外文翻译---气流传感器和温度传感器在对新生婴幼儿呼吸状况的检测 中文版

1 气流传感器和温度传感器在对新生婴幼儿呼吸状况的检测 作者： 要 本文讲述的是新生婴幼儿呼吸状况的检测系统的，此系统主要用来检测未成年儿童的呼吸状况。系统包括了两种微型高性能指标传感器（湿度传感器和气流传感器）和 51 单片机。系统能够检测到湿度，并将湿度值显示出来，也能检测到婴儿的呼吸率，并 带有为用户设置的报警装置。 关键字：气流传感器 , 湿度传感器 , 新生 , 呼吸状况的检测 1. 绪论 由于新生婴儿的呼吸缺乏稳定性、可靠性，并且对应用的传感器有微型性的要求，使得检测新生婴幼儿呼吸状况总是具有很大的困难和挑战。最新设计的呼吸检测系统应用了一些高性能的微型传感器（湿度传感器和气流传感器）和单处机处理器。在本文中我们描述了这些传感器、接口电路和处理器。新生婴幼儿呼吸状况的检测系统将给医生和护士提供一些必要的诊断和冶疗信息。湿度传感器和气流传感器已经在美国辛辛那提大学的微电子传感器和微机构研究中心设计并 构建出来了。这些传感器可以达到非常小的体积，非常适合于直接插进检测呼吸中的器官切开技术试管中，此项研究的先进性在于它采用了更简单、便宜并具有智能化的设备。也为检测婴幼儿呼吸状况开启了新的研究方法。因此进一步改善了儿科医学的诊断程序。 2. 对传感器的描述 我们选择了 聚酰亚胺容性湿度传感器来进行湿度检测。对应不同的湿度，这种传感器的电容量是不同的。这种传感器的初始直径约为 种传感器由一片硅片构成。它的工作原理在吸附水上的聚酰亚胺薄膜电容的电介质常数的变化，如图 1 所示。我们可以看到，电极是一些同心圆（它有 15 m 宽度的线条和 10 m 的间距） ,这些同心圆是暴露在空气中的，并和一个大的联合衬垫构成通路，底部的电极是一个平坦的金属薄膜，这种特殊的结构能够快速的吸收水并蒸发薄膜上的大部分水蒸气，适合于吸收传感器表面的每个区域的水。给出 2 半理想混合介质常数公式： 33/113/122 和 2分别是聚酰亚胺和水的介质常数， 算机仿真后，（考虑到几何结构，给 1 和 2 分别赋值， 1= 2=80 并参照合适的理想常数）这种设备对于不同的温度电容表达式 这里 X 为相对湿度。在图 2 中画出了它的立体曲线。图上的点是测量的数据点，可以看出实验数据和理想曲线是相一致的。位于相对湿度为 100%处的三个点说明浓缩水的聚酰亚胺的影响已达到了饱和。幸运的是，一个婴儿呼吸的空气湿度的范围为 70%到 95%。这种设备具有良好的湿度稳定性。 报道过各种聚酰亚胺对呼吸水的浓缩是独立于温度和厚度的。 经发现聚酰亚胺的介质常数在 50180 的温度范围内是不依赖于温度的。传感器的响应时间在 30s 以内（吸收水份的时间约为 6S，蒸发水份的时间比较长）。考虑到所吸收空气水分的范围非常小，响应时间的影响是可以忽略不计的。 用到的另一种设备是微型单臂桥气流传感器如图 3 所示。它基本上是单片硅片上的集成导线微型机构。它的活跃元素被提供的电压（或当前的电源）加热到超过周围温度。这种桥电路是对称的。在原理上，对周围的任何温度余数值应是平衡的，然而，桥周围的气流对桥臂进行冷却，这些臂和气流是正交的。这时，把桥设置成不恒定，并对应于气流的流速给出一个输出电压。为了当 桥臂被流过的液氖流冷却时，增加电阻的变化率，应用了一种高度混合物，代替了普通的半导体中的轻度混合物。我们知道，对于普通的轻度混合物，主要影响电阻温度常数的因素是载波迁移率。