專利名稱：基于雙差壓傳感器測(cè)量人體呼吸力學(xué)參數(shù)的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人體呼吸流量以及相關(guān)的呼吸力學(xué)參數(shù)的測(cè)量，尤其涉及利用節(jié)流式差壓流量計(jì)測(cè)量人體呼吸力學(xué)相關(guān)參數(shù)的裝置和方法。
背景技術(shù)：
肺量計(jì)是便攜式肺功能儀的核心組成部分，其關(guān)鍵部件是氣體流量傳感器。目前常用的肺量計(jì)根據(jù)傳感器類型主要分為差壓式、熱線式和渦流旋轉(zhuǎn)式。熱線式肺量計(jì)易損耗、受環(huán)境影響大等缺點(diǎn)。渦流旋轉(zhuǎn)式肺量計(jì)在低流速、小口徑情況下應(yīng)用受到限制。節(jié)流差壓式肺量計(jì)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固、易于復(fù)制，使用期限長(zhǎng)，價(jià)格低廉，目前仍被廣泛使用。節(jié)流差壓式肺量計(jì)是基于質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律。當(dāng)被測(cè)量的氣體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時(shí)，流速在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件產(chǎn)生壓差，氣體流速越大，壓差越大，根據(jù)質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律(伯努力方程)得到對(duì)于同一氣體，流速與壓差存在如下關(guān)系:
(流速)2= ΟΛΡ
其中，△ P是差壓傳感器測(cè)量的一對(duì)取壓孔的壓降，對(duì)于每個(gè)唯一流量傳感器幾何形狀來說，C是唯一的。美國(guó)胸科協(xié)會(huì)建議的肺功能儀測(cè)量呼吸流速范圍為O 14L/s，且分辨率能達(dá)到30mL/s以下。結(jié)合流速與壓降Λ P關(guān)系可知，若只選擇一個(gè)差壓傳感器測(cè)量Λ P，該差壓傳感器不但需要很寬的量程，而且需要很低分辨率，這樣的差壓傳感器造價(jià)是很昂貴的。另夕卜，傳統(tǒng)的節(jié)流式差壓肺量計(jì)還存在壓力損失大，量程比窄等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種低成本、測(cè)量精度高可用于測(cè)量人體呼吸力學(xué)參數(shù)的裝置和方法，以解決現(xiàn)有節(jié)流式差壓流量計(jì)測(cè)量窄、壓力損失大以及高精度流量計(jì)成本高的問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種基于雙差壓傳感器測(cè)量人體呼吸力學(xué)參數(shù)的裝置，包括呈管狀的節(jié)流裝置、兩個(gè)差壓傳感器、兩個(gè)放大電路、兩個(gè)濾波電路、微處理器、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊、控制模塊以及電源模塊。呈管狀的節(jié)流裝置包括有管體，管體的內(nèi)壁中置有一個(gè)開有數(shù)個(gè)孔的孔板，管體外殼和內(nèi)壁之間有兩對(duì)對(duì)稱的取壓孔，每對(duì)取壓孔分別位于孔板的兩側(cè)，且兩對(duì)取壓孔相對(duì)孔板對(duì)稱。每對(duì)取壓孔連接一個(gè)雙向差壓傳感器，其中第一差壓傳感器為大量差壓傳感器，主要測(cè)量高流速氣體，第二差壓傳感器為小量程差壓傳感器，可測(cè)量低流速氣體，第二差壓傳感器的過壓能力大于第一差壓傳感器的量程。第一差壓傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大電路、二階濾波電路最后連接微處理器模擬輸入口 ；第二差壓傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大電路、二階濾波電路最后連接微處理器模擬輸入端；微處理器還連接有控制模塊、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊。