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呼吸机的流量传感器：呼吸机中常用的传感器

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呼吸机的流量传感器：呼吸机中最重要的传感器——流量传感器

正常情况下，人类通过呼吸进行活动，能量的交换，氧气和二氧化碳的交换，使身体各器官组织代谢物顺利进行排出。但是有些情况下呼吸的机能受到损伤，如中毒、神经肌肉麻痹、溺水等，都要进行人工干预，医疗中都会有输入氧气，呼吸机进行通气，改变病人的换气功能，对于这种呼吸困难的病人，呼吸机是必不可少的设备。
人类的完成呼吸的功能是呼吸肌肉收缩，使肺泡膨胀，胸内形成负压，吸入空气，吸气则是相反，我们呼吸机的原理就是利用压力差形成一个呼吸过程。这一过程要如何控制呢，就要用到我们的流量传感器了，流量传感器的运用是非常长的时间了，在呼吸机中都会有使用，主要是将吸入和呼出的气体采集成电信号，送至测量芯片中进行数据处理，得到的数据有呼吸气量，每分钟通气量，通气速度等。
呼吸机的流量控制传感器起着关键的作用，监测压力各流量控制，传感器主要有三种形式，热丝式、压差式和超声式。
热丝式流量传感器： 基本原理是将一根细的金属丝（在不同的温度下金属丝的电阻不同）放在被测气流中，通过电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，
当被测气体流过热丝时，将带走热丝的一部分热量，使热丝温度下降，热丝在气体中的散热量与流速有关，散热量导致热丝温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号，经适当的信号变换和处理后测量出气体流量的大小。当发热物体被加热的能量一定时，发热物的温度与流经发热物的流体质量相关，同时发热物的电阻率与其所具有的温度相关，检测发热物的温度或者它的电阻值，同样可测得流量。一般的电热丝会加温到180度，在热力学中，一段导体在单位面积中若流速增加，空间的面积不变，则电热丝的温度就会下降的更快，要保持180度的电热丝则会使电流加大，从而得到流量的速度值。
其优点是，快速的反应时间，为10ms至1ms，而基他的传感器则为50ms，在对比其它的通气量的压力损失非常的小，并且这种结构在早期就发展过来，但是在后期时候电热丝会有一定损耗，导致在后期的维护成本增加不少，呼吸机中的这一结构要进行消毒除菌也会很方便，医用酒精中浸泡一小时，空气中晾干即可。
压差式的传感器最核心的是节流器，其工作原理是基于封闭管道中流体质量守恒（连续性方程）和能量守恒（伯努利方程）两个定律。质量守恒（连续性方程）和能量守恒（伯努利方程）这两个定律的实质内容就是指失去的流量与获得的能量一样，质量守恒：流体在一个封闭的管道中流动，当遇到节流件时，在节流件前后它的质量是不变的，流速赿快，压降则会加快，则传感器输出的电压信号赿强，这种传感器要定期更换，后期的成本会增加，同时消毒方法则会更多一些，可用酒精浸泡，气体消毒，高压蒸汽等。
超声流量传感器主要是用声时差法和多普勒法。超声波是指频率大于20khz的机械波，人耳听不到的波，具有方向性好，穿透能力强特点，在呼吸机中一般有一人发射一个接收端，时差法在呼吸机中用的比较多，原理是发射端产生150khz的超声波，超声波经过传输管道，由接收端收取信号，利用超声波在不同的介质中传输的速度不同这一特性，得到时间差，从而采集到流速。这种方式的优点在于，受到的影响因素较小，使用时间较长，清洁方法也非常简单，但是价格会比较高。
呼吸机在近期应试是比较多出现的器件，三种不同流量传感器在呼吸机上各有千秋，未来传感器的应用应该会生产更多的精确的传感器，不用更换，使用精度更加高，易消毒清洁的呼吸机。