古典上它主要按着温度的 3/2 次幕指数进行变化，桥臂电阻 R 可以表示为R 3/2。这里 C 是比例常数。显然，电阻的湿度系数非常小，因此对气流的敏感度也小，对电阻湿度小的问题的解决是用高度混合物。这里高度混合物不包含离子化的指数模式进行变化。（就像轻度混合物在液氖温度中一样）于是，我们得到： R=E/这里 B 是比 例常数，E 是轻度混合物的特征活跃能量， K 是 数。在公式当中， T3/2项和指数项比较起来，是可以忽略不计的。这样就可以提高 100000%湿度敏感度。磷金合金常常被用作高度混合物。热量短暂问题是通过把具有金涂料的电阻加以相互独立和用化学的方法在桥臂周围蚀刻各向异性的硅材料来解决的。为了提高系统的响应速度，通过在晶片的背面蚀刻各向 3 异性的薄膜来减少桥材料。最后，气流传感器的响应时间可以降到微秒级范围内。图 4 画出了一个桥臂（蚀刻 的硅晶片）在不同驱动电源下的响应。它的灵敏度和线性度都是 非常好的，适合于对婴儿的呼吸检测。 3. 对检测系统的描述 上面描述的两种传感器由于它们独特的特性：体积小、温度稳定性高和容易保持，很适合应用于婴儿的呼吸检测系统。为了检测呼吸气体的湿度，把湿度传感器放在一个振荡器中（用的是 555定时器）输出频率相对于传感器的相对湿度。校验了的湿度计具有 3%的精确度，这很好的达到了我们的目的。气流传感器被滤波电路和整形电路进行处理（为了消除不宽于 1脉冲宽度的偏移）。被处理了的信号是和输入相对应的。单片机能够记录呼吸的湿度和呼吸率。当呼吸超过允许的范围时，它可以报警。这样， 就可以让医生和护士们知道婴儿实际的呼吸状况（太快或太慢，太干或太湿，危险趋势和另外一些紧急状况）通过询问儿科医师，一系列危急参数已被公式化出来，并且存储于中央处理器中。这数参数包括正常的呼吸率，对没有呼吸、太快、太慢的呼吸进行报警，还有湿度范围。这些系统也适用于给其它的状况进行报警，报警点可以人为设置来满足个人需要和医师们的喜好。图 5 画出了检测系统的结构图。主要的设备是一片51 单片机。它可以进行数据采集，危急值设定、比较、报警和显示。一个彩色的阴极发射线试管检测器用于以形象的图表形式实时显示实际的湿 度变化和呼吸率相关数据和危急报警显示如：太快、太慢、太湿、太干、从慢到快和从快到慢。所有不同的危急信号都伴有不同的报警声音。婴儿正常的呼吸率约为每分钟 44 次。 4. 结论 我们已经介绍了一种价格便宜、体积微小且具有智能化的系统。医生和护士可以把它当成诊断病情的顾问。系统用到了两种传感器。一个聚酰亚胺基传感器和一个气流传感器。系统多项功能如：呼吸率、湿度值显示、越限报警显示、危急趋势报警显示等都基本上满足了诊断新生婴儿的要求。尤其为用用户设计的个人手动设置报警功能对医学实践是非常有用的。 致谢 作者感谢 授在作者设计此系统和准备阶 4 段所给予的帮助和鼓励。 温度测量 1. 概论 温度可能是最广泛应用的物理量。 1595年发明了第一个温度计而给予很高的荣誉。好多年过去了，技术得到了提高。现在市场上有很多高精度和高可靠性的温度计。新的测量原理出现了，现在的原理也在得到不断的提高。这部分，给出了一些选择合适温度测量设备的基本知识。然而，选择仪器对使用者的经验进行考虑是必要的。在过程应用中，典型的温度测量系统包含了热电偶套管，测量物体，一些补偿线和一个温度变送器（当 地或远程）。温度测量物通常有一个弹簧机构，以确保测量物体的尖部和筒的内底得到确切的连接。 2. 安装好了的系统 一个安装好了的系统包含了一些金属物体。