航空救生智能感知材料技术研究

【摘要】为满足新时代战机作战需求，适应其日益加大的飞行强度和难度，设计了以各类CUP作为核心处理器，以各类纤维传感器作为感知设备，结合数据传输模块，和特殊功能的高分子材料，重新编织、融合加工成为具有特殊功能的新材料，配合上位机远程操控模块，实现对飞行员各类身体生理指标的实时监控，预防身体突发状况，提高飞行质量。

【关键词】作战需求;CUP;感知设备;传输模块;材料

引言

随着新型战机性能越来越优良，飞行强度和飞行难度日益加大，尤其当飞行员在进行高难度课目飞行时，战斗机的高机动性、高载荷极易使飞行员产生晕厥，以及可能产生倒飞、翻滚等错觉，影响战机的作战效能和飞行安全，甚至引发严重的飞行事故。航空卫勤专家周亚军曾指出：“飞行中的安全隐患，有时是感觉不出来的，对空中飞行员身体各项生理、心理健康指标进行实时监测，可以大大提高航空卫勤保障水平。”实时监测飞行员的各项生理指标将有助行员对自身身体出现的突发状况进行预防、预警和处理，及时纠正由于身体状况产生的生理错觉，降低身体突发状况的可能性，保障飞行质量。

1.智能材料概述

智能感知材料是20世纪90年代迅速发展起来的一类新型复合材料。一般来讲，它由各类纤维传感器和具有特殊性能的高分子原料制作而成：可以在纺织品中加入经过微型化处理的电子产品;还可以利用织造的方式，把具有特殊功能的材料与一般纤维交织，变成具有感应装置的布料，研究传感功能和电子特性。

2.总体设计方案

智能材料主要由高分子纤维、各类植入纤维传感器、信号传输与反馈单元、数据记录仪以及地面上位机等几部分组成。主要包括体温测量模块，血压测量模块，心率监控模块，脉搏检测模块，智能数据综合处理模块，上位机数据处理模块等。最终的智能感知材料将被制作成飞行员的指定穿戴内衣，以实现材料的各种功能。系统组成结构如图1所示：

图1 系统组成结构示意图

本方案设计的智能感知材料不但具备以上外部环境需求功能指标，还可以达到自身材料应该具备的多种性质，如耐高温，吸水、吸汗性能和可以洗涤等。

2.1 系统工作原理

传感器织物电极作为心电信号传感器、体温传感器以及脉搏传感器，通过特殊导线与测量单元相连接组成了传感器数据采集系统。

参数数据采集系统负责采集各种传感器输出的电信号并对其进行模数转换，将转换后的数字信号存储在存储模块中，通过无线网络向地面上位机发送包含生理信号的数据包。上位机装有监护软件，具有建立及存储数据文件、显示生理信号图像、提取或计算生理信号特征信息、识别异常心电波形及辅助诊断等功能。用于地面指挥中心了解飞行员实时飞行身体状况和综合分析各类数据，从而对飞行员进行针对性训练。数据记录仪则相当于智能感知材料的黑匣子，全程记录传感器检测到的数据，用行结束后，对数据的分析、处理。

2.2 各模块功能设计

2.2.1 体温检测模块

光纤光栅是一种新型光无源器件，具有制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活等诸多优点。由于光纤布拉格光栅体积小、重量轻，与纱线兼容并可织入织物内部，因此是构成智能材料最有潜力的传感元件。系统采用测体温方法是基于智能纤维材料传感器的人体测温方法。人体温度测量的智能纤维材料利用不饱和树脂高聚物进行封装。使用五个智能纤维材料传感器分别放置在右胸、右腋，左腋.后背和左胸。实验中先测得各智能纤维材料传感器反射中心波长数据，再结合5个智能纤维材料温度传感器的温度灵敏度系数，通过公式分析计算得到5个点的温度测量值。

人体测温的结构如图2所示：

图2 体温测量模块

图2为基于可调谐F_P滤波的解调光路和电路，在解调光路中由宽带光源SLED、隔离器、F-P滤波器构成可调谐窄带光源，在信号处理单元输出的驱动电压控制下，可调谐窄带光源输出不同中心波长的窄带光，经耦合器输入到传感光路。植入服装中的分布式光纤布拉格光栅反射光经光电探测器后输出电信号，经信号处理单元采样后进行波长分析。信号处理电路对波长进行采集与处理，植入服装中的分布式光纤布托格光栅反射光经光电转换后，由信号调理电路进行放大和滤波，信号调理电路的输出经过处理器的采样和存储，并对采样数据进行预处理。处理后再传给另外一个处理器，完成核心解调算法，并将温度结果进行输出。

2.2.2 脉搏检测模块

考虑到对人体无侵害性、体积限制、灵敏度、与服装集成时安置的特殊需求等因素，选用由聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜制成的振动传感器，PVDF压电薄膜被层压在很薄的聚酯基片上，其具有结构简单、体积较小、容易安装、弹性好、灵敏度高、频带宽等优点，能基本满足脉搏测量的条件。脉搏模块由传感器、外接电路、电源、传输路线和信号采集卡组成。

