。背面36指定为位于使用者手部的手背上，并且与在使用者手部的手掌或腹侧上的正面37相反。图2以截面视图进一步描绘了本发明的手套30，所述截面视图是在图1a中的ii-ii处穿过手套的手掌和无名指截取的。
手套30分为近端部分32和远端部分34。近端部分32通常是指包含手掌的部分，而远端部分34从佩戴者的拇指38和第一至第四根手指39至42的近端指骨的基部延伸。手套衬里62的尺寸和结构设计成使其共形地适合佩戴者的手部，包括各个手指。在实施例中，手套衬里62是不导电的，并且包含棉、阻燃棉、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚乙烯、聚氨酯、对位芳纶、间位芳纶、硅树脂、含氟聚合物、橡胶、弹性体或皮革中的至少一种。还可以设想包含这些材料中的一种或多种材料的织造织物或非织造织物。其中手套衬里由固有地不可透过液体的材料构造或者包括不可透过的涂层的实施例有利地提高了检测的灵敏度并增强了使用者的安全性，因为汗液或其他液体污染物无法在使用者的皮肤与天线44之间产生导电通路。
如图2中最佳地看出，手套构造有在手套衬里62之外、天线44之下的缓冲物64。缓冲物64用于将天线44与佩戴者的手部和手指的皮肤间隔开。缓冲物可以包含不导电且具有低介电常数κ的任何材料，例如，电阻率至少为1×1010ω-m且κ<5的材料。在其他实施例中，κ小于4、3.5、3或2.5。缓冲物的厚度至少应为2.5、5或7mm，以将天线与手套佩戴者的皮肤充分地分开。在实施例中，缓冲物由棉、阻燃棉、纤维素、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚乙烯、聚氨酯、对位芳纶、间位芳纶、硅树脂、含氟聚合物、橡胶、弹性体或皮革构造，可能地作为织造或非织造(例如，毛毡或棉絮)织物或者开孔泡沫或闭孔泡沫。在实施例中，缓冲物由一种或多种材料的多个层形成，其中，这些层可以进行黏合、绗缝或以其他方式连结。
缓冲物64必须至少存在于手套衬里62中的天线所在的区域上，但是可以覆盖手套衬里的大部分，或者甚至与手套衬里共同延伸。在替代性实施例中，缓冲物与手套衬里结合为满足以上关于厚度、电阻率和介电常数的要求的单个整体结构。在其他实施例中，缓冲物不必是完全覆盖手套衬里的预选区域的固体层，而是相反可以由离散的区段形成，只要其保持天线与佩戴者的皮肤之间的所需间隔即可。
手套本体进一步包括手套外壳(未示出)，所述手套外壳构造成舒适地适合手套衬里、缓冲物和天线。通常，手套外壳例如通过缝合、粘合剂黏合或其他方便的附接永久性地附连到内部的手套部件，但是可替代地，手套外壳可以构造成可从手套衬里和缓冲物单独地移除。可选地，在外壳中设置开口以暴露电子设备53，以便使用者可以容易地激活其控制件、接收其信令、更换其电池或将其连接到电源以进行充电、或者完成其他必要的功能。
天线44从手套近端部分32的背面36上的连接器端46延伸、并朝向第三(无名指)手指41、穿过中间部分48，并由此延伸到缠绕手指41尖的端部部分50并终止于端部52。在实施例中，端部部分50的尺寸设计成缠绕佩戴者的远端指骨的两侧，其中端部52大致位于佩戴者手部的远端指间关节处、并且在正面37上。将天线定位在手指的两侧有利地提供了多向灵敏度，并减少了手指造成的屏蔽。尽管天线可以放在任一根手指上，但其可以方便地放置在第三根手指上，所述第三根手指在使用者的手部力量和敏捷性方面不如拇指或前两根手指重要，但仍为系统提供足够的灵敏度。还可以设想天线具有设置在另外的手指上或手套上的其他位置上的多个分支或部分的其他构型。
在图1a所示的实施例中，中间部分48具有起伏或曲折的形状，所述起伏或曲折的形状沿大体上与手指方向对齐的轴线进行振荡。中间部分48遵循近似正弦曲线的蛇形形状。这样的构型允许手套的远端部分中的手指容易地弯曲，从而不会过度地损害佩戴者的敏捷性。提供良好挠曲度的其他构型(诸如之字形、锯齿形或螺旋形)也是可能的。还可以设想提供良好挠曲的更复杂的构型。理想地，天线构型应使手套在佩戴者手部的整个运动范围内都是可拉伸的、柔性的和顺应性的。在实施例中，天线和其中结合有天线的手套表现出较高的延展拉伸率，这意味着所述结构可以被拉伸长达5％、10％、15％或20％，而不会永久变形或降低电压检测功能。
