CN2720441Y - 超声波空气探测器 - Google Patents

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马玉山
李学军
吴明辉
王子成
王海东
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Ningxia Yinxing Energy Co ltd
Wuzhong Instrument Co Ltd
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Abstract

本实用新型涉及一种医用探测器，特别涉及一种用超声波检测输血管路中是否含有空气的超声波空气探测器，包括探头、超声波发射和接收电路，其特征在于上述探头内部中空，在上述探头顶端中间开有与输液管径相适应的U型槽，在上述探头内腔的左右U型槽壁上分别安装有压电晶片I、II，上述两个压电晶片I、II的引线端又分别与能调节检测气泡大小参数的超声波发射和接收电路相连接。本实用新型相对同类产品而言，结构和制作工艺比较简单，抗干扰能力强、探测准确、稳定性更好，电路实现起来简单可靠，还可利用电位器调节检测气泡大小的参数，使本实用新型的检测精度更高。本实用新型设计合理、易生产、成本低，有利于推广应用。

Description

超声波空气探测器
技术领域
本实用新型涉及一种医用探测器，特别是涉及一种用超声波检测输血管路中是否含有空气的超声波空气探测器。
背景技术
自体血液采集，分离技术以其可以避免因异体输血而引起血液污染、交叉感染、排异反应，缓解供血压力等优点，具有积极的社会意义，在美国和其他发达国家和地区被认可并普遍推广。近年来，此项技术引入我国，利用此项技术的各种血液采集分离仪器逐一出现在市场上，且已初具规模。在采集和分离血液时必须注意的一个事项，严格控制空气混入血液中，以免对患者构成生命威胁。所以怎样快速准确地检测出血液中的空气成为关键问题之一。
对于输血管路中是否含有气泡的检测，现有设备中一般采用：电容式，光电式等进行检测。但是其中电容式的传感器极易受到电磁干扰，在电磁场较强的场合下无法可靠稳定工作；光电式传感器是利用红外线技术来探测输血管路中的空气，红外线受管路中介质的颜色、温度和环境温度、自然光强的影响很大，使红外线的应用受到很多限制，目前，出现一种超声波式传感器，它是利用超声波的频率高、穿透能力强，良好的定向传播性等特性来工作的，它完全不受电磁干扰，环境温度和自然光强等外界因素的影响。但现有的超声波式传感器检测气泡大小精度不可调，其检测精度不高。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述缺陷而提供一种高精度，可调节检测气泡大小参数的适于自体血液采集方面应用的超声波空气探测器。
为实现本实用新型的目的所采用的技术方案如下：
一种超声波空气探测器，包括探头、超声波发射和接收电路，其特征在于上述探头内部中空，在上述探头顶端中间开有与输液管径相适应的U型槽，在上述探头内腔的左右U型槽壁上分别安装有压电晶片，上述两个压电晶片的引线端又分别与能调节检测气泡大小参数的超声波发射和接收电路相连接。
上述超声波发射和接收电路由超声波发射电路和超声波接收电路组成，上述超声波发射电路由NE555组成多谐振荡器，产生方波脉冲，后驱动三极管，使三极管输出方波脉冲至发射晶片，上述超声波接收电路由压电晶片与电感L并联构成并联谐振回路产生谐振信号经放大器放大后，由可调节比较信号的比较器比较输出方波信号或低电平，比较器输出的信号经信号转换电路转换成高、低电平，上述高、低电平再经线路输入计算机进行相应处理。
在上述比较器的比较标准电压的输入端连接有电位器。
上述信号转换电路由计数器和基本RS触发器组成，计数器U5A的第1脚引入NE555的输出脉冲，计数器U3A的第一脚引入比较器比较后输出脉冲，分别经过一定的分频比较后由RS触发器的R、S端引入信号，在Q端输出高低电平。上述高、低电平再经三极管输入到计算机进行相应处理。
上述探头为圆柱形。
上述探头顶端U型槽一侧还开有小孔。
上述探头底部还安装有一能固定探头的底座。
上述探头底座上开有一与探头内腔相通的孔。
该实用新型优点在于：
1、使用的材料为一般常用材料(压电陶瓷)，结构和制作工艺相对同类产品都比较简单，但性能相当。
2、抗干扰能力强、探测准确、稳定性更好，可以应用到情况较为恶劣的环境中。
3、电路实现起来简单可靠，利用电位器可调节检测气泡大小的参数，使本实用新型的检测精度更高。
本实用新型设计合理、结构简单、易生产、成本低，有利于推广应用。
附图说明
附图1为本实用新型探头结构示意图；
附图2为本实用新型探头结构俯视图；
附图3为本实用新型超声波发射和接收电路电气原理图。
具体实施方式
结合附图对本实用新型作进一步的说明：
本实用新型超声波空气探测器实体包括探头和超声波发射和接收电路两部分。
如图1、2所示，探头1外型为圆柱形，其顶端开有用于安装需要探测的输液管的U型槽2，所述U型槽2的尺寸可按实际输液管径来确定。顶端一侧留一φ3mm的孔5用于安装工作指示灯。探头1内部中空，用两个压电晶片3、4，并且在压电晶片3、4的两极面上焊接两根细导线后用硬质胶分别平整粘贴在探头1内腔的U型槽2左右两面上，粘贴面之间不能夹有空气，压电晶片3、4为方形10mm×10mm，厚度为1.5mm，尺寸可根据管路的不同而不同。我们将平行对放的两个压电晶片3、4，一个作为发射端，一个作为接收端，输血管路夹在这一对压电晶片3、4中间，并且输血管管壁与U型槽2壁充分接触。主要作用是发射和接收超声波，为当输血管路中的物质发生变化时而产生一个超声波变化的信息。所述两个压电晶片3、4分别有引线穿过探头1的底座6上的孔7与超声波发射和接收电路相连。