有：一个球状物，小直径试管（被认为是毛细的）和一个 簧。一个指示器连接在 常常用风箱和薄膜来代替。此系统填充了液体或气体。随着球状物测得的温度的升高或降低，这些气体或液体会膨胀或收缩，这种膨胀或收缩转变成了机械移动，液体引起了体积改变，气体引起了压力改变。 应用 这种类型的温度测量常用于当地温度指示。多年过去了，它的 应用已降低了，但现在仍旧有些应用。这种设备是充液管式温度计改善来的。不需要给它提供能量。简单，坚固，是自封装的。并且在很窄的温度范围内是准确的。但是球体太大了，以至于不能适合现在的应用。一旦小球不能工作后，整个系统必须重新改换（这是昂贵的）。而且毛细试管被限制在250 共英尺内（ 80 米），此系统整体来说响应慢，且相对来说贵。它易受毛细试管周围温度的影响。并且经常要对周围温度进行补偿，为了确保精确，这些测量装置必须自由泄漏。因此经常检测和测试是必要的。毛细试管应该经常维护和保护，以免损坏。再者，制作毛细试管的材 料应和周围的环境相一致。最后，小球必须充分的沉浸，以确保测量到实际温度。 3. 热电偶 1821 年， 现当两种不同的金属连接在一起时，就会在 5 热金属和冷金属（参考点）的连接处产生热电势（例如 100时，在两连接点产生了 40V）。温度越高，产生的热电势越高。以前，冷连接点实际上是浸泡在冰池里的，这样做是为了保持参考温度的稳定。现在，电路已经代替了这种冰池。理论上，任何两种不同的金属都可以制成热电偶，如图 而，基于温度变化的响应特性（即，灵敏度）而只有一些被应用。典型的裸露的热 电偶的响应时间是从 12s。制造的热电偶线是用来连接的。往往比较贵。这样，它本身的应用只限制在探测器本身。热电偶的补偿线应统一于热电偶，它用于连接被测量设备或变送器。现代的电子革命已经制出了足够小的变送器。可以封装在热电偶箱（或头）中，这样安排的好处是可以避免长距离的传送非常小的热电势。这样低的电信号易受噪声干扰。 应用 有三种基本类型的热电偶结构 陶制球状。 绝缘的（塑料玻璃或陶制纤维）他们常常是凸出的。 金属外壳矿物绝缘型。这种外壳通常是不锈钢，绝缘矿物质通常是氧化镁或氧化铝。外壳可以很好的保护热 电偶不受外部化学物质和机械的影响。然而由于外壳是单片机构，所以对它们进行剥离和终止比其它类型是更因难的。这种连接点应被焊接或绝缘。热电偶可以制成封装型或裸露型，如果是封装型的，它们可以是接地或不接地的。当接地时，它们的温度响应快（因为得到了良好的温度传递）然而，它们易受噪声的响应（由于电信号的波动影响）。当热电偶不接地时，它们的响应慢，但是电气隔离的。热电偶应在热电偶套管中安装弹簧。以便于尖端和筒底面保持连接。以确保良好的热传递。如果暴露在处面就会获得最快的响应。但导线完全处于未保护状态。热电偶是处于自激励 的，简单，坚固，价格不贵（是 能够广泛的选择物理形式，提供广泛的温度范围。再者，它们能够校准产生特殊曲线。（要额处成本）且容易交换，它们能够快速响应并测量特殊点。 温度在测温元件上是平均的，热电偶是在它尖部测量温度，因此快。然而，热电偶的输出是非线性的且输出的电压信号低。它们需要参考连接点。灵敏度低，在精度上有限制，需要和型号匹配的补偿线。再有，在恶劣环境下、使用不当、时间不对的情况下，热电偶就会变坏。热电偶易受信号波动的影响。需要放大电路，然而，放大电路会错 6 误指示热电偶。像超越上限或超 下限指示。氧化和大气压的降低会对此类型热电偶的应用产生影响。然而，如果测温元件用热电偶套管来保护，那么这种影响是可以忽略的。