微處理器根據(jù)兩個(gè)差壓傳感器采集的差壓值判定有效采集值，處理器還可以將采集的數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)模塊，也可以將處理后的結(jié)果通過顯示模塊展示出來。為了克服傳統(tǒng)孔板永久壓力損失大，渦流帶來噪聲大以及量程比窄等缺點(diǎn)，本發(fā)明的氣體流量計(jì)的孔板采用的是多孔的方式，且兩對(duì)取壓孔構(gòu)成的平面垂直平分孔板所在平面。另外，孔板兩側(cè)的管徑是一致的，避免由于雙向測(cè)量而導(dǎo)致靈敏度存在差異的問題。一種基于權(quán)利要求1所述裝置的測(cè)量人體呼吸力學(xué)參數(shù)的方法，在呼吸過程中，第一差壓傳感器、第二差壓傳感器同步采集，微處理器固化程序自動(dòng)判斷在特定時(shí)刻以哪一支傳感器的輸出作為有效采集信號(hào)，詳細(xì)步驟如下:
(1)設(shè)備上電開機(jī)，系統(tǒng)初始化，微處理器處理此時(shí)經(jīng)過放大、濾波之后的兩個(gè)差壓傳感器的輸出信號(hào)，將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果ADC1(1、ADC20作為兩個(gè)差壓傳感器各自的零點(diǎn)；
(2)控制模塊向微處理器發(fā)送采集命令，人體呼吸檢測(cè)開始；第一差壓傳感器和第二差壓差壓傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過放大電路、濾波電路連接到微處理器模擬輸入端，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后分別得到ADCpADC2 ；
(3)微處理器內(nèi)部固化程序根據(jù)步驟(2)中處理結(jié)果ADC2大小判定有效采集信號(hào):當(dāng)ADC2達(dá)到設(shè)定的ADC值A(chǔ)DClev時(shí)，即ADC2 < ADClev時(shí)，第二差壓傳感器采集的差壓信號(hào)對(duì)應(yīng)ADC值A(chǔ)DC2為有效值；當(dāng)ADC2超過設(shè)定的ADC值A(chǔ)DClev時(shí)，即ADC2彡ADClev時(shí)，第一差壓傳感器采集的差壓信號(hào)對(duì)應(yīng)ADC值A(chǔ)DC1為有效值，其中ADClev對(duì)應(yīng)的差壓值小于第二傳感器最大量程；
(4)微處理器根據(jù)根據(jù)步驟(I)得到兩個(gè)差壓傳感器零點(diǎn)ADC值和步驟(3)中得到的有效ADC值換算成差壓值Λ P，由差壓值Λ P繪制出流速-容積曲線，計(jì)算出呼吸力學(xué)相關(guān)參數(shù)。本發(fā)明的工作原理是:
在標(biāo)準(zhǔn)的壓差式流量計(jì)原理上，采用兩個(gè)差壓傳感器同時(shí)測(cè)量壓降ΛΡ。由于兩對(duì)取壓孔所在平面垂直孔板平面，且兩取壓孔之間相互對(duì)稱，第一差壓傳感器和第二差壓傳感器響應(yīng)時(shí)間一致，因而同一時(shí)刻第一差壓傳感器和第二差壓傳感器測(cè)量的壓差應(yīng)相等，即AP1=AP2=AP0由氣體流速與壓降ΛΡ的關(guān)系可知，在低流速段，ΛΡ測(cè)量精度對(duì)氣流影響最大。低流速段的△ P由第二差壓傳感器測(cè)量，第二傳感器量程小，分辨率高，尤其是在低流速段仍能有較好的精度；當(dāng)ΛΡ達(dá)到設(shè)定的差壓APlev (APlev小于第二傳感器最大量程)時(shí)，此時(shí)肺量計(jì)的微處理器將采集通道切換到第一差壓傳感器，第一差壓傳感器雖然精度沒有第二差壓傳感器高，但大量程保證了最大測(cè)量流速，另外由流速與△ P之間的差壓關(guān)系可知，在較高流速段，△ P測(cè)量精度對(duì)流速的影響要遠(yuǎn)小于低流速段。兩差壓傳感器測(cè)量的差壓電信號(hào)經(jīng)過肺量計(jì)的微處理器處理即可得到當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的氣體流速。因此，第一差壓傳感器和第二差壓傳感器組合測(cè)量氣體流速，既保證了最大測(cè)量流速，也實(shí)現(xiàn)了氣體流速的高精度測(cè)量。本發(fā)明的有益效果是:
