基于生物阻抗特征識別的沖壓設(shè)備安全檢測裝置

摘要：沖壓設(shè)備的安全事故頻繁發(fā)生，生產(chǎn)安全的警鐘長鳴。面對日新月異的市場需求發(fā)展，越來越多的異形材料需要使用沖壓工藝來完成。原來的安全防護(hù)裝置逐漸跟不上工人對機(jī)器快速生產(chǎn)的產(chǎn)量需求腳步。通過對人體生物阻抗特征的分析，提取出手指或人體組織器官部位等電學(xué)性質(zhì)的物理量。信號采樣層面以提高檢測人體阻抗的測量電壓為支點(diǎn)，配合無線電磁場藕合諧振的電路，將人體接觸被測物體時的信號放大。由微電腦處理器將接收到的無線電諧振信號進(jìn)行同步分離采樣?？焖僮R別出人體接觸或接近被測量區(qū)域。用于沖壓設(shè)備的人體手指或身體部件的安全檢測系統(tǒng)。從而控制沖壓設(shè)備禁止啟動或回彈操作，實(shí)現(xiàn)保護(hù)工人手指或身體部位的作用。

關(guān)鍵詞：沖壓設(shè)備;生物阻抗;無線電磁場藕合諧振;同步分離采樣

1、沖壓安全的認(rèn)知

沖壓生產(chǎn)是五金及塑料制品最常見的加工方法。具有操作簡單、成形質(zhì)量高、工件尺寸穩(wěn)定、精度較高等特點(diǎn)。特別是五金件鉚接在汽車、電子工業(yè)、服裝皮革、日用五金品的使用比率非常高。然而，沖壓也是一種很容易產(chǎn)生安全事故的生產(chǎn)方式。沖壓工作的事故比常規(guī)的機(jī)械制造業(yè)高三倍以上。央視記者曾對以生產(chǎn)開關(guān)電器名揚(yáng)天下的某省一縣級市進(jìn)行過調(diào)查，并以《劣質(zhì)沖床狂切5000打工之手》為題，披露該市的兩個鎮(zhèn)每年竟有5000例斷手、斷指者要到醫(yī)院實(shí)施再植手術(shù)。原因是私企老板為了以最小投入獲取最大回報，低價購進(jìn)老式或二手的壓力機(jī)。在無導(dǎo)向、無安全防護(hù)的簡單敞開式?jīng)_模，完全靠手工送料進(jìn)行沖壓生產(chǎn)。多數(shù)打工者為農(nóng)民工，技術(shù)素質(zhì)差，對沖床和沖模的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)缺乏深入了解，甚至一無所知，因此事故多發(fā)絕非偶然。

2、沖壓安全的技術(shù)發(fā)展

沖壓設(shè)備種類繁多。大型的加工設(shè)備，通常采用安全門的方式來杜絕人體進(jìn)入沖壓危險區(qū)域。但是小型沖壓設(shè)備，特別是加工小工件時，安全門的方法就完全無法適應(yīng)。使用小型沖壓設(shè)備制造的工作，往往體積比較小。加工的單個工件利潤有限。需要比較大的規(guī)模化生產(chǎn)，足夠的生產(chǎn)數(shù)量才能產(chǎn)生相對較高的制造利潤。加工企業(yè)為激勵工人，采用計件方式生產(chǎn)。因此，工人也是盡量提高生產(chǎn)效率來提高個人收入。加工設(shè)備都是采用手、腳并用的協(xié)作式操作方式。雙手放置工件，腳來啟動設(shè)備沖壓。在操作人員精神狀態(tài)比較好的時間。操作者可以很快速的放置好工件，然后雙手離開，接著腳再啟動沖壓。但是，當(dāng)操作者身體不適或者疲勞操作以后，很容易發(fā)生雙手還沒有離開工作，腳就已經(jīng)啟動沖壓開關(guān)了。這種情況下，很容易導(dǎo)致機(jī)器將手指壓傷。造成生產(chǎn)事故。部分沖壓設(shè)備廠商，在設(shè)備上安裝了一些保護(hù)裝置，如安裝紅外穿透式傳感器來檢測手指。當(dāng)手指遮住紅外線時，禁止機(jī)器啟動。但當(dāng)碰到服裝類工件鉚接的情況時，工件本身就遮住了紅外線，導(dǎo)致安全檢測系統(tǒng)無法正常工作?，F(xiàn)場使用時，操作者被迫拆除安全裝置來工作。還有一些廠商，會安裝下壓安全環(huán)來保護(hù)手指，當(dāng)手指進(jìn)入安全環(huán)下方時，由于手指檔住安全環(huán)無法下壓到工件底座，從而使機(jī)器無法啟動。但是碰到需要手輔助定位的工件時，安全環(huán)就嚴(yán)重干涉到正常沖壓。工人也會自行拆除來提高加工速度。目前最先進(jìn)的解決方法是采用機(jī)械手臂或自動化生產(chǎn)線來批量生產(chǎn)。只是隨著工業(yè)4.0的到來，個性化生產(chǎn)的需求慢慢越來越多。許多工廠為了個性化的生產(chǎn)，還必須使用非自動化的設(shè)備繼續(xù)生產(chǎn)，因此，手指保護(hù)的裝置仍然是很重要的技術(shù)課題。

