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呼吸機(jī)的流量傳感器：呼吸機(jī)中常用的傳感器

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呼吸機(jī)的流量傳感器：呼吸機(jī)中最重要的傳感器——流量傳感器

正常情況下，人類通過呼吸進(jìn)行活動(dòng)，能量的交換，氧氣和二氧化碳的交換，使身體各器官組織代謝物順利進(jìn)行排出。但是有些情況下呼吸的機(jī)能受到損傷，如中毒、神經(jīng)肌肉麻痹、溺水等，都要進(jìn)行人工干預(yù)，醫(yī)療中都會(huì)有輸入氧氣，呼吸機(jī)進(jìn)行通氣，改變病人的換氣功能，對(duì)于這種呼吸困難的病人，呼吸機(jī)是必不可少的設(shè)備。
人類的完成呼吸的功能是呼吸肌肉收縮，使肺泡膨脹，胸內(nèi)形成負(fù)壓，吸入空氣，吸氣則是相反，我們呼吸機(jī)的原理就是利用壓力差形成一個(gè)呼吸過程。這一過程要如何控制呢，就要用到我們的流量傳感器了，流量傳感器的運(yùn)用是非常長的時(shí)間了，在呼吸機(jī)中都會(huì)有使用，主要是將吸入和呼出的氣體采集成電信號(hào)，送至測量芯片中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到的數(shù)據(jù)有呼吸氣量，每分鐘通氣量，通氣速度等。
呼吸機(jī)的流量控制傳感器起著關(guān)鍵的作用，監(jiān)測壓力各流量控制，傳感器主要有三種形式，熱絲式、壓差式和超聲式。
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(hào)即轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)適當(dāng)?shù)男盘?hào)變換和處理后測量出氣體流量的大小。當(dāng)發(fā)熱物體被加熱的能量一定時(shí)，發(fā)熱物的溫度與流經(jīng)發(fā)熱物的流體質(zhì)量相關(guān)，同時(shí)發(fā)熱物的電阻率與其所具有的溫度相關(guān)，檢測發(fā)熱物的溫度或者它的電阻值，同樣可測得流量。一般的電熱絲會(huì)加溫到180度，在熱力學(xué)中，一段導(dǎo)體在單位面積中若流速增加，空間的面積不變，則電熱絲的溫度就會(huì)下降的更快，要保持180度的電熱絲則會(huì)使電流加大，從而得到流量的速度值。
其優(yōu)點(diǎn)是，快速的反應(yīng)時(shí)間，為10ms至1ms，而基他的傳感器則為50ms，在對(duì)比其它的通氣量的壓力損失非常的小，并且這種結(jié)構(gòu)在早期就發(fā)展過來，但是在后期時(shí)候電熱絲會(huì)有一定損耗，導(dǎo)致在后期的維護(hù)成本增加不少，呼吸機(jī)中的這一結(jié)構(gòu)要進(jìn)行消毒除菌也會(huì)很方便，醫(yī)用酒精中浸泡一小時(shí)，空氣中晾干即可。
壓差式的傳感器最核心的是節(jié)流器，其工作原理是基于封閉管道中流體質(zhì)量守恒（連續(xù)性方程）和能量守恒（伯努利方程）兩個(gè)定律。質(zhì)量守恒（連續(xù)性方程）和能量守恒（伯努利方程）這兩個(gè)定律的實(shí)質(zhì)內(nèi)容就是指失去的流量與獲得的能量一樣，質(zhì)量守恒：流體在一個(gè)封閉的管道中流動(dòng)，當(dāng)遇到節(jié)流件時(shí)，在節(jié)流件前后它的質(zhì)量是不變的，流速赿快，壓降則會(huì)加快，則傳感器輸出的電壓信號(hào)赿強(qiáng)，這種傳感器要定期更換，后期的成本會(huì)增加，同時(shí)消毒方法則會(huì)更多一些，可用酒精浸泡，氣體消毒，高壓蒸汽等。
超聲流量傳感器主要是用聲時(shí)差法和多普勒法。超聲波是指頻率大于20khz的機(jī)械波，人耳聽不到的波，具有方向性好，穿透能力強(qiáng)特點(diǎn)，在呼吸機(jī)中一般有一人發(fā)射一個(gè)接收端，時(shí)差法在呼吸機(jī)中用的比較多，原理是發(fā)射端產(chǎn)生150khz的超聲波，超聲波經(jīng)過傳輸管道，由接收端收取信號(hào)，利用超聲波在不同的介質(zhì)中傳輸?shù)乃俣炔煌@一特性，得到時(shí)間差，從而采集到流速。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于，受到的影響因素較小，使用時(shí)間較長，清潔方法也非常簡單，但是價(jià)格會(huì)比較高。
呼吸機(jī)在近期應(yīng)試是比較多出現(xiàn)的器件，三種不同流量傳感器在呼吸機(jī)上各有千秋，未來傳感器的應(yīng)用應(yīng)該會(huì)生產(chǎn)更多的精確的傳感器，不用更換，使用精度更加高，易消毒清潔的呼吸機(jī)。