如图3所示，超声波发射和接收电路由超声波发射电路21和超声波接收电路23构成，所述超声波发射电路21由555电路组成多谐振荡器22，产生频率为120KHZ左右的方波脉冲，后驱动三极管S8050，使三极管可输出+12V的方波脉冲，以提高驱动能力，输出后直接接在压电晶片I3上。在压电晶片I3两极面加上大于18KHz的方波脉冲，压力晶片I3将以同样的频率而发生振动，其振幅为晶片厚度的10-8的数量级，这时就会以垂直于其表面的方向向外发射同频率的超声波。压电晶片I3与压电晶片II4关于中心线对称，当有超声波传播到压电晶片II4，压电晶片II4就会受迫发生机械振动，从而在压电晶片II4两极面上产生以正弦形式变化的电信号。这是利用压电晶片的压电效应，其电荷量或电压与所受到的机械应力和d常数有关，压电晶片I3发射的超声波会以1500m/s的速度穿过输身管路到达压电晶片II4。当超声波从高声阻抗(或低声阻抗)物质入射到低声阻抗(或高声阻抗)物质时要在两物质接触面上发生声波的反射和透射，
    反射系数＝(RA-RB)2/(RA+RB)2
    透射系数＝4RARB/(RA+RB)2
其中RA、RB分别为两物质声特性阻抗，如图一示：超声波从压电晶片I3入射到管路里的血液或盐水中时，要在两接触面上发生反射，反射系数为(1.5*107-1.3*106)2/(1.5*107+1.3*106)2＝0.813，大约有百分之七十的超声波被反射，只剩下百分之三十的声波透射进水中。这百分之三十的声波在水与压电晶片II4的接触面上再次发生大量的反射，我们通过调节超声波的频率来改变超声波的波长，使压电晶片I、II3、4之间距离等于超声波的波长的整数倍时，再次反射波和透射波发生半波长共振，而形成驻波。由于压电晶片I、II3、4是高声阻抗物质，而水是低声阻抗物质，所以驻波的腹点将出现在两压电晶片I、II3、4上。这一共振频率和两压电晶片间的距离L有很大的关系，如果L是6mm，那么发生半波长共振时的超声波波长为12mm，根据公式：频率等于速度除以波长f＝C/λ，可知发生半波长共振时的频率为124KHz左右。因所剩百分之三十的声波被大大加强，在压电晶片II4上将会产生大量的交变电荷。一旦有空气通过该段管路，入射到空气中的声波远远低于百分之三十，并且由于超声波在空气中传播的速度较液体中的速度小(340m/s)，超声波的波长变短，从而破坏了原来通过液体时的半波长共振，压电晶片II4接收到的超声波会变得很弱，压电晶片II4两极面上只能产生较少的交变电荷，通过电荷的多少就能判断出管路中的物质是液体还是空气。
由于探头U型槽壁和输血管路都有一定的厚度，超声波在槽壁与管壁之间也会发生一定的反射，管壁和槽壁都可作半波长共振的反射面，所以超声波频率的实际值往往会偏离理想情况时的计算值。如果把超声波反射面预定为输血管内壁、探头体槽外壁或者是压电晶片II的粘贴面，就可有三种不同频率的半波长共振。
当输血管路中有水或者血液时，在接收压电晶片II4两极面上产生的正弦电压幅值很低且含有丰富的谐波，需要进行放大和滤波，压电晶片II4呈电容性，所以把接收压电晶片II4和一电感并接组成LC振荡电路，用R表示回路的等效损耗电阻，C表示压电晶片II4，L是卧式色环电感，从以上特性来看：只需要很小的电流就可在回路中谐振出大于其本身几十到几百倍的电流来，从而得到谐振出的高电压，由于压力晶片II4的电容值已经确定，不好更改，只有通过选择电感值来选择适当的Q值，Q值理论上可以无穷大，但太大的Q值会缩小频带，为了考虑带声波频率的稳定性，外界等因素的限制和矛盾，Q值不宜选的太大。由于LC并联谐振回路的Q值有限制，谐振后的电压值提高了几十到几百倍，但还是没有达到我们最终的理想值，所以还要对信号进一步放大，采用高速精密的运放OP27构成放大器24来实现，这里我们接成反相电压负反馈的形式，通过电阻元件的合理搭配，得到合适的放大倍数，把信号放大到我们需要的值。由于前面的信号是正弦信号，无法直接送入计算机系统进行处理，还必须把正弦信号转换成数字信号。采用比较器25，将强信号和弱信号之间的某个值选做基准值，这个基准值可通过连接在比较标准电压输入端的电位器27来调节，当过来的信号为较强的正弦波时，经过比较以后可得到方波信号，当过来的信号较弱时，比较器25输出为低电平信号。我们只需要对两种信号进行判断，即两种状态进行判断，此时计算机已经可以进行判断了，只要判断出是方波信号就是有液体，低电平就是有空气了。但计算机辨认方波会使程序略为烦琐，最好是把方波信号进行变换，变换成高电平，和有空气时的低电平对应起来。本实用新型的信号转换电路26采用计数器28，一个基本RS触发器29，分别把转换后的的方波和产生超声波的方波引入，通过一定的逻辑运算，就可把方波信号转换成高电平。U5A的第1脚引入NE555的输出脉冲，U3A的第一脚引入比较器U2A比较后输出脉冲(或高电平)分别经过一定的分频比较后在由U4组成的RS触发器的R、S端引入信号，在Q端输出高低电平。上述高、低电平再输入到计算机可进行相应处理。