1、節(jié)流裝置幾何形狀規(guī)范，結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單，成本低；
2、內(nèi)置孔板采用多孔的設(shè)計(jì)方式，降低了標(biāo)準(zhǔn)孔板導(dǎo)致壓力損失大的影響，且孔板左右通道內(nèi)直徑一致，消除了雙向測(cè)量時(shí)存在靈敏度差異的缺陷； 3、采用兩個(gè)差壓傳感器同時(shí)采集差壓信號(hào)，微處理器根據(jù)兩個(gè)差壓傳感器采集的差壓值判定有效采集信號(hào)，在低成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)量氣體流速。


本發(fā)明裝置實(shí)施例結(jié)合附圖加以說明，其中:
圖1是本發(fā)明基于雙差壓傳感器測(cè)量人體呼吸力學(xué)參數(shù)的裝置示意圖。圖2是圖1中節(jié)流裝置的孔板結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明裝置獲取有效信號(hào)方法流程圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例:
如圖1，一種基于雙差壓傳感器測(cè)量人體呼吸力學(xué)參數(shù)的裝置，由呈管狀的節(jié)流裝置、兩個(gè)差壓傳感器13和14、兩個(gè)放大電路20和30、兩個(gè)濾波電路40和50、微處理器100、顯示模塊60、存儲(chǔ)模塊70、控制模塊80以及電源模塊90構(gòu)成。呈管狀的節(jié)流裝置包括有管體17，管體17的內(nèi)壁18絕對(duì)光滑，管體17內(nèi)部有一個(gè)孔板15，孔板15左右的管道內(nèi)徑完全一致，孔板15采用多孔的方式；管體17與內(nèi)壁18之間有兩對(duì)對(duì)稱的取壓孔11、11’、12、12’，兩對(duì)取壓孔11、11’、12、12’對(duì)稱分布于孔板15的兩側(cè)；取壓孔11連接第一差壓傳感器13的低壓輸入口，取壓孔11’連接第一差壓傳感器13的高壓輸入口 ；取壓孔12連接第二差壓傳感器14低壓輸入口，取壓孔12’連接第二差壓傳感器14高壓輸入口 ；第一差壓傳感器13屬于大量程傳感器，可測(cè)量高流速氣體；第二差壓量程小、分辨率高、零點(diǎn)漂移小，主要測(cè)量低流速氣體，且其過壓能力高于`第一差壓傳感器13的量程；第一差壓傳感器13和第二差壓傳感器14均為雙向傳感器，且響應(yīng)時(shí)間一致；兩差壓傳感器同時(shí)采集差壓信號(hào)經(jīng)放大電路20和30、濾波電路40和50輸送至微處理器100模擬輸入端，微處理器100同時(shí)處理兩差壓傳感器采集的信號(hào)，并根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的兩路采集差壓值大小判定有效采集信號(hào)。圖2是圖1中節(jié)流裝置的孔板15結(jié)構(gòu)圖?？装?5中最大直徑孔位于孔板中央處，其余小孔對(duì)稱分布在大孔四周，且取壓孔11和12所在平面垂直平分孔板15。圖示3為本發(fā)明裝置獲取有效信號(hào)方法流程圖。第一差壓傳感器13屬于大量程傳感器，用于檢測(cè)呼吸過程中高速段氣體流速；第二差壓傳感器14量程小、分辨率高、零點(diǎn)漂移小，用于檢測(cè)呼吸過程中低速段的氣體速度。兩個(gè)傳感器響應(yīng)時(shí)間一致，在呼吸過程中，兩支傳感器同步采集，微處理器100固化程序自動(dòng)判斷在特定時(shí)刻以哪一支傳感器的輸出作為有效采集信號(hào)，詳細(xì)步驟如下:
