CN101653627A - 数字式医用超声波气泡探测器 - Google Patents

Abstract

本数字式医用超声波气泡探测器，由发光二极管、发射超声波换能器、探测头、控制电路板、紧固件、信号输出线、后盖、接收超声波换能器构成，探测头顶部有一凹槽，有管路通过，发射超声波换能器及接收超声波换能器为两片参数相同、对称牢固附着于凹槽两侧外壁的压电陶瓷振荡片，发光二极管装于探测头顶部。当管路内充满液体时，发射超声波停止后，管路内存在超声回波脉冲；如有气泡存在，则回波脉冲会立即消失。本发明中电子电路将判断回波脉冲是否符合规定值。符合规定，则判断为液体，点亮探测头顶部发光二极管；不符合规定，判断为气泡，发光二极管熄灭。

Description

数字式医用超声波气泡探测器

技术领域：

本发明涉及一种探测管路流体内气泡的传感装置，特别是一种数字式医用超声波气泡探测器。

背景技术：

现有的测量流体管路内气泡的探测器，有多种光学或连续超声波探测器，其原理均为直接检测透射过管路的光强信号或超声波信号强度，并根据转换后的电压信号的变化来判断管路中是液体还是气泡。其共同的特点是均属于模拟电路范畴，灵敏度调节复杂、对管路材料适应性差，对外界环境因素影响较敏感，与微控制器接口复杂。光学探测方式易受外界光光强干扰，对管路的透明度，颜色的一致性要求极高。在连续超声波探测方式中，超声波发射持续进行，接收器收到的信号中既包含直接穿透管路的透射波，又包含由此波引起的管路内反射回波。两种类型的波交杂在一起，大大增加了所需信号识别难度，造成检测精度低，误报率高，产品调试复杂，一致性差。在一些医学领域，比如人体输液及血液成份回输，上述探测器有可能造成管路中存在的气泡不受控制地进入人体血液循环***，从而引发血液循环***局部空气栓塞，对人体健康造成严重危害。

发明内容：

鉴于现有技术存在的现状，本发明的目的是针对目前现有技术存在的缺陷，设计一种对管路液体中气泡测量精度高、响应及时、不易受外界因素影响、适应性强、调试方便的数字式医用超声波气泡探测传感装置。

本发明通过如下技术措施达到上述目的：

本数字式医用超声波气泡探测器，由发光二极管、发射超声波换能器、探测头、控制电路板、紧固件、信号输出线、后盖、接收超声波换能器构成，探测头顶端开有一凹槽，凹槽内有医用高分子材料管路通过，其特征在于发射超声波换能器及接收超声波换能器为两片参数相同、对称牢固附着于凹槽两侧外壁的压电陶瓷振荡片，发光二极管装于探测头顶部，发射超声波换能器和接收超声波换能器正反两面各引出一组两根连线，与发光二极管连线分别与控制电路板相连，控制电路的信号输出线从后盖底部穿出，控制电路板和后盖通过紧固件与探测头装配成一整体。

上述的控制电路可由信号发生、信号放大滤波、数字信号处理三部分电路组成，信号发生部分由时基，断续波发生电路、超声震荡波发生电路组成；信号放大滤波部分由信号放大电路、回波信号提取电路组成；数字信号处理部分由脉冲计数电路、逻辑判断输出电路组成，时基、断续波发生电路有时基1和时基2两路输出，时基1输出端分别与回波信号提取电路和脉冲计数电路连接，时基2输出端分别与超声震荡波发生电路和脉冲计数电路连接，超声震荡波发生电路的输出端与发射超声波换能器连接，接收超声波换能器的输出端与信号放大电路连接，信号放大电路的输出端与回波信号提取电路连接，回波信号提取电路输出端与脉冲计数电路连接，脉冲计数电路输出端与逻辑判断电路连接，逻辑判断电路的输出端与发光二极管管脚相连。

为了提高抗外界因素干扰能力和提高探测器对存在细微差异的管路适应性，保证可靠检测液体中的气泡，本发明在电子电路中设计了时基，断续波发生电路和超声震荡波发生电路，采用了独特的断续超声波发射，令断续的超声波振荡驱动电信号经发射超声波换能器转换为超声波并发射，穿透凹槽内管路和管路中的被检测液体，由安装于凹槽另一侧的接收超声波换能器接收，同时，时基，断续波发生电路与回波信号提取电路结合，提取分析发射端停止发射超声波瞬间管路中存在的回波信号，完全屏蔽掉直接透射信号的干扰，从接收到的信号中提取出准确可靠的回波信号。

为了保证对高频微弱信号的放大倍数，本发明在信号放大滤波电路中信号放大器使用高增益带宽积的电流型运算放大器，同时，将放大处理后的回波信号，直接转换为数字脉冲信号进行脉冲滤波、计数处理，大大提高了探测器抗干扰能力。该传感器对微小气泡反应快速，可在管路100ml/分钟流速下可靠检测体积≥0.05ml的气泡，响应时间小于30ms。

