基于生物阻抗特征識別的沖壓設備安全檢測裝置

摘要：沖壓設備的安全事故頻繁發生，生產安全的警鐘長鳴。面對日新月異的市場需求發展，越來越多的異形材料需要使用沖壓工藝來完成。原來的安全防護裝置逐漸跟不上工人對機器快速生產的產量需求腳步。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性質的物理量。信號采樣層面以提高檢測人體阻抗的測量電壓為支點，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行同步分離采樣。快速識別出人體接觸或接近被測量區域。用于沖壓設備的人體手指或身體部件的安全檢測系統。從而控制沖壓設備禁止啟動或回彈操作，實現保護工人手指或身體部位的作用。

關鍵詞：沖壓設備;生物阻抗;無線電磁場藕合諧振;同步分離采樣

1、沖壓安全的認知

沖壓生產是五金及塑料制品最常見的加工方法。具有操作簡單、成形質量高、工件尺寸穩定、精度較高等特點。特別是五金件鉚接在汽車、電子工業、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生安全事故的生產方式。沖壓工作的事故比常規的機械制造業高三倍以上。央視記者曾對以生產開關電器名揚天下的某省一縣級市進行過調查，并以《劣質沖床狂切5000打工之手》為題，披露該市的兩個鎮每年竟有5000例斷手、斷指者要到醫院實施再植手術。原因是私企老板為了以最小投入獲取最大回報，低價購進老式或二手的壓力機。在無導向、無安全防護的簡單敞開式沖模，完全靠手工送料進行沖壓生產。多數打工者為農民工，技術素質差，對沖床和沖模的結構及工作特點缺乏深入了解，甚至一無所知，因此事故多發絕非偶然。

2、沖壓安全的技術發展

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

3、人體生物阻抗特性

3.1人體生物阻抗的起源

生物醫學測量方法與技術的發展歷史可以迫溯到18世紀，1780年意大利神經生理學家Gavlain通過觀察蛙的神經肌肉收縮現象，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家Hermann，1871年他成功地測量了骨骼肌的電阻，并發現電流沿不同方向通過骨骼肌時，呈現出不同的電阻值。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大學的CloeKS在總結前人工作的基礎上，提出生物組織的阻抗可以用復平面上的一段圓弧來表示。后來CoeRH再進一步將其發展為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學、物理參數。因而，不同的研究者由于其試驗對象不同，得出的結論會有一定的差異，但有一點是相同的，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

據佛萊貝爾加的實驗結果，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、測量電路的設計

4.1升壓電路

工業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，利于檢測電路的設計。如圖3所示：系統采用高頻變壓器來實現電壓的提升。使用開關變壓器磁芯EE28骨架，設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頻率的開關脈沖通過開關變壓器T1。將信號檢測的輸出電壓從5V提升到366V。考慮到人體的安全通過電流小于20mA。設計過程中必須驗證計算變壓器的最大輸出電流：實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，遠小于安全電流。實際應用中，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得到。因此，系統工作時，不會出現人體觸電的感覺。

人體觸碰TP點以后，積累在TP點的感應電壓會快速下降，給過電阻分壓以后，再經過隔直電容C3送往后級的信號放大電路。一方面提高信號的檢測幅值，另一方面通過運放電路來實現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從而導致的損壞。

4.2無線發射、接收的安裝

如圖4所示：開關變壓器T1的一個輸出端通過導線連接到無線發射層。另一端連接到系統的電源地，并通過一個等電位電容C2連接到機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。在無線發射層與無線接收層和機殼之間均有一層絕緣層。實物中，無線發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。無線發射層與無線接收層之間產生一個固定的磁場。同時，無線發射層與屏蔽層之間也有一個固定的磁場。由于發射層的外層被大地層包裹，無線電信號經過屏蔽層時基本上被屏蔽掉，不會對空間產生大規模的空間輻射。

4.3無線電磁場藕合諧振

鑒于無線發射層與無線接收層和屏蔽層之間的絕緣介質是固定的。因此，三者之間的層間電感和電容是固定不變的。在信號檢測的技術條件下分析，只有當無線發射與無線接收之間產生良好的同步效果，且處于諧振狀態時。在沒有人體介入的情況下，輸出電壓達到最大的幅值。如圖，LC電路處于并聯狀態。根據諧振計算公式：，通過調整匹配電容、負載電阻、層間絕緣厚度和開關頻率、開關變壓器的感抗。來匹配最佳的諧振區域狀態點。當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，TP位置也因為人體的介入而失去諧振狀態。TP點的電壓會大幅下降。如圖5所示。

4.4同步分離采樣

MCU根據開關變壓器的驅動PWM頻率，在PWM的開和關的瞬間，同步進行ADC的觸發采樣。在諧振的作用下，采樣點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。當人體觸碰以后，破壞了諧振狀態，ADC的采樣點采樣到的信號也不是信號峰峰值最大的位置，等同于進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。

參考文獻

[1]唐敏.生物阻抗測量原理與測量技術[J].生物醫學工程學雜志，1997，14（2）：152～155.

[2]張旭起，張正修，趙向珍.沖壓安全技術發展的回顧與思考[J].金屬加工，2009（19）：18～21.

[3]魯建平.沖壓生產安全問題的系統思考[J].南方農機，2019（17）：102～103.

[4]李其峰.我國沖壓機機械傷害風險評價分析及對策研究[J].黑龍江科技信息，2017（16）：61.

[5]李英杰，翟瑞占，韓長偉.沖壓機床安全危險因素與保護裝置研究[J].裝備制造技術，2014（11）：179～180.

[6]陳昌廷，劉甦民，陳華，李志湖.一種手動沖壓線工作臺運動區域安全防護系統[J].鍛造與沖壓2019（18）：53～54.

[7]席義安.人體電阻等值電路的分析[J].有色冶金節能，2008，24（5）：50～52，66.

[8]黃輝，黃學良，譚林林，丁曉辰.基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸發射及接收裝置的研究[J].電工電能新技術.2011（1）：32～35.

[9]李全，蘇建徽，賴紀東，徐海波.LC并聯諧振全橋直流變換器的研究[J].電力電子技術，2020（10）：90～93，98.

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員，研究方向為電子技術應用。