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，負責將吸入和呼出的氣體流量轉換成電信號，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置值比較，利用兩者間的誤差控制伺服閥門來調節(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)的準確性和可靠性。 2 流量傳感器的原理和應用 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，散熱量導致熱絲溫度變化而引起電阻變化，流速信號即轉變成電信號，經(jīng)適當?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，即當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，即當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，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)部結構圖見圖4：

圖4：超聲式流量傳感器

左邊的轉換器（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
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右邊的轉換器（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比例關系，同時內(nèi)置溫度探頭進行溫差校正。 2.4 壓力感應式流量傳感器： 壓力感應式流量傳感器由電阻應變片、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變片（轉換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減小），再經(jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將氣流變換為電信號的過程。利用應變片（轉換元件）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變片的電阻變化轉換成對應的電壓輸出。 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式，見圖6：

圖6：壓力感應式流量傳感器

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，當氣流通過時產(chǎn)生壓力金屬片移動使電橋阻值變化，設備根據(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。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