2.2.3 心电检测模块

心电检测仪是通过捕捉心电信号反应人体心脏的健康程度，能够捕捉到心电信号的部位都可以作为心电监测部位。

模块采用导联线法是通过电极捕捉心电信号，可以将电极固定在服装上，心电采集系统主要由四部分组成：放大滤波、A/D转换、存储器、数据分析单元。

2.2.4 血压测量模块

该系统采用示波法来对血压进行监测。该血压测量模块主要有五大部分组成：气路部分、压力传感器部分、前端数据采集及处理部分、控制芯片以及LCD显示部分。模块系统示意如图3所示：

图3 血压测量模块组成

气路部分由气泵、放气阀与袖带组成。该血压测量模块的袖带位于检测衣的袖臂的肱动脉处，可以通过控制气泵袖带进行充气从而阻断动脉血流，之后再通过控制放气阀将袖带内的气体逐渐排空。

前端采集处理部分由高通滤波电路、低通滤波电路、运算放大电路以及A/D转换组成。

2.2.5 智能数据处理中心

在智能数据处理中心CPU接收到参数数据采集系统中各模块子系统实时监测并且发送过来的数据之后，给定处理算法，由CPU整体、统一分析处理，并且智能显示于上位机或者飞行战机显示屏。如果各项数据均正常，则处理中心整体对数据运算之后，显示身体健康;如果任何一个模块数据分析之后，不符合正常飞行员身体健康数据，身体健康诊断的专家诊断系统根据多项技术指标进行综合判断给出预警。

2.2.6 高分子纤维

作为各类纤维传感器、测量单元以及导线的搭载平台，又是飞行员的穿着内衣材料，需要使用者贴身穿着。实现传感器与原材料搭载的一体化，功能顺利实现，还要保证飞行员的穿着舒适性;具有良好的弹性和可恢复性，以确保能与使用者皮肤完好接触;用料舒适对皮肤无刺激;重量轻，外形结构尽量简约，减少对身体活动的限制;清洗方便。

2.2.7 穿戴内衣

在本方案中，智能感知材料制作为飞行员特制穿戴内衣，加工过程可以参考三维编织设备和三维异型整体编织技术。加工成功的穿戴内衣设置有布线区、织物电极连接盘以及用来安衣放测量单元的口袋。

传感器与处理器之间连接的导线可以利用具有感知和反应的智能纤维与普通纤维交织，融入在服装中。心电电极是用来传导人体体表心电电平的导体，也称做导引电极。目前临床应用的心电电极种类主要有金属平板电极、吸附电极，粘性电极等。心电监护仪采用电极片捕捉电信号时需要导联线的连接，而导联线在服装表层影响美观，在里层直接与皮肤接触影响服装的穿着舒适性，所以需要用材料将其固定遮盖。材料选择魔术贴，为了避免魔术贴表面粗糙影响触感，将在魔术贴与皮肤的接触面覆盖面料，改善其舒适度。脉搏信号与体温模块的测量电极也可以采用相同的处理办法。

3.材料设计可行性分析

智能感应材料技术的研究国内外虽然已经取得一定的成果，国外有较多的产品出现。但并未获得大规模产业化的进展。（1）为了实现智能功能，电子智能材料中不可避免要用到一些电子元件，用这些材料设计智能服装时会影响服装的穿着舒适性。如何将各种电子元件做成柔性体，将智能纤维与电子技术完美结合，技术还在初级阶段;（2）目前开发的电子智能材料由于电子元件和布线等因素，有些电路系统比较复杂，大部分还是存在不方便洗涤的情况;（3）智能材料中的智能功能，在使用初期测试效果比较明显，但经过一段时间使用后，功能可靠性可能下降，同时在使用时由于一些外界因素会影响电子元件，也会影响其功能;（4）另外材料中的电子器件不可避免的会产生微小的电流磁场，运行过程中会产生微量辐射作用。

智能材料的生产工艺仍然处于研究、试验阶段，仍然存在功能的稳定性，功能实现的难易，本身材料性质对功能实现的制约，生产成本造价高等等问题。

4.创新点

（1）智能纤维和高分子原料融合技术

利用各类智能纤维传感器和高分子原料生产出的智能材料是航空救生智能感知材料研究的核心技术。具有舒适高分子原料织物提供了可穿戴式模型的整个工作平台，所选用的纤维是依据欲达到的服装功能来选择的，再运用内部隐藏式配线技术，高分子原料和各类传感器实现了融合。

（2）先进传感和数据处理技术

智能材料技术是整合了多功能模块的系统集成技术，主要模块包括检测，数据采集及整理，数据处理及分析以及数据传输等。系统对各种生理信号如心电信号、血压、体温、脉搏等各种生理信号的全方位监测和综合处理，判断流程智能化、专家化。

5.结论

对于智能材料的研究，国内外仍然处于初级阶段。现有的材料功能单一，结构简单，满足不了现代化需求。航空救生智能材料的设计综合了国内外各项技术于一体，讨论了具有各类纤维传感器和CUP核心处理器组成的功能完善，设计贴近飞行员飞行需求的新型材料。对于航空飞行、医疗保健等具有重要意义。