超声波气泡检测传感器.docx

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超声波气泡检测传感器

超声波气泡检测传感器

一、摘要

介绍了一种广泛应用于血液净化设备中的超声波气泡监测传感器，此传感器在血液净化过程中，当血液在体外循环时，对整个回路系统起监控作用；简述超声波及其检测电路工作原理，并对其结构特性作了说明；对传感器在血液净化技术中的临床应用原理、工作条件和安全监测功能进行了深入的分析，并给出了详细的电路原理图。

结合设备临床操作与应用情况，提出了自适应算法来自动确立报警阈值，克服了环境温度、现场操作等差异，有效地避免了误报和漏报现象。

二、产品介绍

1、超声波空气传感器的设计原理

超声波是在脉冲电压激励下，由换能晶片发生振动而产生的一种波，其振动频率大于20kHz以上，每秒的振动次数（频率）很高，超出了人耳听觉的上限（20kHz）。

超声和可闻声都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式。

超声波具有频率高，波长短，绕射现象小，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性等特点。

并且超声波能在空气、水、液体及金属等固体中传播。

超声波在不同的传播介质中的声阻抗是不同的,同一种超声波传感器一般不能用于不同的介质。

例如,空气与水和钢的声阻抗比分别为1∶3.4×103、1∶1×105,它们的声阻抗差别非常大。

因此利用超声波的这一特性,设计了一种监测空气气泡的传感器，此传感器用于血液体外循环时，检测液体管路中的空气气泡。

超声波传感器对被测物的检测通常有3种方式（如图1所示）,超声波传感器可发射、接收。

考虑到医疗设备中液体（如血液等）流通管路的形状结构一般为圆柱形,选用透过方式较好。

这种方式下,发射的超声波将直线传播到接收端换能器。

气泡监测传感器的构造如图2。

图2中,发射端与接收端的超声波换能器芯片封装在一个内空为圆柱形的壳体中,为保证接收端接收效率更高,其发射面与接收面中心应尽量保持在一个水平面上。

此外,还要尽可能减小传感器靠近管壁的壳体与管路管壁间的空气隙。

超声波从发射面发出以后,一小部分被传感器壳体漫反射,大部分穿过壳体,透过空气隙,再一次穿过管路的管壁进入流动的液体中。

上述传输过程,一小部分能量在空气隙中损失,另外部分受管路管壁材料的结构影响被衰减,大部分能量在流动的液体中传输到接收端管路的管壁,并按发射端的逆过程传到接收端的超声波换能器,转换成与发射频率同频的被传输过程中介质所损耗后的微弱电信号。

没有混入空气泡的正常情况下,液体密度相对稳定,超声波在液体中顺利的传输到接收端,信号几乎没有大的畸变（图3）。

若液面低于传感器检测面,在超声波传播路径上的液体密度随之降低,接收到的信号能量被衰减,反映出的波形在幅度上也会随着液面的降低迅速地减小（图4）。

若流动的液体中有大小不等的气泡,液体的密度将降低,超声波在传播路径上还会被空气泡散射,与正常情况下相比,接收端接收到的能量将衰减,信号波形也将产生畸变,幅值变小,其衰减程度及时间也会与气泡大小、形状和气泡多少有关（图5）。

2、系统设计与实现

空气监测器包括超声波探测器和血液管路夹持装置。

如图6所示。

超声波探测器由调制发射电路、接收穿过血液回路及混入气泡后的超声波接收电路、解调电路、报警信号输出电路、微控制器电路和数据采集电路组成。

血液管路夹持装置内部安装超声波发射器与接收器探头。

在进行系统设计时，采用基于非接触的方式来进行检测，将信号波形穿过介质会产生衰减的原理来实现信号的采集，从而实现在整个系统中避免对管路内部血液的污染。

图6系统结构原理图

超声波发射与接收电路

超声波发射电路框图如图7所示。

直流稳压电源为超声波换能器提供能量,根据本传感器的特点只需要约几十伏电压就够了,一般可以选择在安全电压以内，电路中的限流电阻取值1kΩ/3W左右,用以限定超声波能量。

脉冲产生电路产生频率约500kHz的方波,供给波形变换与驱动电路,这里的脉冲频率应该与压电晶片的共振频率一致。

当加到两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高。

波形变换电路改变脉冲占空比并驱动高反压晶体管BUT11A,通过电容充放电的作用,形成与超声波晶片共振频率一致的负高压脉冲波加到换能器两端,从而发出超声波。

输出电路中电感器用于消除电缆杂散电容和超声波换能器的容抗。

传感器不需要直流,电感器还起到旁路作用。

超声波接收电路参见图7下部分。

接收用超声波换能器的共振频率应该与发生器一致,它接收来自穿过管壁、空气隙以及液体（如血液等）后衰减了的超声波信号。

这个信号较微弱,经二极管双向限幅后送给高输入阻抗的比较器芯片,经与参考电压比较产生脉冲信号,以识别出液体中是否混有空气泡。

当液体中混入气泡时,检测到的脉冲信号幅度降低,比较器输出为“低”,否则为“高”,当整个液面低于传感器安装平面时,输出始终为“低”,因此本传感器也可以用于液位监测。

