外文翻譯---氣流傳感器和溫度傳感器在對新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測 中文版

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1 氣流傳感器和溫度傳感器在對新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測 作者： 要 本文講述的是新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測系統的，此系統主要用來檢測未成年兒童的呼吸狀況。系統包括了兩種微型高性能指標傳感器（濕度傳感器和氣流傳感器）和 51 單片機。系統能夠檢測到濕度，并將濕度值顯示出來，也能檢測到嬰兒的呼吸率，并 帶有為用戶設置的報警裝置。 關鍵字：氣流傳感器 , 濕度傳感器 , 新生 , 呼吸狀況的檢測 1. 緒論 由于新生嬰兒的呼吸缺乏穩(wěn)定性、可靠性，并且對應用的傳感器有微型性的要求，使得檢測新生嬰幼兒呼吸狀況總是具有很大的困難和挑戰(zhàn)。最新設計的呼吸檢測系統應用了一些高性能的微型傳感器（濕度傳感器和氣流傳感器）和單處機處理器。在本文中我們描述了這些傳感器、接口電路和處理器。新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測系統將給醫(yī)生和護士提供一些必要的診斷和冶療信息。濕度傳感器和氣流傳感器已經在美國辛辛那提大學的微電子傳感器和微機構研究中心設計并 構建出來了。這些傳感器可以達到非常小的體積，非常適合于直接插進檢測呼吸中的器官切開技術試管中，此項研究的先進性在于它采用了更簡單、便宜并具有智能化的設備。也為檢測嬰幼兒呼吸狀況開啟了新的研究方法。因此進一步改善了兒科醫(yī)學的診斷程序。 2. 對傳感器的描述 我們選擇了 聚酰亞胺容性濕度傳感器來進行濕度檢測。對應不同的濕度，這種傳感器的電容量是不同的。這種傳感器的初始直徑約為 種傳感器由一片硅片構成。它的工作原理在吸附水上的聚酰亞胺薄膜電容的電介質常數的變化，如圖 1 所示。我們可以看到，電極是一些同心圓（它有 15μ m 寬度的線條和 10μ m 的間距） ,這些同心圓是暴露在空氣中的，并和一個大的聯合襯墊構成通路，底部的電極是一個平坦的金屬薄膜，這種特殊的結構能夠快速的吸收水并蒸發(fā)薄膜上的大部分水蒸氣，適合于吸收傳感器表面的每個區(qū)域的水。給出 2 半理想混合介質常數公式： ? ?? ?33/113/122 ??? ?? 和ε 2分別是聚酰亞胺和水的介質常數， 算機仿真后，（考慮到幾何結構，給ε 1 和ε 2 分別賦值，ε 1= 2=80 并參照合適的理想常數）這種設備對于不同的溫度電容表達式 這里 X 為相對濕度。在圖 2 中畫出了它的立體曲線。圖上的點是測量的數據點，可以看出實驗數據和理想曲線是相一致的。位于相對濕度為 100%處的三個點說明濃縮水的聚酰亞胺的影響已達到了飽和。幸運的是，一個嬰兒呼吸的空氣濕度的范圍為 70%到 95%。這種設備具有良好的濕度穩(wěn)定性。 報道過各種聚酰亞胺對呼吸水的濃縮是獨立于溫度和厚度的。 經發(fā)現聚酰亞胺的介質常數在 50℃－180℃ 的溫度范圍內是不依賴于溫度的。傳感器的響應時間在 30s 以內（吸收水份的時間約為 6S，蒸發(fā)水份的時間比較長）?？紤]到所吸收空氣水分的范圍非常小，響應時間的影響是可以忽略不計的。 用到的另一種設備是微型單臂橋氣流傳感器如圖 3 所示。它基本上是單片硅片上的集成導線微型機構。它的活躍元素被提供的電壓（或當前的電源）加熱到超過周圍溫度。這種橋電路是對稱的。