本发明数字式医用超声波气泡探测器的灵敏度由计数脉冲值来决定。将脉冲计数标准值设置得偏小可提高探测器的敏感程度，反之则降低探测器的敏感程度。计数标准值可通过电子开关切换计数器引脚接线通断来实现。因此本探测器无任何传统可调电阻或电容，降低了调试难度，保证很高的产品一致性。且与微处理器接口也很简单，直接由微处理器控制电子开关即可实现灵敏度的程序控制。

由于本发明采用了压电陶瓷振荡片作为发射、接收换能器件和具有独特结构的电子控制电路，使本发明数字式医用超声波气泡探测器具有检测精度高、生产难度降低，产品一致性好，抗扰性及管路适应性强的显著优点。

附图说明：

图1数字式医用超声波气泡探测器结构示意图

图2控制电路板电路框图

图3信号发生部分电路图

图4信号调理滤波部分电路图

图5数字处理部分电路图

具体实施方式：

实施例1

图1所示是本数字式医用超声波气泡探测器之结构应用。由图可见，本数字式医用超声波气泡探测器由发光二极管1、发射超声波换能器2、发光二极管连线3、发射超声波换能器连线4、探测头5、控制电路板6、紧固件7、信号输出线8、后盖9、接收超声波换能器连线11和接收超声波换能器13构成，探测头5顶端开有一凹槽10，凹槽内有医用高分子材料管路14通过，管路14内为被检测流体12。

发光二极管1安装在探测头5顶端，并通过发光二极管连线3与控制电路板6连接。发射超声波换能器2和接收超声波换能器13对称胶粘在探测头凹槽10两侧外壁。发射超声波换能器2正反两面引出一组共两根发射超声波换能器连线4，并与控制电路板6相连，接收超声波换能器正反两面引出一组共两根接收超声波换能器连线11也与控制电路板6相连。控制电路板的信号输出线8从后盖9底部中央的通孔中穿出。控制电路板6、后盖9通过紧固件7与探测头5装配成一整体。在探测头5顶部中间有一凹槽10，凹槽10内嵌入被测高分子医用管道14，高分子医用管道14内有被检测流体12通过，被检测流体12与探测头5之间由该高分子医用管道14隔离。整个检测过程中检测器件与被测液体不接触。

控制电路板6电路框图如图2所示，由信号发生、信号放大滤波、数字信号处理三大部分组成。信号发生部分产生调制用断续波和超声振荡波，二者在内部调制后通过W1路径驱动发射超声波换能器发出超声波。本实施例中，超声波振荡频率设计为4MHz方波，占空比1∶1，断续调制波频率为45KHz方波，占空比0.82∶1。该波束穿透探测头凹槽10内的医用高分子管道14及管道内的液体12，被接收超声波换能器13接收并转化为微弱电信号，此电信号经由W2路径传送至控制电路板信号放大滤波部分，其幅度被放大并转换为TTL电平数字信号，再结合信号发生部分产生的T1信号进行滤波处理，屏蔽直射波和多次反射波造成的杂散脉冲信号，提取出需要的回波脉冲信号，并由ECHO路径输出至数字信号处理部分。数字信号处理部分结合信号发生部分产生的T1、T2信号对ECHO路径传来的信号进行计数并作出逻辑判断.当接收的回波脉冲计数值小于预设值8时，判断为发现气泡；当接收的回波脉冲计数值大于等于预设值8时，判断为未发现气泡。作出判断后，分别由BK路径、B路径输出供其它控制电路及发光二极管使用。

各部分电路描述如下：

信号发生部分由时基，断续波发生电路和超声振荡波发生电路构成。如图3中，由时基集成电路U1A NE556D和电容C4、电阻R1、R2组成间接反馈型无稳态振荡电路。U1A第5脚输出45KHz方波信号，作为T1信号。由U1B、R3、R6、C6构成脉冲启动型单稳电路，其触发信号由U1A第5脚输出信号提供，该信号输入U1B第8脚作为单稳电路的脉冲启动信号，从而使U1B第9脚输出T2信号，上拉电阻R5、R4使T1、2信号电平符合TTL信号电平。

