一种充气气囊特性测量装置的制作方法

本发明涉及医疗护理器械技术领域，具体是一种充气气囊特性测量装置。

背景技术：

睡眠质量关系到人的心理及生理健康，睡眠质量差的人易出现紧张、疲劳、注意力不集中、饮食失调等症状，而影响睡眠质量的一大原因就是打鼾(睡眠呼吸暂停综合征)。研究表明良好的睡眠姿势有利于减轻呼吸暂停综合征患者的呼吸障碍程度，有助于减缓打鼾，因此护理用的气囊床垫应运而生。气囊床垫能够根据使用者的压力分布以及通过检测使用者的呼吸和睡姿来有效调节气囊的压力和充气的高度，进而调整使用者的睡姿，有效缓解打鼾。

而获得气囊在一定外加载荷下，充气高度与内部压力之间的变化关系，才能基于不同气囊的不同载荷达到对气囊床垫充气高度的准确控制。目前，用于测量气囊相关特性的装置几乎没有。

申请号201610351756.x的中国专利公开一种汽车安全气囊刚度测量装置，该测量装置针对的是充气速度快，体积大，形变程度大的汽车安全气囊，只能测量气囊的刚度，无法测量除刚度外的其他气囊参数，也无法应用在护理床垫的气囊参数测量中。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种充气气囊特性测量装置；该装置可以测量气囊在一定外加载荷下，气囊充气升起的高度随内部气压的变化情况，为气囊床垫的气囊设计提供理论基础。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种充气气囊特性测量装置，包括机架，机架的下部设有支撑台，气囊放置在支撑台上表面上；其特征在于，该装置还包括第一测量组件和第二测量组件；

第一测量组件的一端位于气囊正上方，对气囊施加载荷；第一测量组件的另一端设有配重，保证第一测量组件空载条件下气囊所受载荷为零；第一测量组件能在机架上上下滑动，用于测量气囊充气的高度变化；第二测量组件用于对气囊充气同时测量气囊内部的气压，第二测量组件的供气口与气囊的进气口相连。

所述第一测量组件包括第一砝码、第二砝码、位移传感器、托盘支架和压盘；托盘支架的上表面设有连接杆，托盘支架的侧面设有端耳，端耳与机架的侧框滑动连接；连接杆的自由端通过连接绳与第二砝码相连；连接绳套在机架的上部，能在机架上自由滑动；第一砝码放置在托盘支架上，与连接杆配合；压盘固定在托盘支架的底部，压盘恰好与气囊的正上方接触；位移传感器固定在托盘支架的端耳上。

所述机架为呈l型的框架结构，机架的下部和靠近中部的位置分别设有支撑板及竖梁，两个支撑板及竖梁共同构成支撑台；两个支撑板之间形成空腔，第二测量组件位于空腔内；机架的上部设有横梁，横梁底部通过滑轮座安装有定滑轮，连接绳经定滑轮连接第二砝码。

所述第二测量组件包括压力变送器、减压阀和气泵，气泵的出气口通过导气管与减压阀的进气口密封连接；减压阀的出气口通过三通阀门分别与气囊的进气口和压力变送器密封连接，压力变送器测量气囊的内压力。

所述第一测量组件还包括压力传感器，压力传感器位于托盘支架和压盘之间，与压盘同轴心固连，且与托盘支架的底部固连。

所述连接杆的自由端设有与连接绳连接的吊环。

所述托盘支架的端耳上焊接有限位板和固定板，限位板与固定板之间形成凹槽，凹槽内设有通孔；位移传感器固定在凹槽内，位移传感器的传感头穿过通孔露在端耳底部。

第一测量组件还包括滑块，限位板为l型；所述滑块位于端耳上，且与限位板靠近机架的侧板固连；机架相应的侧框上竖直固定有与滑块相配合的导轨。

本发明还提供一种充气气囊特性测量方法，该方法使用上述的测量装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：

s1.进行补偿实验

将第一砝码置零，开启气泵，对气囊充气，使位移传感器数值增长；压力传感器测量一段时间内的压力数据，计算机对一段时间内的压力数据取平均压力，该平均压力作为测量实验的压力补偿值；

