新型智能口罩技术系统设计*

*基金项目： 1.安徽三联学院2021年省级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：S202110959061

2.安徽三联学院2021年国家级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：202210959060

1 传统医用口罩和智能口罩之间的区别

智能口罩是在鼻夹上装入芯片自动感知湿气，散射远红外线通过传导传热对其及时进行烘干，从而锁住电荷流失且在非织造布复合材料中加入某种物质净化人体呼出的二氧化碳与提供氧气，即在医用口罩中层超细聚丙烯纤维熔喷材料层植入芯片感知湿气，散射远红外线通过传导传热对其进行烘干，从而降低电荷流失，且远红外线可以缓解肌肤压力，解缓疲劳。在佩戴医用口罩时，随着人们逐渐呼出的气体，口鼻周围的环境变得污浊，可以在医用口罩内层（亲肤材质）添加叶绿素，吸收呼出的二氧化碳并提供氧气。由于人们的脸部结构不同，佩戴医用口罩的时候可能会存在不完全贴合皮肤的情况，因此，可以在口罩四周植入芯片，感知皮肤组织，自动贴合皮肤，在很大程度上降低传染病的风险。

1.1 智能口罩设计

1.1.1 材质及外壳设计

智能口罩整体采用健康且无污染的材质，不会产生有毒物质。为了适应不同人群的脸颊，则在口罩四周植入芯片，感知皮肤组织。皮肤感知芯片的原理是应用了数码智慧热释电红外传感器技术，该传感器是将数码智慧控制集成电路和人类检测敏感单元都整合到了电磁屏蔽罩中的热释电红外感受器。本智能口罩中所使用的是通过识别感知随着时间的流逝在人的脸上所产生的压力芯片。该芯片的原理是当人体中的机械性感受器感知到压力后，信号接收单元接收电信号；压力越大，脉冲频率越高。而之前的触觉传感器在更大的压力下会产生更强的电信号，而不是高频脉冲流。电信号必须被发送到另一个微处理器芯片上，该处理芯片将信号的强度转换成一个数字脉冲流，然后被发送到周围神经或脑组织中去。测量接触外界物体时所受压力和压力分布的传感器。压觉传感器的敏感元件可由各类压敏材料制成，常用的有压敏导电橡胶、由碳纤维烧结而成的丝状碳素纤维片和绳状导电橡胶的排列面等。是以压敏导电橡胶为基本材料的压觉传感器。在口罩上面附有柔性保护层，下部装有玻璃纤维保护环和金属电极。在外压力作用下，导电橡胶电阻发生变化, 使基底电极电流相应变化, 从而检测出与压力成一定关系的电信号及压力分布情况。通过改变导电橡胶的渗入成分可控制电阻的大小。例如渗入石墨可加大电阻，渗碳、渗镍可减小电阻。通过合理选材和加工可制成高密度分布式压觉传感器。这种传感器可以测量细微的压力分布及其变化，从而到达可以减缓口罩随着时间的增加对皮肤产生的勒痕。

图1 皮肤感知芯片步骤

1.1.2 滤芯设计

智能口罩采用4~5 层的过滤网设计，能有效过滤95%~99% 的杂质。主要采用杀菌纸、活性炭、HPEA过滤网和无纺布。杀菌纸可以起到杀菌抗菌的作用。活性炭吸附空气中各种异味分子，吸收有害气体分子。HEPA 过滤网是PM2.5、烟雾、粉尘等有效过滤的媒介。无纺布可以抑制细菌增生。

1.1.3 电动送风装置

根据力学设计原理，主机排风口处应该避免风力直击人体肌肤造成面部 痉挛的问题，使用排风腮阈，排气阀，可以增加透气性从而大大减少湿闷感。

2 功能开发与新技术应用

2.1.1 医用口罩中层超细聚丙烯纤维熔喷材料层植入芯片

该芯片为红外芯 片，可以达到感知湿气，自动排放二氧化碳和氧气。

2.1.2 红外芯片原理

红外芯片主要包括发出和收到头两个构成部分。发射端经过数字单片机，把待发出的二进制信号编码后调制成相应的脉冲串信号，接着经过红外线发射管产生红外讯号。红外线接收头实现了对红外讯号的同步收到、扩大、检波、整形，并调解出了遥控编码波形信号。

2.1.3 红外接收流程图

二进制信息的调制方法由数字单片机来完成，它能够将经过解码后的原二进制信息调解成频谱为38 kHz的中断脉波串，相当于用二进制信息的编码量乘以原频谱为38 kHz 的脉冲信号所得到的中断脉波串，即为经过调节后能够用红外发光二极管传输的信息。

图3 红外接收管

图4 红外发射管

红外接收器需要事先解调，而解调器的过程就是利用红外接收器管进行连接的。其基本工作流程是：在接收到调制信息时，必须产生高电平，否则即使产生的高低电平都有效，就是调制的逆过程。而HS0038 则是一体化集成电路的红外接收器件，直接就能产生调解后的高低电平有效信号。从而达到了利用红外芯片感知湿气的作用。

2 智能口罩内层设计

2.1.1 叶绿素如何导入口罩中

将口罩过滤层浸入两倍体积的叶绿素衍生物中，取出干燥后再次浸入，直到所有叶绿素衍生物均附着于中间过滤层，完成叶绿素导入。

3 结束语

新型的智能口罩在以后的能源技术发展中势必会产生不可估量的作用。智能口罩未来的功能将不仅仅只是预防肺部病变，其他各类功能口罩会越来越多，产品布局也将会出现变化，这必然会为世界最大的口罩制造商和出口商提供全新的制造机会。除此之外，在新能源开发上，新型的绿色的新能源，正是国家所需要的，而智能口罩完全可以满足这一需求，提供一种新的技术，为以后的更具智能化的口罩的发展奠定基础，但是智能口罩实施起来具有一定的难度，成本问题也尚待解决，未来的困难还有很多，最重要的还是要把成本降下来以及叶绿素从植物中的提取量，实现这个目标仍需更多的努力。

参考文献：

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（本文来源于威廉希尔 官网app 杂志2023年5月期）