呼吸机的流量传感器：呼吸机流量传感器的原理和应用

描述
1 流量传感器在呼吸机中的作用 流量传感器在呼吸机中的应用已有近30年的历史，在中高档呼吸机中被普遍使用。它作为呼吸机气路系统的重要部件，负责将吸入和呼出的气体流量转换成电信号，送给信号处理电路完成对吸入和呼出潮气量、分钟通气量、流速的检测和显示。 根据呼吸机功能和设计的不同，流量传感器的检测值不仅仅提供显示，还对呼吸机的控制、报警等起着决定作用，如流量传感器将测量到的实际值馈送到电子控制部分与面板设置值比较，利用两者间的误差控制伺服阀门来调节吸入和呼出气体流量；安装在吸气系统前端的空气和氧气流量传感器生成的信号能帮助微处理器对阀门进行控制，以提供病人所需要的氧浓度；流速和流量的检测值还直接影响到呼气与吸气时相的切换、分钟通气量上下限的报警、流量触发灵敏度、气流实时波形和P-V-环的监测显示等等，流量传感器性能的好坏直接影响到呼吸机参数的准确性和可靠性。 2 流量传感器的原理和应用 目前呼吸机的种类和型号很多，采用的流量传感器也各不相同，主要有热丝式、晶体热膜式、超声式、压力感应式、压差式。 2.1 热丝式流量传感器： 基本原理是将一根细的金属丝（在不同的温度下金属丝的电阻不同）放在被测气流中，通过电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，
当被测气体流过热丝时，将带走热丝的一部分热量，使热丝温度下降，热丝在气体中的散热量与流速有关，散热量导致热丝温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号，经适当的信号变换和处理后测量出气体流量的大小。测量原理图如图1：
图1：热丝式流量传感器原理图
在图1中，放置于测量通道中的热丝Rh作为惠斯登电桥的一个桥臂，由运算放大器A1差分放大电桥输出的电压信号;运算放大器A2提供三极管T工作所需要的偏置电压，并使A1 输出信号能够叠加在三极管T的偏置电位上，并被T放大给电桥供电。由电桥电路，A1 ，A2 和三极管构成的反馈回路，能够使热线工作于恒温状态下。 在接通电源瞬间，热线电阻很快电流加热，并且，其阻值随即升高，使电桥很快达到平衡状态。当流体流过流量计时，由于热交换的原因，热丝的温度、阻抗将发生变化，使桥路失去平衡，根据输出的反馈电压信号即可以测量出流体的流量。 Drager公司的Savina和Evita系列的呼吸机采用的是热丝式流
量传感器，见图2：
图2：热丝式流量传感器
单位截面积中，流速越大，电热丝降温越快，那么，电热丝就需要更大的电量维持稳定的温度（180°C），使热丝保持在180°C所需的能量代表流过传感器并使热丝冷却的气流的流量。 2.2 热膜式流量传感器 热膜式流量传感器的工作原理与热丝式流量传感器基本相同，二者都是基于热平衡原理和惠斯登电桥进行检测的。PB840呼吸机的流量传感器采用的是晶体热膜式流量传感器，见图3：
图3：热膜式流量传感器
它是将桥路电阻、驱动电路，运算放大和信号处理电路等制作在电路印制板上，和流量测量管组件一体组成流量传感器，输出和气体流量大小成比例的电信号，温度感应器对气体流量进行校正，使测量更精确。 2.3 超声式流量传感器： 所谓超声波，是指频率高于20kHz，人耳听不到的机械波。它的方向性好，穿透力强，遇到杂志或物体分界面会产生显著的反射。超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。利用超声波这些物理性质可计算出流体的流速。 超声波传感器分为超声波发射器和超声波接收器。超声波发射器是利用压电材料的逆压电效应，即当对其通以超声电信号时，它会产生超声波；超声波接收器是利用压电材料的压电效应，即当外力作用在该材料上时，它会产生电荷输出。即超声波发射器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，超声波接收器接收超声波信号，并转换为电信号输出。 根据检测的方式，可分为传播速度声时差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法等不同类型的超声波传感器。目前在呼吸机中使用的超
声流量传感器主要有声时差法和多普勒法。这里主要介绍声时差法的原理和应用。
时差法原理是超声波在流体中传播速度与在静止媒介中传播速度不同，其变化值与媒介流速有关，通过测量流动气体中超声传播速度的变化来测定流速和流量。通过逆流和顺流声时来计算（或附加压力温度传感器和过零检测电路进行修正）。使用过程中每分钟进行2000次的采集，保证实时的检测结果。
maquet的servoi和servos呼吸机的呼气流量传感器是采用超声式流量传感器，其原理和内部结构图见图4：
图4：超声式流量传感器
左边的转换器（作为发射器）发射超声信号，在呼出盒内部传播反射，右面的转换器（作为接受器）接受超声信号，载有流量信息的超声信号从发射到接受的时间被测量，记为T1（为顺流方向的传播时间）。
图5：超声传播示意图