s2.进行测量实验

加载第一砝码，开启气泵，对气囊充气，使位移传感器数值增长；位移传感器测量气囊的高度变化，压力变送器测量气囊内部的气压；根据测得的气囊高度变化、内部的气压以及第一砝码的重量和压力补偿值，获得一定载荷下，气囊充气的高度与内部气压的变化关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明装置设置压力变送器能够测量气囊充气过程中的内部压力变化，设置位移传感器能够测量气囊充气过程中的高度变化，同时能测量不同外载荷下的气囊内压力及高度参数。

本发明装置在托盘支架的底部设置有压力传感器，用于测量外加载荷为零时气囊受到的阻力，以减少因摩擦力、安装垂直度等因素造成的测量误差，提高了测量精度。

通过滑块与导轨相配合的方式保证托盘支架的垂直度，使位移传感器测量的数据更加准确；该装置可适用于不同大小及充气高度的气囊进行实验，通用性强。

设置不同规格的第一砝码，可以用于实现不同外载荷下的气囊充气实验，提高测量实验效率；利用第二砝码进行重量补偿，消除托盘支架、位移传感器以及滑块自身重量对气囊充气高度的影响，提高测量精度。

采用减压阀可以调节充气压力，避免气囊发生塑性变形或充气过快，便于操作并提高安全性；通过三通阀门可及时关闭气路，防止气体回流或通过减压阀泄气，提高测量的准确性。

本发明采用第一砝码对气囊施加载荷，分别通过位移传感器和压力变送器测量在一定外加载荷下，气囊充气过程中升起的高度随内部气压的变化情况；此过程模拟了人体躺在气囊床垫上时气囊的受力，当精准控制气囊床垫每个气囊的内部气压，即可精确控制气囊的充气高度，便可在整体上实现人体的睡姿及身体局部部位高度的调整，为护理床床垫的气囊设计提供了理论基础。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的正视图；

图3为本发明的托盘支架的结构示意图；

图4为本发明的补偿实验a的工作流程图；

图5为本发明的补偿实验a的压力传感器测得的压力随时间的变化图；

图6为本发明的测量实验b的工作流程图；

图7为本发明的测量实验b的气囊内部气压与气囊的高度变化关系图；

图中，1.压力传感器；2.机架；3.第一砝码；4.吊环；5.滑轮；6.横梁；7.滑轮座；8.第二砝码；9.位移传感器；10.托盘支架；11.压盘；12.气囊；13.支撑板；14.导轨；15.滑块；16.压力变送器；17.三通阀门；18.减压阀；19.气泵；20.连接杆；21.端耳；22.限位板；23.固定板；24.安装座。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

本发明提供了一种充气气囊特性测量装置(简称测量装置，参见图1-7)，包括机架2、气囊12、第一测量组件和第二测量组件；

所述机架2为呈l型的框架结构，机架2的下部和靠近中部的位置分别设有支撑板13，两个支撑板13之间形成空腔；机架2的上部设有横梁6，横梁6两端的底部分别通过滑轮座7安装有滑轮5；气囊12设在靠近机架2中部的支撑板13上；第一测量组件的上部与两个滑轮5相连，下部与气囊12的正上方接触，第一测量组件能在机架2上滑动，第一测量组件用于测量气囊12受到的载荷以及气囊12的高度变化；第二测量组件安装在机架2下部的空腔内，与气囊12的进气口相连，用于给气囊12充气并测量气囊12内部的气压。

所述第一测量组件包括第一砝码3、第二砝码8、位移传感器9、托盘支架10和压盘11；托盘支架10上表面固定有连接杆20，托盘支架侧面安装有端耳21，端耳21与机架2的侧框滑动连接；连接杆20的自由端通过连接绳穿过两个滑轮与第二砝码8相连，连接绳套在两个滑轮5上，两个滑轮5对连接绳起导向作用；第一砝码3放置在托盘支架10的上表面且靠近连接杆，第一砝码3的限位槽与连接杆20配合；压盘11固定在托盘支架10的底部，压盘11恰好与气囊12的正上方接触，防止气囊12充气过程中倾斜；位移传感器9固定在托盘支架10的端耳21上，用于测量气囊12充气后的高度变化；