在原理上，對周圍的任何溫度余數值應是平衡的，然而，橋周圍的氣流對橋臂進行冷卻，這些臂和氣流是正交的。這時，把橋設置成不恒定，并對應于氣流的流速給出一個輸出電壓。為了當 橋臂被流過的液氖流冷卻時，增加電阻的變化率，應用了一種高度混合物，代替了普通的半導體中的輕度混合物。我們知道，對于普通的輕度混合物，主要影響電阻溫度常數的因素是載波遷移率。古典上它主要按著溫度的－ 3/2 次幕指數進行變化，橋臂電阻 R 可以表示為R＝ 3/2。這里 C 是比例常數。顯然，電阻的濕度系數非常小，因此對氣流的敏感度也小，對電阻濕度小的問題的解決是用高度混合物。這里高度混合物不包含離子化的指數模式進行變化。（就像輕度混合物在液氖溫度中一樣）于是，我們得到： R=E/這里 B 是比 例常數，E 是輕度混合物的特征活躍能量， K 是 數。在公式當中， T－3/2項和指數項比較起來，是可以忽略不計的。這樣就可以提高 100000%濕度敏感度。磷金合金常常被用作高度混合物。熱量短暫問題是通過把具有金涂料的電阻加以相互獨立和用化學的方法在橋臂周圍蝕刻各向異性的硅材料來解決的。為了提高系統的響應速度，通過在晶片的背面蝕刻各向 3 異性的薄膜來減少橋材料。最后，氣流傳感器的響應時間可以降到微秒級范圍內。圖 4 畫出了一個橋臂（蝕刻 的硅晶片）在不同驅動電源下的響應。它的靈敏度和線性度都是 非常好的，適合于對嬰兒的呼吸檢測。 3. 對檢測系統的描述 上面描述的兩種傳感器由于它們獨特的特性：體積小、溫度穩(wěn)定性高和容易保持，很適合應用于嬰兒的呼吸檢測系統。為了檢測呼吸氣體的濕度，把濕度傳感器放在一個振蕩器中（用的是 555定時器）輸出頻率相對于傳感器的相對濕度。校驗了的濕度計具有 3%的精確度，這很好的達到了我們的目的。氣流傳感器被濾波電路和整形電路進行處理（為了消除不寬于 1脈沖寬度的偏移）。被處理了的信號是和輸入相對應的。單片機能夠記錄呼吸的濕度和呼吸率。當呼吸超過允許的范圍時，它可以報警。這樣， 就可以讓醫(yī)生和護士們知道嬰兒實際的呼吸狀況（太快或太慢，太干或太濕，危險趨勢和另外一些緊急狀況）通過詢問兒科醫(yī)師，一系列危急參數已被公式化出來，并且存儲于中央處理器中。這數參數包括正常的呼吸率，對沒有呼吸、太快、太慢的呼吸進行報警，還有濕度范圍。這些系統也適用于給其它的狀況進行報警，報警點可以人為設置來滿足個人需要和醫(yī)師們的喜好。圖 5 畫出了檢測系統的結構圖。主要的設備是一片51 單片機。它可以進行數據采集，危急值設定、比較、報警和顯示。一個彩色的陰極發(fā)射線試管檢測器用于以形象的圖表形式實時顯示實際的濕 度變化和呼吸率相關數據和危急報警顯示如：太快、太慢、太濕、太干、從慢到快和從快到慢。所有不同的危急信號都伴有不同的報警聲音。嬰兒正常的呼吸率約為每分鐘 44 次。 4. 結論 我們已經介紹了一種價格便宜、體積微小且具有智能化的系統。醫(yī)生和護士可以把它當成診斷病情的顧問。系統用到了兩種傳感器。一個聚酰亞胺基傳感器和一個氣流傳感器。系統多項功能如：呼吸率、濕度值顯示、越限報警顯示、危急趨勢報警顯示等都基本上滿足了診斷新生嬰兒的要求。尤其為用用戶設計的個人手動設置報警功能對醫(yī)學實踐是非常有用的。 致謝 作者感謝 授在作者設計此系統和準備階 4 段所給予的幫助和鼓勵。 溫度測量 1. 概論 溫度可能是最廣泛應用的物理量。 1595年發(fā)明了第一個溫度計而給予很高的榮譽。好多年過去了，技術得到了提高?，F在市場上有很多高精度和高可靠性的溫度計。新的測量原理出現了，現在的原理也在得到不斷的提高。這部分，給出了一些選擇合適溫度測量設備的基本知識。然而，選擇儀器對使用者的經驗進行考慮是必要的。在過程應用中，典型的溫度測量系統包含了熱電偶套管，測量物體，一些補償線和一個溫度變送器（當 地或遠程）。