比较器同相输入端接有RC电路,用以吸收超声波发生器共振时产生的高次谐波。

本接收电路能快速判别出液体中混入气泡的情况,但在某些应用场合却不需要过高的灵敏度,这将导致频繁地报警,特别是液体在流动的情况下。

图7超声波发生器与接收器电路

检测及系统自适应处理

临床应用中，根据患者的个体情况设置监控灵敏度。

如果灵敏度设计较高，则系统频繁报警而最终停止工作；如果灵敏度设计较低，则可能导致一些无法预测的故障。

但在管路的安装过程中，工作人员的不规范操作将会导致管路与传感器问的间隙不一致，这样会产生波传感器的收发模块与管壁的可靠性接触等问题，从而影响传感器的灵敏度。

图8所示电路是用于灵敏度自动调节的。

时钟振荡电路产生1MHz的时钟信号,经可编程分频器后送到二进制加法计数器的时钟端,而超声波检测电路检测到的超声波脉冲信号加在该计数器的“清零”端（Cr高电平有效）。

其实现原理是这样的:

在液体正常流动且没有混入空气气泡时,接收端检测到的超声波脉冲信号幅度足够大,可以经比较器得到与超声波共振频率一致的脉冲信号,这个信号能确保在计数器溢出之前清“0”,使计数器不能发出报警触发信号；当液体中混入气泡时,接收端检测到的超声波脉冲信号的幅度在该气泡通过传感器检测面时衰减较大,此期间比较器输出为低,计数器不能正常“清0”,加法计数器计数溢出后触发报警电路产生声、光报警提示医护人员及时处理。

液体中混入单个气泡的大小,连续气泡的持续时间均会直接引起比较器输出端低电平持续时间的改变。

调节可编程分频器的分频系数也就能改变加法计数器的溢出时间,这个时间段能否被“清0”,则与空气泡的大小、连续多少有关。

因此,改变分频系数也就能调节气泡灵敏度的阈值。

图8　超声波检测与灵敏度调节电路

三、应用与分析

血液净化过程中患者的血液从人体体内流出时，从动脉、系统的血液管路、血泵和透析器等循环回到体内，如图9示。

在此循环系统中，整个系统主要由血路、液路和监控电路3个部分组成。

当患者体内的血液流出时，进入透析器或滤过器和体外管路，最后回流入人体，构成了一个封闭的血路系统。

治疗过程中，血液循环回路有可能混入空气（含气泡），并经静脉血管进入人体，这将危及患者生命安全，引发重大医疗事故。

因此，在临床上，可在静脉的回输端引入一个空气气泡收集器，并采用一个非接触式的超声波传感器来监测空气（含气泡）——气泡检测器。

当收集器中的空气（气泡）容积增大，使液面低于检测面时发生，传感器立即发出报警信号并使检测装置下端的阻流夹迅速闭合，阻止混入了空气的血液回输到人体，等待医护人员处置，然后重新建立治疗工作条件。

超声波检测还可应用到血液净化设备液体回路上的非接触式液位监控、血容量测试等环节，在功能和安全方面发挥重要作用。

图9血液净化原理图

误差分析

但是，超声波传感器也存在自身的不足，比如噪声问题，反射问题等等。

虽然超声波传感器的工作频率约500Khz，远远高于人类能够听到的频率。

但是周围环境也会产生类似频率的噪音。

这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的信号波，只有当探测头检测到相同组合的信号波的时候，才进行计算输出，这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。

在传感器在进行检测工作时，发射端与接收端的超声波换能器芯片的发射面与接收面中心应尽量保持在一个水平面上，还要尽可能减小传感器靠近管壁的壳体与管路管壁间的空气隙。

如果间隙过大，或者系统检测路径上有污渍，等，都会导致信号波能量的大量衰减，从而影响传感器对气泡的检测的准确度。

这些在传感器设置时和使用时应该注意的。

对灵敏度调节，自适应算法：

由于采用A／D转换处理超声波接收信号，可编程分频器改变分频系数对每次开机运行后的报警阈值可进行重新设定，通过设置采样时间达到了改变报警的灵敏度，实现了对不同大小气泡的有效识别。

当整个循环系统的环境温度发生变化、系统传播路径上有污损、各种电路原件老化等因素时，系统将会产生信号变化，微控制器系统可采样值自动修正触发报警的阈值，并根据气泡的异常衰减发出报警信号。

四、结束语

在医疗设备上应用光电检测技术具有广阔的研究前景，其技术优势主要体现在非接触性的检测上，能有效避免对患者血液等系统的有害污染。

在此利用超声波传感器技术设计的用于医疗卫生部门的血液净化系统，具有自动适应处理能力的智能化传感器，能确保血液净化系统的稳定和可靠运行，实现有效监测。

参考文献：

压电与声光代小红等：

基于超声波的血液净化检测与应用第32卷第2期2009年8月

李昔华气泡监测的超声波传感器及其检测电路原理重庆工商大学学报（自然科学版）第20卷第4期2003年12月

殷婷杨辰超声波传感器及其应用2010年第“”卷16期

吴江超声波传感器及其应用2007年第“”卷2期

曹瑞包垒军基于超声波传感器新技术的应用2009年第3期