六反相器74HC04D中的U6A、U6B、R10、R11、C10构成非门自激振荡电路，由该电路产生4MHz超声波振荡信号，由于超声发射是断续进行，电路起振和停振由U1B第9脚输出的T2控制(该控制信号由U6A第1脚输入)，从而形成调制后的超声波振荡信号，该信号经过缓冲后由U6C第6脚和U6D第8脚并联从W1输出，经超声波换能器连线传送到发射超声波换能器，进而驱动发射超声波换能器向接收超声波换能器发出超声波。接收超声波换能器收到超声波信号后，将声波信号转化为电信号，通过接收超声波换能器连线送至控制电路板W2处进行放大滤波，放大滤波电路原理见图4，LM359M电流型双运算放大器U4A、U4B、R13、C9、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20构成两级信号放大，随后由74HC132D四与非门电路中U5A、Q2、R24构成的信号转换电路将此电压信号转换为5V的脉冲信号。该脉冲信号中包含了接收到的当前直接穿透超声波信号、前次的超声回波信号，随后由U5B将U1A第5脚产生的T1信号高电平(＞4.5V)期间接收到的信号提出，此信号即为超声回波脉冲信号，同时将其它不需要的信号脉冲滤除掉，并从ECHO处输出至数字信号处理部分电路U2A的第1脚。

数字信号处理部分电路图见图5，由脉冲计数电路和逻辑判断输出电路2部分组成，脉冲计数电路由74HC393D双4位二进制计数器U2A，U2B及74HC4040D 12位同步二进制计数器U3组成，首先由U2A结合U1B第9脚产生的T2信号对输入的二进制脉冲计数，计数值大于规定值后，则产生溢出信号并传入U2B和U3，U2B结合U1A第5脚产生的T1信号对传入的溢出信号进行第二级脉冲计数，若脉冲计数总数大于8则认为管路中充满液体，若管路中存在气泡，则U2A计数值达不到计数下限或超过下限但尚未达到8个，二进制计数器在计数周期内不会输出进位信号，一旦计数周期结束其计数值将归零。U3为12位二进制计数器，它对U2输出的二进制进位信号做12次采样，以避免偶尔的干扰脉冲导致误触发。在12次采样过程中，若U2输出存在一个以上低电平(小于0.5V)即管道内有气泡导致脉冲计数值达不到规定值，则U3输出低电平；若U2持续输出12个高电平(大于0.5V)，即管道内充满液体，则U3输出高电平。U3输出信号和U2B输出信号作为R信号和S信号进入U5C、U5D构成的RS触发器，进行电平逻辑判断。当超声波气泡探测器凹槽内未装管或装入管内为气泡时RS触发器处于复位状态，U5C输出发现空气信号，BK为低电平。U5D输出高电平，发光二极管B电位为高电平，发光二极管熄灭。当装入超声波气泡探测器凹槽内管内充满液体时RS触发器处于置位和保持状态，U5C输出发现液体信号，BK为高电平。U5D输出低电平，使发光二极管B电位为低电平，发光二极管点亮。

Claims (4)

1、数字式医用超声波气泡探测器，由发光二极管(1)、发射超声波换能器(2)、发光二极管连线(3)、发射超声波换能器连线(4)、探测头(5)、控制电路板(6)、紧固件(7)、信号输出线(8)、后盖(9)、接收超声波换能器(13)、接收超声波换能器连线(11)构成，探测头顶端开有一凹槽(10)，凹槽内有医用高分子材料管路(14)通过，其特征在于发射超声波换能器(2)及接收超声波换能器(13)为两片参数相同的压电陶瓷振荡片，该两片压电陶瓷振荡片对称牢固附着于凹槽两侧外壁，发光二极管(1)装于探测头(5)顶部，接收超声波换能器(2)和发射超声波换能器(13)各自的正反两面各有一根连线(4)、(11)，与发光二极管连线(3)分别与控制电路板(6)相连，控制电路板(6)的信号输出线(8)从后盖(9)底部中央穿出，控制电路板(6)、后盖(9)通过紧固件(7)与探测头(5)装配成一整体。

2、根据权利要求1所述的数字式医用超声波气泡探测器，其特征在于控制电路由信号发生、信号放大滤波、数字信号处理三部分电路组成，信号发生部分由时基，断续波发生电路、超声震荡波发生电路组成；信号放大滤波部分由信号放大电路、回波信号提取电路组成；数字信号处理部分由脉冲计数电路、逻辑判断输出电路组成，时基、断续波发生电路有时基1和时基2两路输出端，时基1输出端分别与回波信号提取电路和脉冲计数电路连接，时基2输出端分别与超声震荡波发生电路和脉冲计数电路连接，超声震荡波发生电路的输出端与发射超声波换能器(2)连接，接收超声波换能器(13)的输出端与信号放大电路连接，信号放大电路的输出端与回波信号提取电路连接，回波信号提取电路输出端与脉冲计数电路连接，脉冲计数电路输出端与逻辑判断电路连接，逻辑判断电路的输出端与发光二极管(1)管脚相连。

3、根据权利要求1或2所述的数字式医用超声波气泡探测器，其特征在于超声波换能器的尺寸是10mm×10mm×1mm。

4、根据权利要求1或2所述的数字式医用超声波气泡探测器，其特征在于发射超声波换能器和接收超声波换能器对称牢固粘贴于凹槽两侧外壁。

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