所述第二测量组件包括压力变送器16、减压阀18和气泵19，气泵19的出气口通过导气管与减压阀18的进气口密封连接；减压阀18的出气口通过三通阀门17分别与气囊12的进气口和压力变送器16密封连接，压力变送器16用于测量气囊12内部的压力。

所述第一测量组件还包括压力传感器1，压力传感器1位于托盘支架10和压盘11之间，与压盘11同轴心固连，且通过安装座24固定在托盘支架10的下表面；用于测量在外加载荷为零的情况下，气囊12充气过程中所受的阻力。

所述托盘支架10的端耳24上焊接有l型的限位板22和l型的固定板23，限位板22与固定板23之间形成凹槽，凹槽内设有通孔；位移传感器9固定在凹槽内，位移传感器9的传感头穿过通孔露在端耳21底部；限位板22和固定板23将位移传感器固定卡在该凹槽通孔内，防止位移传感器在托盘支架移动过程中发生晃动。

所述第一测量组件还包括位于端耳21上，与限位板22通过螺钉固连的滑块15；在与滑块相邻的机架2侧框上通过螺栓竖直固定有与滑块15配合的导轨14；导轨14的长度大于待测气囊12高度变化的最大值，保证气囊12充气过程不受影响；通过滑块15在导轨14上滑动保证托盘支架10竖直移动，对气囊12施加正压力。

所述连接杆20的自由端设有吊环4，方便与连接绳连接；

所述第二砝码8的重量等于未放置第一砝码3时吊环4、托盘支架10、压盘11、压力传感器1、位移传感器9和滑块15的总重量，即第一砝码3不放置时，第二砝码8的重量应保证托盘支架10既不上升也不下降。

所述第一砝码3可调节，对气囊12施加不同的载荷；第一砝码3的规格可以根据不同场合气囊所受的载荷以及测量的精度定制；测量气囊床垫的气囊参数时，由于人体躺在护理床上时单个气囊的受力范围为0-50n(参见文献《人体舒适度及翻身高度与各部位压力分布研究》)，因此第一砝码3的规格可以为0.5kg、1kg、2kg等，每个规格的个数有很多，可以任意组合成不同的重量。

所述压盘11的面积大于气囊12的横截面积(气囊在水平面上的投影面积)，使压盘11完全覆盖气囊12，防止气囊面积过大，对压盘的挤压面积过小，不能真实地反映气囊12变化的高度；压盘11保证水平安装。

所述横梁6的长度应保证第二砝码8与压盘11以及第一砝码3的移动互不干涉；机架2和横梁6均采用铝型材制成。

压力传感器1的量程为0-20kg，传感精度为0.1％，型号：czl-1012；压力变送器16的测量范围为0-0.1mpa，精度等级：0.2；位移传感器9的型号为hg-c1200，测量范围为±80mm，重复零度为200μm；气泵的型号为ga-61，排气量为118l/min，功率为600w；减压阀的型号为ir1000-01，调压范围为0.005-0.2mpa。

本发明涉及的气囊特性为：在一定外加载荷下，气囊充气的高度与内部气压之间的变化关系。

本发明的工作原理和工作流程是：

将压力传感器1、位移传感器9以及压力变送器16分别与上位机相连，上位机记录相关数据；将一定重量的第一砝码3放置在托盘支架10上，为气囊12施加外加载荷；启动气泵19，打开减压阀18，对气囊12充气；观察气囊12是否鼓起(当减压阀的出口压力小于气囊内部气压时，减压阀泄气，气囊不会鼓起)及充气速度手动微调减压阀18的出口压力，压力变送器16测量气囊12内部的气压，并将数据传输至上位机；气囊12充气后膨胀，位移传感器9测量气囊12充气时的高度变化，并将数据传输至上位机；