Cl)設(shè)備上電開機(jī)，系統(tǒng)初始化，微處理器100處理此時(shí)經(jīng)過放大、濾波之后的兩個(gè)差壓傳感器的輸出信號(hào)，將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果ADC1(1、ADC20作為兩個(gè)差壓傳感器各自的零點(diǎn)；
(2)控制模塊80向微處理器100發(fā)送采集命令，人體呼吸檢測(cè)開始；第一差壓傳感器13和第二差壓差壓傳感器14的輸出信號(hào)經(jīng)過放大電路、濾波電路連接到微處理器100模擬輸入端，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后分別得到ADQ、ADC2 ；
(3)微處理器100內(nèi)部固化程序根據(jù)步驟(2)中處理結(jié)果ADC2大小判定有效采集信號(hào):當(dāng)ADC2達(dá)到設(shè)定的ADC值A(chǔ)DClev(ADClev對(duì)應(yīng)的差壓信號(hào)值應(yīng)小于第二傳感器最大量程)時(shí)，即ADC2 < ADClev時(shí)，第二差壓傳感器采集的差壓信號(hào)對(duì)應(yīng)ADC值A(chǔ)DC2為有效值；當(dāng)ADC2超過設(shè)定的ADC值A(chǔ)DClev (ADClev對(duì)應(yīng)的差壓信號(hào)值應(yīng)小于第二傳感器最大量程)時(shí)，即ADC2彡ADClev時(shí)，第一差壓傳感器采集的差壓信號(hào)對(duì)應(yīng)ADC值A(chǔ)DC1為有效值；
(4)微處理器100根據(jù)根據(jù)步驟(I)得到兩個(gè)差壓傳感器零點(diǎn)ADC值和步驟(3)中得到的有效ADC值換算成差壓信號(hào)值ΛΡ，由差壓信號(hào)值ΛΡ繪制出流速-容積曲線，計(jì)算出呼吸力學(xué)相關(guān)參數(shù)。其中ADClev為預(yù)先設(shè)定值，ADClev的大小取決于第一差壓傳感器和第二差壓傳感器的量程和精度。本發(fā)明的獲取氣體流速方法是借助于安裝在節(jié)流裝置上的兩個(gè)不同量程的差壓傳感器，第一差壓傳感器13屬于大量程傳感器，可測(cè)量高流速氣體，第二差壓傳感器14量程小，分辨率高、零點(diǎn)漂移小，主要測(cè)量低流速氣體，微處理器100的A/D模塊同時(shí)處理兩個(gè)傳感器的輸出信號(hào)，根據(jù)采集的差壓值判定有效采集信號(hào)。實(shí)踐證明，兩種差壓傳感器的有效結(jié)合成功的實(shí)現(xiàn)了在低 成本的基礎(chǔ)上做到高精度測(cè)量人體呼吸力學(xué)的相關(guān)參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于雙差壓傳感器測(cè)量人體呼吸力學(xué)參數(shù)的裝置，其特征在于:包括有呈管狀的節(jié)流裝置，呈管狀的節(jié)流裝置包括有管體(17),管體(17)的內(nèi)壁(18)中置有一個(gè)開有數(shù)個(gè)孔的孔板(15)，管體(17)與內(nèi)壁(18)之間有兩對(duì)對(duì)稱的取壓孔(11，11’)(12，12’)，兩對(duì)取壓孔(11，11’)(12，12’)對(duì)稱分布于孔板(15)的兩側(cè)，且兩對(duì)取壓孔(11，11’)(12，12 ’)所在平面垂直平分孔板；取壓孔(11)連接第一差壓傳感器(13 )的低壓輸入口，取壓孔(11’)連接第一差壓傳感器(13)的高壓輸入口 ；取壓孔(12)連接第二差壓傳感器(14)低壓輸入口，取壓孔(12’)連接第二差壓傳感器(14)高壓輸入口 ；所述第一差壓傳感器(13)輸出信號(hào)經(jīng)放大電路(20)、二階濾波電路(40)最后連接微處理器(100)模擬輸入口 ；第二差壓傳感器(14)輸出信號(hào)經(jīng)放大電路(30)、二階濾波電路(50)最后連接微處理器(100)模擬輸入端；微處理器(100)還連接有控制模塊(80)、存儲(chǔ)模塊(70)、顯示模塊(60)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙差壓傳感器測(cè)量人體呼吸力學(xué)參數(shù)的裝置，其特征在于:所述的第一差壓傳感器(13)和第二差壓傳感器(14)均為雙向傳感器；第一差壓傳感器(13)屬于大量程傳感器，用于檢測(cè)呼吸過程中高速段氣體流速；第二差壓傳感器(14)屬于小量程傳感器，用于檢測(cè)呼吸過程中低速段的氣體速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙差壓傳感器測(cè)量人體呼吸力學(xué)參數(shù)的裝置，其特征在于:還包括有電源模塊(90)，電源模塊(90)為第一差壓傳感器(13)、第二差壓傳感器(14)和各電路模塊供電。
4.一種基于權(quán)利要求1所述裝置的測(cè)量人體呼吸力學(xué)參數(shù)的方法，其特征在于:在呼吸過程中，第一差壓傳感器(13)、第二差壓傳感器(14)同步采集，微處理器(100)固化程序自動(dòng)判斷在特定時(shí)刻以哪一支傳感器的輸出作為有效采集信號(hào)，詳細(xì)步驟如下: (I)設(shè)備上電開機(jī)，系統(tǒng)初始化，微處理器(100)處理此時(shí)經(jīng)過放大、濾波之后的兩個(gè)差壓傳感器的輸出信號(hào)，將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果ADC1(1、ADC20作為兩個(gè)差壓傳感器各自的零點(diǎn)； (2 )控制模塊(80 )向微處理器(100 )發(fā)送采集命令，人體呼吸檢測(cè)開始；第一差壓傳感器(13)和第二差壓差壓傳感器(14)的輸出信號(hào)經(jīng)過放大電路、濾波電路連接到微處理器(100)模擬輸入端，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后分別得到ADCp ADC2 ； (3)微處理器(100)內(nèi)部固化程序根據(jù)步驟(2)中處理結(jié)果ADC2大小判定有效采集信號(hào):當(dāng)ADC2達(dá)到設(shè)定的ADC值A(chǔ)DClev時(shí)，即ADC2 < ADClev時(shí)，第二差壓傳感器采集的差壓信號(hào)對(duì)應(yīng)ADC值A(chǔ)DC2為有效值；當(dāng)ADC2超過設(shè)定的ADC值A(chǔ)DClev時(shí)，即ADC2彡ADClev時(shí)，第一差壓傳感器采集的差壓信號(hào)對(duì)應(yīng)ADC值A(chǔ)DC1為有效值，其中ADClev對(duì)應(yīng)的差壓值小于第二傳感器最大量程； (4)微處理器(100)根據(jù)根據(jù)步驟(I)得到兩個(gè)差壓傳感器零點(diǎn)ADC值和步驟(3)中得到的有效ADC值換算成差壓值ΛΡ，由差壓值ΛΡ繪制出流速-容積曲線，計(jì)算出呼吸力學(xué)相關(guān)參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙差壓傳感器測(cè)量人體呼吸力學(xué)參數(shù)的裝置和方法，包括呈管狀的節(jié)流裝置、第一差壓傳感器和第二差壓傳感器、兩個(gè)放大電路以及兩個(gè)濾波電路，其中節(jié)流裝置中孔板設(shè)計(jì)采用多孔方式；第一差壓傳感器屬于大量程傳感器，可測(cè)量高流速氣體，第二差壓傳感器量程小，分辨率高、零點(diǎn)漂移小，主要測(cè)量低流速氣體，兩種傳感器均為雙向差壓傳感器；微處理器的A/D模塊同時(shí)處理兩個(gè)傳感器的輸出信號(hào)，根據(jù)采集的差壓信號(hào)值判定有效采集信號(hào)。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，量程大，精度高、壓力損失小，另外節(jié)流裝置內(nèi)徑完全一致，消除了雙向測(cè)量時(shí)存在靈敏度差異的缺陷。
文檔編號(hào)A61B5/08GK103070686SQ20121057050
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者何子軍, 陳焱焱, 唐城 申請(qǐng)人:合肥博諧電子科技有限公司