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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.doc

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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.doc

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QuanboZoua,ZhenfengWanga,RongmingLina,JiangtoPangb,ZhiminTanb,XinQianb,LitianLiub,ZhijianLib摘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MCS-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Schubert和Nevin的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1.8-2.2mm。这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15μm宽度的线条和10μm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2Looyenga的半理想混合介质常数公式33/113/122v这里ε1和ε2分别是聚酰亚胺和水的介质常数,V2是部分水的介质常数。计算机仿真后,(考虑到几何结构,给ε1和ε2分别赋值,ε12.9、ε280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CH0.278X1.2753.5333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。Sacher和Susho曾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。Schubert和Nevin已经发现聚酰亚胺的介质常数在50℃-180℃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=CT-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RBT3/2EXPE/KT。这里B是比例常数,E是轻度混合物的特征活跃能量,K是Boltzmann常数。在公式当中,T-3/2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0.25mm厚的硅晶片)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1ms的脉冲宽度的偏移)。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MCS-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H.T.Henderson和J.H.Nevin教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。Galile因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Bourdon弹簧。一个指示器连接在Bourdon试管上用于指示温度,它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,T.J.Seebeck发现当两种不同的金属连接在一起时,就会在

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