在另一实施例中，将一条或多条金属线编织到手套衬里中。可替代地，可以使用以合适的构型沉积到缓冲物、手套衬里或整体结构上的合适导电糊料来形成导体，同时提供所需的拉伸率。
天线44可以由具有足够的电导率以与电子设备的输入特性兼容的任何材料构造。例如，所述天线可以包括在薄聚合物层上的金属化厚膜或金属化薄膜。图1至图2所示的实施方式在较薄的柔性
在图1a所示的实施方式中，电子设备53提供电压检测电路并且进一步包括通/断开关54和三个指示灯56、58、60。电子设备53优选地通过任何合适的附接固定至手套。例如，所述电子设备可以粘合地附接或通过将其缝合到手套衬里62而附接，或者可以设置在形成在手套衬里62或手套外壳中的口袋中。
如图2中最佳地看出，天线44在其连接器端46处连接到电子设备53的输入端。通常，在天线与电子设备之间存在直接电连接，但是还可以设想其他间接连接形式。优选的是，通过可反向接合的连接器进行直接电连接，以允许用另一只手套再次使用电子设备，但是还可以设想其中使用更永久的电连接的实施例。电子设备53的电压检测电路能够执行以下功能：包括但不限于感测在输入端处呈现的电压，以及响应于检测到指示ac电场的强度超过预选阈值极限的电压而激活警报或其他信号装置。可以使用任何合适的模拟电子部件和/或数字电子部件或集成电路来实施所述电路。在一些实施例中，电子设备具有附加功能，这些附加功能半定量地或定量地感测并指示场强度，而不仅仅是在场超过阈值极限时被触发。通常提供电池或其他合适的电源(未示出)、以及通断开关54等。
在一些实施例中，电子设备包括可操作以提供对天线附近的ac电场的强度的可听指示和/或可视指示的指示器。例如，所述指示器可以包括任何方便类型的可视显示器，包括但不限于呈旋转或线性构型的机械仪表或电子仪表、或配置为条形图的一系列可单独寻址的光段，所述条形图的长度随着场强度的增加而增加。在另一种实施方式中，诸如在图1中所描绘的，指示器包括多个光源56、58、60，所述多个光源可单独激活并且优选地具有不同的颜色。
指示器还可以包括发射任何期望类型的音频信号的音频换能器(诸如扬声器、压电换能器或类似的设备)，所述音频信号包括但不限于振幅和/或频率可以变化的单个音调或者诸如警笛声、颤音等音调模式。
在一些实施例中，指示器提供其特性中的一个或多个特性连续可变的信号，使得所述指示器可以向使用者提供对场强度的模拟指示。例如，可以将可听指示提供为重复的脉冲(诸如滴答声、蜂鸣声、啁啾声等)，其中连续脉冲之间的间隔随着场强度的增加而减小。可替代地，指示器可以提供离散数量的不同指示，这些指示可以如多色可视显示器和/或多个离散音频频率或多个不同音调模式一样简单，每个指示对应于超过一系列递增的预选等级之一的场强度。
在一些实施方式中，电子设备53包括滤波电路或编程，所述滤波电路或编程适配用于对所述系统对频率在预选范围内的ac电压的响应进行限制。通常，选择频率范围以涵盖预期可能存在的线电压的频率，诸如50、60或400hz。在60hz的实施方式中，该频率范围可以选择为55至65hz。这种带通滤波器的使用提供了噪声抗扰性的量度。
在一些实施例中，电子设备53包括可以被编程为执行上述滤波功能、检测功能和警报激活功能中的一个或多个功能的微控制器或数字信号处理电路。在图3的流程图中描绘了用于对电路进行编程的可能算法。在步骤102处，在一系列点中的每个点处，对在天线44的模拟输入端子处呈现的电压进行采样并存储，可选地包括时间戳。将采样率和持续时间设置为提供足够数量的采样数据点，以提供用于后续表征的数据集。通常，持续时间对应于要感测的ac电压的期望周期数。例如，持续时间可能对应于60hz信号的2至6个周期，其中以8khz采样率每个周期大约134个点。在步骤106处，确定这些点内的最大电压和最小电压，并计算平均电压和频率。步骤106和108执行基本滤波操作，以区分感兴趣的实际信号和噪声以及其他信号伪像。如果天线信号的频率在预选感兴趣频率范围内(例如，在实施例中可以使用55至65hz来检测标称60hz信号)(步骤106)，并且最大电压和最小电压相差小于预定的差阈值(步骤108)，则确定所述天线信号为感兴趣信号。如果所确定的频率超出预选范围，或者最大电压和最小电压相差超过差阈值，则禁止激活警报。在实践中，已经发现，频率明显不同于标称线频率的信号或者其中最大值和最小值相差太大的模式的信号指示的是噪声或其他异常，而不是真实信号。