根据测得的气囊12内部的气压以及充气的高度变化，可以获得在一定载荷下，气囊12充气的高度与内部气压的变化关系；然后改变第一砝码3的重量，重复上述操作步骤，可以获得在不同载荷下，气囊12充气的高度与内部气压的变化关系。

将该装置用于测量气囊床垫的气囊相关参数时(气囊床垫的所有气囊为相同规格)，通过测量装置获得单个气囊高度与内部气压之间的关系；气囊只考虑整体均匀受力，不考虑局部受力；由于人体躺在气囊床垫上，身体不同部位给予不同位置的气囊不同的外载荷，因此如果要实现对人体睡眠时姿态的调整，比如头部和颈部抬起到特定高度，即已知要达到的气囊高度，根据上述的关系则只需要对该位置的气囊通过调节减压阀或气泵出口压力进行气囊内部压力的控制，达到相应要求的内部气压，以达到对气囊准确控制充起高度的效果，从而实现对人体睡姿的准确调整，为气囊床垫的应用提供了控制依据。

本申请装置在使用中会存在摩擦力、安装垂直度等影响因素，因此在进行相关测试之前，应在空载条件下进行参数补偿试验。

为了验证本方案的可行性，下述为利用该装置分别进行的补偿实验a和测量实验b；

补偿实验a：由于气囊测量需求较为精准，故为了减少摩擦力、安装垂直度等因素的影响，将在正式测量实验b之前进行补偿实验a；即在无载荷(第一砝码3置零)时，气囊充气过程中压力传感器获得初始压力数据，此初始压力数据的均值作为测量实验b最后确定实际外载荷时的压力补偿值；

补偿实验a的工作流程如图4所示，将第一砝码3置零，此时气囊所受外载荷理论上为零；开启气泵19，气囊因充入气体而给予压盘向上的力，此时位移传感器响应并测量压盘的位移，即气囊充气的高度变化，观察位移数值是否增长；若不增长，则说明充气压力小于压盘受到的阻力，此时手动微调减压阀的出口压力使充气压力增大，直到位移数值开始增长；若增长则不调节减压阀，压力传感器输出压力值，计算机对时间轴上的压力数据取平均值，作为测量实验b的压力补偿值，至此补充实验a结束；在外载荷为零的情况下，压力传感器测得的外压力随时间的变化关系如图5所示，得到5s内的外压力的值求平均，获得气囊受到的外压力为0.6n，即气囊充气过程中的平均阻力为0.6n；

测量实验b的工作流程如图6所示，选择一定重量的第一砝码3，即气囊的外加载荷大于零，此时气囊所受外载荷理论上为第一砝码3的重量；开启气泵，气囊因充入气体而给予压盘向上的力，此时位移传感器响应并测量出压盘的位移高度，观察位移数值是否增长；若位移数值不增长，则说明充气压力小于压盘所受的阻力，此时手动微调减压阀的出口压力使充气压力增大，直到位移数值开始增长；若增长则位移传感器输出气囊的高度值，压力变送器输出气囊内部的气压值，直至气囊被完全充起至最大高度，计算机记录气囊的高度以及气压变化曲线，至此测量实验b结束；当第一砝码的质量为1kg时，即理论外载荷为9.8n时，由补偿实验a可知，气囊充气时所受实际外载荷为10.4n，气囊的内压力与高度的变化曲线如图7所示，结果表明气囊的高度随气囊内压力呈正相关；例如气囊受到10.4n的外载荷时，若气囊升高60mm，气囊的内压力应控制在0.155mpa左右；其他不同外载荷下气囊的高度与内压力的关系曲线同理可得；

由此可知，当人体躺在气囊床垫上，不同位置的气囊受压情况不同，若想实现整个气囊床对人体睡姿的调整，则可以通过控制不同气囊的内部压力，使不同位置的气囊充起相应的高度，最终实现睡姿调整的目的。本发明中气囊床垫为现有技术，床垫中每个气囊的压力均可单独控制，气囊尺寸较小。

本发明专利未述及之处适用于现有技术。