3、人體生物阻抗特性

3.1人體生物阻抗的起源

生物醫(yī)學(xué)測量方法與技術(shù)的發(fā)展歷史可以迫溯到18世紀(jì)，1780年意大利神經(jīng)生理學(xué)家Gavlain通過觀察蛙的神經(jīng)肌肉收縮現(xiàn)象，建立了生物電理論。最早開始研究生物組織阻抗的是德國科學(xué)家Hermann，1871年他成功地測量了骨骼肌的電阻，并發(fā)現(xiàn)電流沿不同方向通過骨骼肌時，呈現(xiàn)出不同的電阻值。1930年，Sapegno用交流電橋第一次測量出生物組織的電容。1944年美國Galifornia大學(xué)的CloeKS在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，提出生物組織的阻抗可以用復(fù)平面上的一段圓弧來表示。后來CoeRH再進(jìn)一步將其發(fā)展為Cole-Cole理論，并建立了生物組織的R、C三元件電路等效模型。1960年Schwan又成功地提出了頻散理論（Dispersion），表明生物組織的電特性隨頻率在不同的頻段呈顯著變化.至此，生物組織電特性的理論基礎(chǔ)基本形成。

3.2人體電阻等值電路

測試人體電阻，不象測試動物電阻那樣容易施加和獲取較多的數(shù)學(xué)、物理參數(shù)。因而，不同的研究者由于其試驗(yàn)對象不同，得出的結(jié)論會有一定的差異，但有一點(diǎn)是相同的，即在工頻（直流）情況下，均可視人體電阻為一無感阻抗。佛萊貝爾加提出的人體等值電路模型如圖1所示。

3.3接觸電壓對人體電阻的影響

據(jù)佛萊貝爾加的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2中曲線所示，接觸電壓越高，人體電阻值隨之降低。從曲線可以看出，在皮膚潮濕狀態(tài)下，接觸電壓為50V時，人體電阻為1700歐姆;接觸電壓為300V時，人體電阻降為1000歐姆，變化比較顯著。

4、測量電路的設(shè)計

4.1升壓電路

工業(yè)傳感器的供電通常為5V、12V、24V，為方便微電腦控制器的連接，系統(tǒng)采用5V供電。鑒于接觸電壓提高以后，可以有郊降低人體生物阻抗，利于檢測電路的設(shè)計。如圖3所示：系統(tǒng)采用高頻變壓器來實(shí)現(xiàn)電壓的提升。使用開關(guān)變壓器磁芯EE28骨架，設(shè)計了一款原邊初級線圈為0.1mm線徑30T，次線0.1mm線徑2200T，并以20K頻率的開關(guān)脈沖通過開關(guān)變壓器T1。將信號檢測的輸出電壓從5V提升到366V?？紤]到人體的安全通過電流小于20mA。設(shè)計過程中必須驗(yàn)證計算變壓器的最大輸出電流：實(shí)測原邊線圈的感抗為755uH，電感的感抗：=9.487歐姆，原邊的最大功率=U*I=5*5/9.487=2.635W，得次級最大電流=P/U=2.635/366 =0.00719A≈7mA，遠(yuǎn)小于安全電流。實(shí)際應(yīng)用中，高頻變壓器的輸出被絕緣層包裹在中間，具體見圖4的示意圖。人體是無法直接接觸的。信號檢測端的電壓是通過無線電的電磁感應(yīng)得到。因此，系統(tǒng)工作時，不會出現(xiàn)人體觸電的感覺。