在步骤110、112和114处进一步确定信号的幅度(如在步骤104处确定的平均电压所指示的)是否在三个预选电压范围中的任何一个范围内。如果是，则点亮合适的led指示器并且扬声器或其他音频换能器发出合适的可听音调(步骤116、118、120)。被点亮的特定指示器和发出的音调频率是与信号所落入的范围中的特定范围相关联的指示器和音调频率。只要系统上电，就无限地重复测量循环。
在进一步实施例中，数据从电子设备53无线地传输到计算机网络或其他合适的监测系统。可以使用任何合适的无线协议，包括但不限于由蓝牙特别兴趣小组(华盛顿州柯克兰市)公布的蓝牙协议和符合ieee802.11标准中的一个或多个标准的wifi协议。所述数据可以包括对工作人员状态的定期报告以及对ac电压的任何检测的指示，包括幅度、日期/时间和其他相关信息。在另一方面，计算机网络系统被编程为在接收到指示警报状况的数据时关闭相关的电路，以保护佩戴着电压检测手套的工作人员和任何其他相关工作人员。
实例
实例1
缓冲物影响的数值模拟
使用图4的电路10作为代理，在数值上模拟在天线与手套衬里之间插入低介电常数缓冲物、并从而将天线与佩戴者的手指间隔开对灵敏度的影响，其中，电阻和电容的各个源被视为集总部件。特别地，电路10中的电路元件如下：
vs：ac正弦电源，120vrms/60hz
c1：源到天线的电容
c2：源到人体的电容
c3：天线到人体的电容
c4：人体到地的电容
r1：天线到人体的电阻(dc)
r2：人体到地的电阻(dc)。
根据电压源与天线之间的距离来计算c1和c2的数值。c1是利用comsol
使用ptcmathcadprime3.1软件(可从马萨诸塞州尼德姆市的ptc购得)来计算源到人体的电容c2。为了计算电容，将普通的人表示为大约高170cm且宽xxcm的导电片。
r2和c4的值来自文献，分别约为10kω和200pf。r1计算为至少为1gω，因此在感兴趣的频率下对电路性能没有明显影响。为了模拟缓冲物的影响，天线到人体的电容c3由两个平行板来近似，所述两个平行板的尺寸为典型的人类手指并且相隔约4.0mm(对应于厚3.6mm且κ～3.5的材料(通常为
将这些值用于电路10的电路元件，针对表示两种不同手套构型的模型并且在表示源与天线之间的距离的一定间隔范围内，使用ltspicexvii软件(可从http://www.linear.com/designtools/software/下载)来计算电压v1和v2。将耦接到天线的电压取为大约v1-v2，并且针对这两种构型将所述电压如图5所示地绘制为电压源与天线之间的距离的函数。v2是在电压检测电路的虚拟接地时实际手套电路中的电压的代理，假定所述电压检测电路与佩戴者的皮肤紧密耦接。v1和v2参考真实接地。
可以看出，即使在超过25cm的距离处，缓冲物的插入也会使耦接电压从不到源电压的2％增大到超过10％。因此，在该模拟中耦接电压的增大表明，在上述实际手套构型中包括缓冲物将显著地提高工作人员以预期方式佩戴的手套的检测能力，并且因此提供保护。
不受任何理论的束缚，据信由于包括缓冲物而导致的电压检测灵敏度提高可归因于有效天线到人体的电容c3的减小。由于r1(通过缓冲物和手套衬里从天线到人体的电阻)非常大，因此r1/c3并联组合的电抗由c3决定。在没有缓冲物的情况下，c3增大，并且因此其电抗相反地减小。进而，r1/c3组合两端的电压降(v1-v2)明显减小，从而减小了提供可检测信号的电压源的分数(v1-v2)/vs。
