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呼吸機的流量傳感器：呼吸機中常用的傳感器

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呼吸機的流量傳感器：呼吸機中最重要的傳感器——流量傳感器

正常情況下，人類通過呼吸進行活動，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行排出。但是有些情況下呼吸的機能受到損傷，如中毒、神經(jīng)肌肉麻痹、溺水等，都要進行人工干預(yù)，醫(yī)療中都會有輸入氧氣，呼吸機進行通氣，改變病人的換氣功能，對于這種呼吸困難的病人，呼吸機是必不可少的設(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)形成負壓，吸入空氣，吸氣則是相反，我們呼吸機的原理就是利用壓力差形成一個呼吸過程。這一過程要如何控制呢，就要用到我們的流量傳感器了，流量傳感器的運用是非常長的時間了，在呼吸機中都會有使用，主要是將吸入和呼出的氣體采集成電信號，送至測量芯片中進行數(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，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。當(dāng)發(fā)熱物體被加熱的能量一定時，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下降的更快，要保持180度的電熱絲則會使電流加大，從而得到流量的速度值。
其優(yōu)點是，快速的反應(yīng)時間，為10ms至1ms，而基他的傳感器則為50ms，在對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，但是在后期時候電熱絲會有一定損耗，導(dǎo)致在后期的維護成本增加不少，呼吸機中的這一結(jié)構(gòu)要進行消毒除菌也會很方便，醫(yī)用酒精中浸泡一小時，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）這兩個定律的實質(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：流體在一個封閉的管道中流動，當(dāng)遇到節(jié)流件時，在節(jié)流件前后它的質(zhì)量是不變的，流速赿快，壓降則會加快，則傳感器輸出的電壓信號赿強，這種傳感器要定期更換，后期的成本會增加，同時消毒方法則會更多一些，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差法和多普勒法。超聲波是指頻率大于20khz的機械波，人耳聽不到的波，具有方向性好，穿透能力強特點，在呼吸機中一般有一人發(fā)射一個接收端，時差法在呼吸機中用的比較多，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，利用超聲波在不同的介質(zhì)中傳輸?shù)乃俣炔煌@一特性，得到時間差，從而采集到流速。這種方式的優(yōu)點在于，受到的影響因素較小，使用時間較長，清潔方法也非常簡單，但是價格會比較高。
呼吸機在近期應(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上各有千秋，未來傳感器的應(yīng)用應(yīng)該會生產(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。

呼吸機的流量傳感器：呼吸機流量傳感器的原理和應(yīng)用

描述
1 流量傳感器在呼吸機中的作用 流量傳感器在呼吸機中的應(yīng)用已有近30年的歷史，在中高檔呼吸機中被普遍使用。它作為呼吸機氣路系統(tǒng)的重要部件，負責(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)呼吸機功能和設(shè)計的不同，流量傳感器的檢測值不僅僅提供顯示，還對呼吸機的控制、報警等起著決定作用，如流量傳感器將測量到的實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能幫助微處理器對閥門進行控制，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相的切換、分鐘通氣量上下限的報警、流量觸發(fā)靈敏度、氣流實時波形和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，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：
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橋臂，由運算放大器A1差分放大電橋輸出的電壓信號;運算放大器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，并且，其阻值隨即升高，使電橋很快達到平衡狀態(tài)。當(dāng)流體流過流量計時，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行檢測的。PB840呼吸機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)動電路，運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，人耳聽不到的機械波。它的方向性好，穿透力強，遇到雜志或物體分界面會產(chǎn)生顯著的反射。超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。利用超聲波這些物理性質(zhì)可計算出流體的流速。 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，它會產(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，它會產(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。目前在呼吸機中使用的超
聲流量傳感器主要有聲時差法和多普勒法。這里主要介紹聲時差法的原理和應(yīng)用。
時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來計算（或附加壓力溫度傳感器和過零檢測電路進行修正）。使用過程中每分鐘進行2000次的采集，保證實時的檢測結(jié)果。
maquet的servoi和servos呼吸機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，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)射到接受的時間被測量，記為T1（為順流方向的傳播時間）。
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)射到接受的時間被測量，記為T2（為逆流方向的傳播時間）。 T2-T1=Tdiff，逆流和順流的時間差和氣體流量成對應(yīng)比例關(guān)系，同時內(nèi)置溫度探頭進行溫差校正。 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（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呼吸機的吸氣和呼氣流量傳感器，300A呼吸機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
流量傳感器有兩個通道，大的為主通道，其上有一個金屬網(wǎng)，用于產(chǎn)生阻力使一定比例的氣量進入測量通道；小的為測量通道，在通道可看到一個金屬圓片，它通過金屬細桿安裝在電橋上，當(dāng)氣流通過時產(chǎn)生壓力金屬片移動使電橋阻值變化，設(shè)備根據(jù)阻值變化計算氣流大小，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，工作時熱量達到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，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，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，通過流量和時間計算出潮氣量。
圖7：壓差式流量傳感器
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呼吸機的流量傳感器：技術(shù)升級！煒盛加推呼吸機專用流量傳感器

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，海外疫情形勢依舊不樂觀。
在新冠肺炎治療中，呼吸機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，達到維持患者生命活動的效果，成為抗“疫”中不可或缺的醫(yī)療設(shè)備。
5月8日，工信部召開推進呼吸機有序生產(chǎn)供應(yīng)視頻會議，會議強調(diào)呼吸機行業(yè)要強化呼吸機產(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。
芯片和傳感器在呼吸設(shè)備中扮演著重要角色。芯片是整個電路系統(tǒng)的“心臟”，負責(zé)根據(jù)采集的傳感器數(shù)據(jù)，實時調(diào)整風(fēng)機，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控制輸出。
多年來，我國呼吸機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關(guān)鍵傳感器短缺難題，煒盛對原有流量傳感器F1031進行了技術(shù)升級，研發(fā)了一款呼吸機專用流量傳感器F1031V。
F1031V呼吸機流量傳感器
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特的下沉式加工技術(shù)，同時配合科學(xué)的流道設(shè)計，在提升了氣流穩(wěn)定性的同時大大降低了管道壓損，非常適合大流量應(yīng)用，如呼吸機、制氧機等場合。
同時，可提供20-300SLM之間量程定制和10-1000ms之間響應(yīng)時間的定制，靈活的配置可應(yīng)對客戶對不同使用產(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)，傳感器信號經(jīng)內(nèi)部高性能微芯片的線性化、溫度補償及數(shù)字校準(zhǔn)等處理后，使輸出信號具有極好的精度和穩(wěn)定性。
F1031V采用堅固且高性價比的材料，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，有力推動了國內(nèi)呼吸機行業(yè)發(fā)展，也促使呼吸機核心零部件加快國產(chǎn)替代的腳步。
煒盛擁有多項專利與非專利核心技術(shù)及數(shù)十項實用型專利。深耕流量傳感器十余年，此次升級的F1031V兼容性良好，產(chǎn)品性能可完全替代進口產(chǎn)品，出廠前已進行多點標(biāo)定，無需二次校準(zhǔn)。
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