呼吸機(jī)流量傳感器的原理和應(yīng)用

1、呼吸機(jī)流量傳感器的原理和應(yīng)用西南醫(yī)院設(shè)備科王義輝何金環(huán)摘要本文介紹了呼吸機(jī)使用的流量傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、種類及 應(yīng)用。關(guān)鍵詞傳感器；熱絲；熱膜；1 流量傳感器在呼吸機(jī)中的作用流量傳感器 在呼吸機(jī)中的應(yīng)用已有近30年的歷史，在中高檔呼 吸機(jī)中被普遍使用。它作 為呼吸機(jī)氣路系統(tǒng)的重要部件，負(fù)責(zé) 將吸入 和呼出的氣體流量轉(zhuǎn)換成電信號，送給信號處理電路完成對吸入和呼 出潮氣量、分鐘通氣量、流速的檢測和顯示。根據(jù)呼吸機(jī)功能和設(shè)計(jì)的不同，流量傳感器的檢測值不僅僅提供 顯示，還對呼吸機(jī)的控制、報(bào)警等起著決定作用，如流 量傳感器將測 量到的實(shí)際值饋送到電子控制部分與面板設(shè)置值比較，利用兩者間的 誤差控制伺服閥

2、門來調(diào)節(jié)吸入和呼出氣體流量；安裝在吸氣系統(tǒng)前端 的空氣和氧氣流量傳感器生成的信號能幫助微處理器對閥門進(jìn)行控 制，以提供病人所需要的氧濃度；流速和流量的檢測值還直接影響到 呼氣與吸氣時(shí)相的切換、分鐘通氣量上下限的報(bào)警、流量觸發(fā)靈敏度、 氣流實(shí)時(shí)波形和P-V-環(huán)的監(jiān)測顯示等等，流量傳感器性能的好壞直 接影響到呼吸機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。2 流量傳感器的原理和應(yīng)用目前呼吸機(jī)的種類和型號很多，采用的流量傳感器也各不相同，主要有熱絲式、晶體熱膜式、超聲式、壓力感應(yīng)式、壓差式。2.1 熱絲式流量傳感器：基本原理是將一根細(xì)的金屬絲（在不同的溫度下金屬絲的電阻不 同）放在被測氣流中,通過電流加熱金屬絲,使其溫

3、度高于流體的溫度, 當(dāng)被測氣體流過熱絲時(shí)，將帶 走熱絲的一部分熱量,使熱絲溫度下降, 熱絲在氣體中的散熱量與流速有關(guān)，散熱量導(dǎo)致熱絲溫度變化而引起 電阻變化，流速 信號即轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)適當(dāng)?shù)男盘栕儞Q和處理后測 量出氣體流量的大小。測量原理圖如圖1 :在圖1中，放置于測量通道中的熱絲Rh作為惠斯登電橋的一個(gè)橋 臂，由運(yùn)算放大器A1差分放大電橋輸出的電壓信號;運(yùn)算放大器A2提 供三極管T工作所需要的偏置電壓,并使A1輸出信號能夠疊加在三 極管T的偏置電位上，并被T放大給電橋供電。由電橋電路,A1 ,A2 和 三極管構(gòu)成的反饋回路,能夠使熱線工作于恒溫狀態(tài)下。在接通電源瞬間，熱線電阻很快電流加熱，

4、并且，其阻值隨即升高，使 電橋很快達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)流體流過流量計(jì)時(shí)，由于熱交換的原因,熱 絲的溫度、阻抗將發(fā)生變化,使橋路失去平衡,根據(jù)輸出的反饋電壓信 號即可以測量出流體的流量。Drager公司的Savina和Evita系列的呼吸機(jī)采用的是熱絲式流 量傳感器，見圖2 :未加熱的氣流加熱后的氣流電熱絲圖2 :熱絲式流量傳感器單位截 面積中，流速越大，電熱絲降溫越快，那么，電熱絲就需 要更大的電量維持穩(wěn)定的溫度（180 °C），使熱絲保持在180 °C所 需的能量代表流過傳感器并使熱絲冷卻的氣流的流量。2.2 熱膜式流量傳感器熱膜式流量傳感器的工作原理與熱絲式流量傳感器基本相

