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测压传感器介绍及在医疗电子中的应用

CMDM?? 2009年11月03日 ?? 收藏0

  测压传感器基本上是可将力或重力转化为电信号的换能器。数十年来,这种传感器广泛用于各行各业的测量和传感领域。大多数测压传感器的核心部件是电阻应变计。该元件受到拉力或压力时,电阻会发生变化。箔应变计是最常用的一种,由经过热处理的超薄金属箔片制成。该箔片可以在介电薄层上化学蚀刻而成,或者采用真空沉积或溅射技术,通过材料的分子键合附着在介电层上。后一种技术通常称为薄膜法。理想的应变计应该体积小,成本低,对于负荷方向上的应变极为灵敏,而且不受周围环境温度变化的影响。

  要通过应变计测量应变,所用电路必须能够测量微小应变带来的微弱电阻变化。应变计换能器通常包括4个应变计元件,这些元件通过导线连接成惠斯顿电桥电路。作为应变测量的最佳选择,这种电路为四脚并联分离式电桥电路,它可测量电阻变化引起的电流改变。其输出电压以单位输入电压下的毫伏数表示(mV/V)。惠斯顿电桥也适用于温度补偿。

  测压传感器种类及相应的测压技术

  一般的惠斯顿电桥电路包括4个应变计。但有些测压传感器可使用8、16、32甚至更多个应变计,而另一些设备则仅使用一到两个应变计。应变计定位是否准确、安装方式如何以及所用的材料决定了测压传感器的性能。换能器的模拟输出通常需要进行信号调节、放大和数字化,以显示力、测重、压力、位移或所受的扭矩。

  箔应变计具有一些明显的优点,例如:体积较小,具有多种测量模式和温度补偿功能。这种应变计生产成本低,安装方式灵活,既可安装在平坦、弯曲或有槽的表面,也可安装在内孔的表面,因而适合各种创新性的设计要求,这是目前应用最为广泛的选择。

  微电机系统(MEMS)是该领域的最新技术。MEMS为蚀刻成梁柱形、隔膜形或板形的微型硅元件,可在测压元件内发挥传感器的功能。与集成电路的制造工艺类似,MEMS也是通过整体和表面微加工技术制成。MEMS可以大批量生产,因为可以在有集成电路的单晶片上加工数以千计的传感器元件。尽管这种传感器能够以极低的成本(低至几美元)大批量生产,但与箔应变计相比,其应用范围仍很有限。MEMS在医疗领域最常用于那些成本低、产量大(数百万以上)的一次性产品中,例如:一次性血压传感器和用于测量球囊导管压力的血管成形装置。

  由工业进入医疗行业

  大多数情况下,尺寸和成本是产品从普通工业领域转入医疗行业过程中的最大问题。产品转化时其量程和可靠性等基本技术特点并未改变,但医疗行业一般需要测量盎司、克和毫克级的负荷,而工业环境下,负荷一般以磅、千牛顿或吨为单位。唯一例外的是理疗康复器械,这种器械通常使用标准尺寸的测压传感器。

  所有医用测压传感器都必须高度精确并紧凑包装,以便轻便易携,特别是器械要与病人直接连接时。如果传感器用于某医疗器械集成的监测仪器内,要使用不锈钢和阳极化铝等标准包装材料。如果设备与人体或液体直接接触,则可使用可高压蒸汽灭菌的特种不锈钢或一次性传感器。

  医用测压传感器早期曾用于力学测量等领域,如病床负重监测。20世纪80年代早期之前,护士必须亲自测量病人的体重,跟踪明显波动。在病床上安装测压传感器后,病床可有效地将病人的准确体重传输到手持式设备上。每张病床一般安装4个测压传感器,每条床腿下一个,这些传感器将数据传输到与相关设备或控制器连接的接线盒内。

  不久以后,人们将小型测压传感器应用到容易发生人为错误的领域,例如:用于给药的输液泵。以往,人们将液体、药物或营养液装到输液袋中,悬挂起来,使液体通过软管依靠重力输入病人体内。为了尽可能精确地调节流速,人们使用了各种钳夹方法。另外,护士还要频繁地监测输液,确保输液正确,输液袋内液体尚未流尽,而且未发生回血。将测压传感器和监测系统引入简易输液设备中,省却了主观判断的过程。测压传感器可准确测量输液袋的重量,当液体重量于预先设定值不同时,传感器会立即向连接的设备发出警告信息。通常,小型弯梁测压传感器(量程100g至1lb)?安装在软管下的储液器上。传感器可检测输液期间的导管重量变化,并与电子控制器进行数据通信。

  将测压传感器与以往单纯的机械技术结合,可以将信息反馈给其他设备。将自动化引入许多医疗领域中,可以减少操作中的人为错误。测压传感器提供的数据被永久记录下来,这样也可大大改进医疗过程的跟踪记录,便于责任确认。

  应用实例

  现在,理疗器械的测压传感器直径仅3–4英寸,最小的还不到半英寸。量程从几毫克到几百磅,不受测压传感器尺寸的影响。即使最小的测压传感器也具有与较大传感器相同的量程、精度和重复性。传感器尺寸小到一定程度时,确实会限制其量程,但多数医疗应用都不需要用到大型测压传感器的重量量程。

  半导体和电路设备先进的计算机自动化、 无线连接以及不断减小的体积和不断增强的功能,大大扩展了测压传感器在医疗领域的应用范围。此前提到的输液技术和病床负重测量方法应用仍很广泛,但随着集成自动化设备的使用,这些应用变得更为复杂了(见图1)。

许多医疗领域使用了传感器技术

图1. 许多医疗领域使用了传感器技术。


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测压传感器? MEMS? 医疗电子? MRI?

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