人體觸碰TP點(diǎn)以后，積累在TP點(diǎn)的感應(yīng)電壓會快速下降，給過電阻分壓以后，再經(jīng)過隔直電容C3送往后級的信號放大電路。一方面提高信號的檢測幅值，另一方面通過運(yùn)放電路來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配與瞬間高壓靜電的隔離，避免人體靜電帶來的高壓直接影響到MCU從而導(dǎo)致的損壞。

4.2無線發(fā)射、接收的安裝

如圖4所示：開關(guān)變壓器T1的一個輸出端通過導(dǎo)線連接到無線發(fā)射層。另一端連接到系統(tǒng)的電源地，并通過一個等電位電容C2連接到機(jī)殼外殼并連接到大地。圖3中的信號檢測輸入端TP連接到無線接收層。在無線發(fā)射層與無線接收層和機(jī)殼之間均有一層絕緣層。實(shí)物中，無線發(fā)射層并未安裝在工件支撐底座之下，而是安裝在工件支撐底座的外側(cè)。無線發(fā)射層與無線接收層之間產(chǎn)生一個固定的磁場。同時，無線發(fā)射層與屏蔽層之間也有一個固定的磁場。由于發(fā)射層的外層被大地層包裹，無線電信號經(jīng)過屏蔽層時基本上被屏蔽掉，不會對空間產(chǎn)生大規(guī)模的空間輻射。

4.3無線電磁場藕合諧振

鑒于無線發(fā)射層與無線接收層和屏蔽層之間的絕緣介質(zhì)是固定的。因此，三者之間的層間電感和電容是固定不變的。在信號檢測的技術(shù)條件下分析，只有當(dāng)無線發(fā)射與無線接收之間產(chǎn)生良好的同步效果，且處于諧振狀態(tài)時。在沒有人體介入的情況下，輸出電壓達(dá)到最大的幅值。如圖，LC電路處于并聯(lián)狀態(tài)。根據(jù)諧振計算公式：，通過調(diào)整匹配電容、負(fù)載電阻、層間絕緣厚度和開關(guān)頻率、開關(guān)變壓器的感抗。來匹配最佳的諧振區(qū)域狀態(tài)點(diǎn)。當(dāng)人體手指或其它部分觸摸到TP位置時。由于人體的生物電阻抗特點(diǎn)，TP位置也因?yàn)槿梭w的介入而失去諧振狀態(tài)。TP點(diǎn)的電壓會大幅下降。如圖5所示。

4.4同步分離采樣

MCU根據(jù)開關(guān)變壓器的驅(qū)動PWM頻率，在PWM的開和關(guān)的瞬間，同步進(jìn)行ADC的觸發(fā)采樣。在諧振的作用下，采樣點(diǎn)與信號的波峰波谷基本重合。此時，采樣到的信號峰峰值處于最大狀態(tài)。當(dāng)人體觸碰以后，破壞了諧振狀態(tài)，ADC的采樣點(diǎn)采樣到的信號也不是信號峰峰值最大的位置，等同于進(jìn)一步以軟件的方式分離出有無人體介入的情況。同時，由于人體對地電阻和電容的存在，信號的整體也縮小了很多。采樣到的信號峰峰值比無人體觸碰的時候小很多。軟件通過簡單的低通濾波后可以輕松的判斷出是否有人體觸碰。同步分離采用波形如圖6所示。

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作者簡介

張平（1980-），男，本科，臺州凱斯拉智能科技有限公司技術(shù)員，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)應(yīng)用。