5、同，二 者都是基于熱平衡原理和惠斯登電橋進(jìn)行檢測的。PB840呼吸機(jī)的流 量傳感器采用的是晶體熱膜式流量傳感器，見圖3 :圖3:熱膜式流量傳感器它是將橋路電阻、驅(qū)動(dòng)電路，運(yùn)算放大和信號處理電路等制作在 電路印制板上，和流 量測量管組件一體組成流量傳感器，輸出 和氣體 流量大小成比例的電信號，溫度感應(yīng)器對氣體流量進(jìn)行校正，使測量 更精確。2.3 超 聲式 流量 傳感 器：所 謂超 聲波 ，是 指頻 率高 于 20kHz ，人 耳聽 不到 的機(jī) 械 波。它的 方向性好 ，穿透力 強(qiáng)，遇到雜志或 物體分界面會(huì)產(chǎn) 生顯著的 反射。超 聲波 在流 動(dòng)的 流體 中傳播 時(shí)就載上 流體 流速的 信息。利用超

6、 聲波這些 物理性質(zhì) 可計(jì)算出流體的流速 。超 聲波 傳感 器分 為超 聲波 發(fā)射 器和 超 聲波 接收 器。 超聲 波發(fā)射 器 是利用壓 電材料的逆壓電效應(yīng)，即當(dāng) 對其通以 超聲電信 號時(shí)，它會(huì) 產(chǎn) 生超聲波；超聲 波接收器 是利用壓 電材料的壓 電效應(yīng)，即 當(dāng)外力作 用 在該 材料 上時(shí)，它會(huì) 產(chǎn)生 電荷 輸出。即超 聲波 發(fā)射 器將 電能 轉(zhuǎn) 換為 超 聲波 能量，并將 其發(fā) 射到 被測 流體 中，超聲波 接收 器接 收超 聲 波信 號， 并轉(zhuǎn) 換為 電信 號輸 出 。根 據(jù)檢 測的 方式 ，可 分為 傳播 速度 聲 時(shí)差 法、 多普 勒法 、 波束 偏 移法、噪聲 法等 不同類型 的超

7、聲波 傳感器。目前 在呼吸機(jī) 中使用的 超 聲流量傳 感器主要有聲時(shí)差法 和多普勒 法。這里主要介 紹聲時(shí)差法的 原理 和應(yīng) 用。時(shí) 差法 原理 是超 聲波 在流 體中 傳播 速 度與 在靜 止媒 介中 傳 播速 度 不同，其變 化值 與媒 介流 速有 關(guān)，通 過測 量流 動(dòng)氣 體中 超聲 傳 播速 度 的變化來 測定流速和流量。通過 逆流和順流聲 時(shí)來計(jì)算（ 或附加壓 力 溫度傳感 器和過零檢測電路進(jìn) 行修正）。使用過程 中每分鐘 進(jìn)行 2000 次的采集 ，保證實(shí)時(shí)的檢測結(jié) 果。maquet 的 servoi 和 servos 呼 吸機(jī) 的呼 氣流 量傳 感器 是 采用 超聲式流量傳感器，