右边的转换器（作为发射器，先前的接受器）发射超声信号，在呼出盒内部传播反射，左面的转换器（作为接受器，先前的发射器）接受超声信号，载有流量信息的超声信号从发射到接受的时间被测量，记为T2（为逆流方向的传播时间）。 T2-T1=Tdiff，逆流和顺流的时间差和气体流量成对应比例关系，同时内置温度探头进行温差校正。 2.4 压力感应式流量传感器： 压力感应式流量传感器由电阻应变片、弹性体（弹性元件，敏感梁）和检测电路组成。 工作原理是：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外部气流作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将气流变换为电信号的过程。利用应变片（转换元件）在压力作用下电阻值随压力变化而变化的原理，然后通过检测电路把电阻应变片的电阻变化转换成对应的电压输出。 西门子公司的900c呼吸机的吸气和呼气流量传感器，300A呼吸机的呼出流量传感器采用的是压力感应式，见图6：
图6：压力感应式流量传感器
流量传感器有两个通道，大的为主通道，其上有一个金属网，用于产生阻力使一定比例的气量进入测量通道；小的为测量通道，在通道可看到一个金属圆片，它通过金属细杆安装在电桥上，当气流通过时产生压力金属片移动使电桥阻值变化，设备根据阻值变化计算气流大小，得到潮气量和分钟量。传感器内有给呼气流量传感器加热的电阻，工作时热量达到60oC左右，可以防止水汽的凝结。吸气流量传感器内也有一个同样的电阻，但由于不加工作电压，此电阻无加热作用。 2.5 差压式流量传感器： 差压式流量传感器，它利用的是节流器（孔板）前后压力不同来测量流体的流量的一种方法，也就是文丘里原理，它利用的传感器就是压力计，在一定流量范围内，通过孔板的流速与孔板前后的压差有线性关系，因此通过检测压差就可得到流体的流量。 BEAR1000呼吸机的流量传感器采用的是压差式流量传感器，见图7：内有一垂直的金属膜片，当气流吹开金属膜片时，在膜片两端产生压差，通过测量膜片两端的压力，再把压差换算成流量，通过流量和时间计算出潮气量。
图7：压差式流量传感器
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呼吸机的流量传感器：技术升级！炜盛加推呼吸机专用流量传感器

从新冠肺炎疫情暴发至今，全球范围内已超过28万人死亡，海外疫情形势依旧不乐观。
在新冠肺炎治疗中，呼吸机通过为重症及危重症患者提供体外氧气输送，保证患者血液中的氧气含量，达到维持患者生命活动的效果，成为抗“疫”中不可或缺的医疗设备。
5月8日，工信部召开推进呼吸机有序生产供应视频会议，会议强调呼吸机行业要强化呼吸机产业链协同与质量安全管控，积极参与国际合作，为全球疫情防控做出巨大贡献。
芯片和传感器在呼吸设备中扮演着重要角色。芯片是整个电路系统的“心脏”，负责根据采集的传感器数据，实时调整风机，保证产生合适的正向气压。不同类型的传感器则可用于帮助控制压力、气流、温度和湿度，以及提供平滑的电机控制输出。
多年来，我国呼吸机流量传感器核心技术受到欧美的封锁与制约。此次新冠肺炎疫情发生后，国内一些呼吸机生产企业苦于缺乏流量传感器，难以满足救治需求。
为了有效解决全球呼吸机关键传感器短缺难题，炜盛对原有流量传感器F1031进行了技术升级，研发了一款呼吸机专用流量传感器F1031V。
F1031V呼吸机流量传感器
F1031V流量传感器采用最新的热式流量传感器芯片，结合独特的MEMS芯片技术制造而成，符合我司起草的《JB/T -2017 热式质量流量传感器》行业标准。
其中，传感器芯片使用了独特的下沉式加工技术，同时配合科学的流道设计，在提升了气流稳定性的同时大大降低了管道压损，非常适合大流量应用，如呼吸机、制氧机等场合。
同时，可提供20-300SLM之间量程定制和10-1000ms之间响应时间的定制，灵活的配置可应对客户对不同使用产品参数的需求。
F1031V流量传感器以性能卓越的传感器元件为基础，传感器信号经内部高性能微芯片的线性化、温度补偿及数字校准等处理后，使输出信号具有极好的精度和稳定性。
F1031V采用坚固且高性价比的材料，行业标准尺寸的接口，保证了传感器极高的可靠性和易用性。其工作电压为4.95V至14V直流电，采用线性模拟电压输出，较宽的电压范围和易用的电气接口，非常便于接入客户的系统使用。
本次海内外疫情的蔓延，有力推动了国内呼吸机行业发展，也促使呼吸机核心零部件加快国产替代的脚步。
炜盛拥有多项专利与非专利核心技术及数十项实用型专利。深耕流量传感器十余年，此次升级的F1031V兼容性良好，产品性能可完全替代进口产品，出厂前已进行多点标定，无需二次校准。
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