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(cè)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(cè)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(cè)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(mén)來(lái)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(mén)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(cè)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(cè)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(lèi)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(cè)氣流中，通過(guò)電流加熱金屬絲，使其溫度高于流體的溫度，

當(dāng)被測(cè)氣體流過(guò)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(cè)量出氣體流量的大小。測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)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(jiàn)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(guò)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(cè)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(jiàn)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(cè)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(cè)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(tīng)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(cè)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(cè)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(lèi)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(guò)測(cè)量流動(dòng)氣體中超聲傳播速度的變化來(lái)測(cè)定流速和流量。通過(guò)逆流和順流聲時(shí)來(lái)計(jì)算（或附加壓力溫度傳感器和過(guò)零檢測(cè)電路進(jìn)行修正）。使用過(guò)程中每分鐘進(jìn)行2000次的采集，保證實(shí)時(shí)的檢測(cè)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(jiàn)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(cè)量，記為T(mén)1（為順流方向的傳播時(shí)間）。

圖5：超聲傳播示意圖
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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(cè)量，記為T(mén)2（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(cè)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(cè)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(guò)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(guò)檢測(cè)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(mén)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(jiàn)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(cè)量通道；小的為測(cè)量通道，在通道可看到一個(gè)金屬圓片，它通過(guò)金屬細(xì)桿安裝在電橋上，當(dāng)氣流通過(guò)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(wú)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(lái)測(cè)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(guò)孔板的流速與孔板前后的壓差有線性關(guān)系，因此通過(guò)檢測(cè)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(jiàn)圖7：內(nèi)有一垂直的金屬膜片，當(dāng)氣流吹開(kāi)金屬膜片時(shí)，在膜片兩端產(chǎn)生壓差，通過(guò)測(cè)量膜片兩端的壓力，再把壓差換算成流量，通過(guò)流量和時(shí)間計(jì)算出潮氣量。

圖7：壓差式流量傳感器