8、其原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見圖4 :圖4:超聲式流量傳感器左邊的轉(zhuǎn)換器（作為發(fā)射器）發(fā)射超聲信號，在呼出盒內(nèi)部傳播 反射，右面的轉(zhuǎn)換器（作為接受器）接受超聲信號，載有流量信息的 超聲信號從發(fā)射到接受的時(shí)間被測量，記為T1 （為順流方向的傳播 時(shí)間）。圖5:超聲傳播示意圖右邊的轉(zhuǎn)換器（作為發(fā)射器，先前的接受器）發(fā)射超聲信號，在 呼出盒內(nèi)部傳播反射，左面的轉(zhuǎn)換器（作為接受器，先前的發(fā)射器） 接受超聲信號，載有流量信息的超聲信號從發(fā)射到接受的時(shí)間被測 量，記為T2 （為逆流方向的傳播時(shí)間）。T2-T仁Tdiff ，逆流 和順流的時(shí)間差和氣 體流量成 對應(yīng)比例關(guān)系, 同時(shí)內(nèi)置溫度探頭進(jìn)行溫差校正。2.4 壓力

9、感應(yīng)式流量傳感器：壓力感應(yīng)式流量傳感器由電阻應(yīng)變片、彈性體（彈性元件，敏感 梁）和檢測電路組成。工作原理是：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外部氣流作用下產(chǎn) 生彈性變形，使粘 貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生 變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的 阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再 經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從 而完成了將氣流變換為電信號的過程。利用應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）在壓力 作用下電阻值隨壓力變化而變化的原理，然后通過檢測電路把電阻應(yīng) 變片的電阻變化轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓輸出。西門子公司的900c呼吸機(jī)的吸氣和呼氣流量傳感器，300A呼吸 機(jī)的呼出流量傳感器采用的是壓力

10、感應(yīng)式,見圖6 :圖6:壓力感應(yīng)式流量傳感器流量傳感器有兩個(gè)通道,大的為主通道，其上有一個(gè)金屬網(wǎng)，用于產(chǎn)生阻力使一定比例的氣量進(jìn) 入測量通 道；小的為測量通道，在通道可看到一個(gè)金屬圓片，它通 過金屬細(xì)桿安裝在電橋上，當(dāng) 氣流通過時(shí) 產(chǎn)生壓力金屬片移動(dòng)使電橋阻值變化，設(shè)備根據(jù)阻值變化計(jì)算氣流大 小，得到潮氣量和分鐘量。傳感器內(nèi)有給呼氣流量傳感器加熱的電阻, 工作時(shí)熱量達(dá)到60oC左右，可以防止水汽的凝結(jié)。吸氣 流量傳感器 內(nèi)也有一個(gè)同樣的電阻，但由于不加工作電壓，此電阻無加熱作用。2.5 差壓式流量傳感器：差壓式流量傳感器，它利用的是節(jié)流器（孔板）前后壓力不同來 測量流體的流量的一種方法，也就是

11、文丘里原理，它利用的傳感器就 是壓力計(jì)，在一定流量范圍內(nèi)，通過 孔板的流速與孔板前后的壓差有 線性關(guān)系，因此通過檢測壓差就可得到流體的流量。BEAR1000呼吸機(jī)的流量傳感器采用的是壓差式流量傳感器，見 圖7 :內(nèi)有一垂直的金屬膜片，當(dāng)氣 流吹開金屬膜片時(shí)，在膜 片兩端 產(chǎn)生壓差，通過測量膜片兩端的壓力，再把壓差換算成流量，通過流 量和時(shí)間計(jì)算出潮氣量。圖7:壓差式流量傳感器3 結(jié)束 語呼吸機(jī) 流量 傳感 器還 有其 它形 式和 種類， 每種 流量 傳感 器各有 其 優(yōu)勢 和不 足，根據(jù) 呼吸機(jī) 類別 、性 能和 應(yīng)用范 圍的 不同 ，每 種型號的 呼吸 機(jī)會(huì) 從原 理和 結(jié)構(gòu)選 擇最 適合 的流 量傳感 器類 型，同時(shí) 各個(gè)生產(chǎn) 廠家 也在 不斷 進(jìn)行 改進(jìn)，如何 在耐 用、精 度、成本 和容 易清 潔消毒上 解決 各類 型傳 感器 的不足。對于 流量 傳感 器而 言，適 應(yīng)傳 染