呼吸機(jī)的流量傳感器：呼吸機(jī)流量傳感器的原理和應(yīng)用

描述
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(hào)，送給信號(hào)處理電路完成對(duì)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(duì)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(hào)能幫助微處理器對(duì)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(hào)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(hào)即轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)適當(dāng)?shù)男盘?hào)變換和處理后測量出氣體流量的大小。測量原理圖如圖1：
圖1：熱絲式流量傳感器原理圖
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(hào);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(hào)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，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(hào)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：
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(hào)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(hào)，溫度感應(yīng)器對(duì)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(duì)其通以超聲電信號(hào)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(hào)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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，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(hào)，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(hào)，載有流量信息的超聲信號(hào)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(hào)，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(hào)，載有流量信息的超聲信號(hào)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-T1=Tdiff，逆流和順流的時(shí)間差和氣體流量成對(duì)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（增大或減小），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(hào)（電壓或電流），從而完成了將氣流變換為電信號(hào)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(duì)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
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呼吸機(jī)的流量傳感器：技術(shù)升級(jí)！煒盛加推呼吸機(jī)專用流量傳感器

從新冠肺炎疫情暴發(fā)至今，全球范圍內(nèi)已超過28萬人死亡，海外疫情形勢(shì)依舊不樂觀。
在新冠肺炎治療中，呼吸機(jī)通過為重癥及危重癥患者提供體外氧氣輸送，保證患者血液中的氧氣含量，達(dá)到維持患者生命活動(dòng)的效果，成為抗“疫”中不可或缺的醫(yī)療設(shè)備。
5月8日，工信部召開推進(jìn)呼吸機(jī)有序生產(chǎn)供應(yīng)視頻會(huì)議，會(huì)議強(qiáng)調(diào)呼吸機(jī)行業(yè)要強(qiáng)化呼吸機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同與質(zhì)量安全管控，積極參與國際合作，為全球疫情防控做出巨大貢獻(xiàn)。
芯片和傳感器在呼吸設(shè)備中扮演著重要角色。芯片是整個(gè)電路系統(tǒng)的“心臟”，負(fù)責(zé)根據(jù)采集的傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)，保證產(chǎn)生合適的正向氣壓。不同類型的傳感器則可用于幫助控制壓力、氣流、溫度和濕度，以及提供平滑的電機(jī)控制輸出。
多年來，我國呼吸機(jī)流量傳感器核心技術(shù)受到歐美的封鎖與制約。此次新冠肺炎疫情發(fā)生后，國內(nèi)一些呼吸機(jī)生產(chǎn)企業(yè)苦于缺乏流量傳感器，難以滿足救治需求。
為了有效解決全球呼吸機(jī)關(guān)鍵傳感器短缺難題，煒盛對(duì)原有流量傳感器F1031進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)，研發(fā)了一款呼吸機(jī)專用流量傳感器F1031V。
F1031V呼吸機(jī)流量傳感器
F1031V流量傳感器采用最新的熱式流量傳感器芯片，結(jié)合獨(dú)特的MEMS芯片技術(shù)制造而成，符合我司起草的《JB/T -2017 熱式質(zhì)量流量傳感器》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
其中，傳感器芯片使用了獨(dú)特的下沉式加工技術(shù)，同時(shí)配合科學(xué)的流道設(shè)計(jì)，在提升了氣流穩(wěn)定性的同時(shí)大大降低了管道壓損，非常適合大流量應(yīng)用，如呼吸機(jī)、制氧機(jī)等場合。
同時(shí)，可提供20-300SLM之間量程定制和10-1000ms之間響應(yīng)時(shí)間的定制，靈活的配置可應(yīng)對(duì)客戶對(duì)不同使用產(chǎn)品參數(shù)的需求。
F1031V流量傳感器以性能卓越的傳感器元件為基礎(chǔ)，傳感器信號(hào)經(jīng)內(nèi)部高性能微芯片的線性化、溫度補(bǔ)償及數(shù)字校準(zhǔn)等處理后，使輸出信號(hào)具有極好的精度和穩(wěn)定性。
F1031V采用堅(jiān)固且高性價(jià)比的材料，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的接口，保證了傳感器極高的可靠性和易用性。其工作電壓為4.95V至14V直流電，采用線性模擬電壓輸出，較寬的電壓范圍和易用的電氣接口，非常便于接入客戶的系統(tǒng)使用。
本次海內(nèi)外疫情的蔓延，有力推動(dòng)了國內(nèi)呼吸機(jī)行業(yè)發(fā)展，也促使呼吸機(jī)核心零部件加快國產(chǎn)替代的腳步。
煒盛擁有多項(xiàng)專利與非專利核心技術(shù)及數(shù)十項(xiàng)實(shí)用型專利。深耕流量傳感器十余年，此次升級(jí)的F1031V兼容性良好，產(chǎn)品性能可完全替代進(jìn)口產(chǎn)品，出廠前已進(jìn)行多點(diǎn)標(biāo)定，無需二次校準(zhǔn)。
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