进一步地，并且不受任何操作理论的束缚，应当理解的是，其中将天线靠近使用者皮肤设置的本系统提出了笔形壳体中的常规检测器没有面临的挑战。在笔形壳体的情况下，使用者通常在与一端的探针尖端相隔相当大距离的某个点处握住壳体。因此，使用者可以在保持安全工作距离的同时使探针尖端接触要测试的导体或端子。源与使用者之间的电容耦接不会损害检测器的灵敏度，所述电容耦接可以分流或以其他方式影响检测器必须感测的天线处电压，以推断危险的存在。就图4的代理电路的电路元件而言，这种配置针对当前手套构型的值特性维持或减小了c1，并且大大增大了c2和c3，因此可用于检测的电压(v1-v2)相对较大。
然而，内置在工作人员手套中的检测器系统允许进行连续监测。包含缓冲物以将天线元件与工作人员的皮肤间隔开减小了有效c3值，从而降低了原本会发生的灵敏度损失。在实践中，必须将缓冲物的厚度设置成符合维持为其使用者提供足够灵活性的手套。
实例2
对比实例1
对电压检测手套的测试
通常根据以上图1至图2的描述来构造电压检测手套，并且然后对所述电压检测手套进行测试以表征其检测通电的ac电线的能力。
实例2的手套包括0.36mm厚的
天线的近端端部连接到avratmega32u4微控制器的adc输入端，所述微控制器被编程为感测在该端子处呈现的输入电压。所述微控制器进一步被编程为在检测到落入以下三个预选范围内的任何输入电压时点亮三个指示灯(绿色、蓝色和红色)之一：分别为2至20mv、20至200mv、或200mv以上。
对比实例1的手套使用类似的构造。天线具有类似的形状，但是是从具有压敏粘合剂背衬(3m公司)的铜箔带上切下的。将所述天线直接层压到与实例2中使用的相同类型的
测试是由人类受试者针对每只手套进行的，所述人类受试者戴上手套并接近连接到通电的ac电压源的导体，其中手指完全伸出并大致垂直于导体。记录分别通过点亮绿灯、蓝灯和红灯来指示前述三个检测等级中的每一个等级的手部位置。针对每种情况测量无名指与电压源之间的检测距离，如下表1所示。所有测量值均表示四个距离的平均值，其中两个测试仪各自进行两次距离测量。测试了如上所述的实例1和对比实例1的手套构型。为了进行比较，还使用形状通常像笔形且额定灵敏度为90至1000vac的商用手持式非接触式ac电压检测器(flukevoltalert1ac-aii，fluke公司，华盛顿州埃弗里特市)获得最小检测距离。
表1的数据表明，由于包含缓冲物而提高了检测灵敏度，如由检测到给定水平的信号的更大距离所指示的。还可以看到，本手套系统的比手持式商用检测器具有更高的灵敏度。
表1
尽管已经如此相当充分详细地描述了本发明，但将要理解的是此细节无需严格地遵守，而是本领域技术人员可想到所有落入如由所附权利要求限定的本发明范围内的另外的变化和修改。
在本说明书中，除非由使用上下文另外明确指明或相反指示，在本发明主题的实施例被陈述或描述为包含(comprising)、包括(including)、含有(containing)、具有某些特征或要素、由某些特征或要素组成或由某些特征或要素构成时，除了明确陈述或描述的那些之外的一个或多个特征或要素也可存在于该实施例中。然而，本发明主题的替代实施例可被陈述或描述为基本上由某些特征或要素组成，其中将实质改变实施例的操作原理或区别特性的实施例特征或要素不存在于其中。本发明主题的另一个替代实施例可被陈述或描述为由某些特征或要素组成，在该实施例中或在其非本质变型中，仅存在所具体陈述或描述的特征或要素。另外，术语“包含”旨在包括由术语“基本上由…组成”和“由…组成”涵盖的实例。类似地，术语“基本上由…组成”旨在包括由术语“由…组成”涵盖的实例。
在本说明书中，除非由使用上下文另外明确指明或相反指示，在此所述的量、尺寸、范围、制剂、参数以及其他数量和特征，尤其是当由术语“约”修饰时，可以但无需是精确的，并且还可近似和/或大于或小于(如所希望的)所述值，以反映公差、转换因子、四舍五入、测量误差等，并且将在指定值之外的在本发明上下文中具有与指定值等效功能和/或操作的那些值包括在所述指定值内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！