溫度測量物通常有一個彈簧機構，以確保測量物體的尖部和筒的內底得到確切的連接。 2. 安裝好了的系統 一個安裝好了的系統包含了一些金屬物體。有：一個球狀物，小直徑試管（被認為是毛細的）和一個 簧。一個指示器連接在 常常用風箱和薄膜來代替。此系統填充了液體或氣體。隨著球狀物測得的溫度的升高或降低，這些氣體或液體會膨脹或收縮，這種膨脹或收縮轉變成了機械移動，液體引起了體積改變，氣體引起了壓力改變。 應用 這種類型的溫度測量常用于當地溫度指示。多年過去了，它的 應用已降低了，但現在仍舊有些應用。這種設備是充液管式溫度計改善來的。不需要給它提供能量。簡單，堅固，是自封裝的。并且在很窄的溫度范圍內是準確的。但是球體太大了，以至于不能適合現在的應用。一旦小球不能工作后，整個系統必須重新改換（這是昂貴的）。而且毛細試管被限制在250 共英尺內（ 80 米），此系統整體來說響應慢，且相對來說貴。它易受毛細試管周圍溫度的影響。并且經常要對周圍溫度進行補償，為了確保精確，這些測量裝置必須自由泄漏。因此經常檢測和測試是必要的。毛細試管應該經常維護和保護，以免損壞。再者，制作毛細試管的材 料應和周圍的環(huán)境相一致。最后，小球必須充分的沉浸，以確保測量到實際溫度。 3. 熱電偶 1821 年， 現當兩種不同的金屬連接在一起時，就會在 5 熱金屬和冷金屬（參考點）的連接處產生熱電勢（例如 100℃時，在兩連接點產生了 40V）。溫度越高，產生的熱電勢越高。以前，冷連接點實際上是浸泡在冰池里的，這樣做是為了保持參考溫度的穩(wěn)定?，F在，電路已經代替了這種冰池。理論上，任何兩種不同的金屬都可以制成熱電偶，如圖 而，基于溫度變化的響應特性（即，靈敏度）而只有一些被應用。典型的裸露的熱 電偶的響應時間是從 12s。制造的熱電偶線是用來連接的。往往比較貴。這樣，它本身的應用只限制在探測器本身。熱電偶的補償線應統一于熱電偶，它用于連接被測量設備或變送器。現代的電子革命已經制出了足夠小的變送器?？梢苑庋b在熱電偶箱（或頭）中，這樣安排的好處是可以避免長距離的傳送非常小的熱電勢。這樣低的電信號易受噪聲干擾。 應用 有三種基本類型的熱電偶結構 陶制球狀。 絕緣的（塑料玻璃或陶制纖維）他們常常是凸出的。 金屬外殼礦物絕緣型。這種外殼通常是不銹鋼，絕緣礦物質通常是氧化鎂或氧化鋁。外殼可以很好的保護熱 電偶不受外部化學物質和機械的影響。然而由于外殼是單片機構，所以對它們進行剝離和終止比其它類型是更因難的。這種連接點應被焊接或絕緣。熱電偶可以制成封裝型或裸露型，如果是封裝型的，它們可以是接地或不接地的。當接地時，它們的溫度響應快（因為得到了良好的溫度傳遞）然而，它們易受噪聲的響應（由于電信號的波動影響）。當熱電偶不接地時，它們的響應慢，但是電氣隔離的。熱電偶應在熱電偶套管中安裝彈簧。以便于尖端和筒底面保持連接。以確保良好的熱傳遞。如果暴露在處面就會獲得最快的響應。但導線完全處于未保護狀態(tài)。熱電偶是處于自激勵 的，簡單，堅固，價格不貴（是 能夠廣泛的選擇物理形式，提供廣泛的溫度范圍。再者，它們能夠校準產生特殊曲線。（要額處成本）且容易交換，它們能夠快速響應并測量特殊點。 溫度在測溫元件上是平均的，熱電偶是在它尖部測量溫度，因此快。然而，熱電偶的輸出是非線性的且輸出的電壓信號低。它們需要參考連接點。靈敏度低，在精度上有限制，需要和型號匹配的補償線。再有，在惡劣環(huán)境下、使用不當、時間不對的情況下，熱電偶就會變壞。熱電偶易受信號波動的影響。需要放大電路，然而，放大電路會錯 6 誤指示熱電偶。像超越上限或超 下限指示。氧化和大氣壓的降低會對此類型熱電偶的應用產生影響。然而，如果測溫元件用熱電偶套管來保護，那么這種影響是可以忽略的。