煤炭学报

作者：王晨, 赫伟东, 毛宁, 柳静献,

关键词：聚偏氟乙烯, 传感模块, 呼吸信号, 监测, 口罩,

在劳动保护领域，实时监测劳动者的生理健康状态受到越来越多的关注。因呼吸中包含大量生理学信息，开发具有传感功能的可穿戴设备用于监测佩戴者呼吸状态成为研究热点。传统的商用呼吸监测装置价格昂贵、体积大、不易携带，限制了其在一线生产场所的使用，例如高粉尘质量浓度的矿山作业环境。为此，基于聚偏氟乙烯(PVDF)的压电性能，利用静电纺丝技术制备出具有传感性能的柔性PVDF纳米纤维膜，将高透气性碳纤维毡与PVDF纳米纤维膜设计为具有三明治结构的传感模块并嵌入到口罩中。传感模块将呼吸气流产生的机械能转化为电能，通过对电信号数据的采集和分析，完成对呼吸强度和呼吸频率的实时监测。结果表明：嵌有传感模块的口罩在不同呼吸状态下产生的压电信号有明显差异，在低强度(15 L/min)、中强度(50 L/min)和高强度(85 L/min)3种呼吸状态下，输出压电电压峰值分别为300、700、1 100 mV，电压峰值出现频率分别为18、16、14次/min。因此，基于压电信号电压峰值及其出现频率的分析，可以实现佩戴者呼吸强度和呼吸频率等呼吸参数的实时监测。此外，研究通过XRD、FT-IR、TG等分析方法确定了PVDF纳米纤维膜的压电性与其β相晶体含量有关，为进一步改善PVDF纳米纤维膜的压电性能提供了依据。研发的具有传感功能的口罩可用于矿山工人劳作状态的实时呼吸监测，在工人工作状态异常时反馈给管理人员以便于及时采取处理措施。

来源：2024年第7期

《煤炭学报》期刊编辑部

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