Claims (8)

1、一种超声波空气探测器，包括探头(1)、超声波发射和接收电路，其特征在于上述探头(1)内部中空，在上述探头(1)顶端中间开有与输液管径相适应的U型槽(2)，在上述探头(1)内腔的左右U型槽壁上分别安装有压电晶片I、II(3，4)，上述两个压电晶片I、II(3，4)的引线端又分别与能调节检测气泡大小参数的超声波发射和接收电路相连接。
2、根据权利要求1所述的超声波空气探测器，其特征在于上述超声波发射和接收电路由超声波发射电路(21)和超声波接收电路(23)组成，上述超声波发射电路由NE555组成多谐振荡器(22)，产生方波脉冲，后驱动三极管，使三极管输出方波脉冲至压电晶片I(3)，上述超声波接收电路由压电晶片II(4)与电感L并联构成并联谐振回路产生谐振信号经放大器(24)放大后，由可调节比较信号的比较器(25)比较输出方波信号或低电平，比较器(25)输出的信号经信号转换电路(26)转换成高、低电平，上述高、低电平再经线路输入计算机进行相应处理。
3、根据权利要求2所述的超声波空气探测器，其特征在于在上述比较器(25)的比较标准电压的输入端连接有电位器(27)。
4、根据权利要求2所述的超声波空气探测器，其特征在于上述信号转换电路由计数器(28)和基本RS触发器(29)组成，计数器U5A的第1脚引入NE555的输出脉冲，计数器U3A的第一脚引入比较器比较后输出脉冲，分别经过一定的分频比较后由RS触发器的R、S端引入信号，在Q端输出高低电平。上述高、低电平再经三极管输入到计算机进行相应处理。
5、根据权利要求1所述的超声波空气探测器，其特征在于上述探头(1)为圆柱形。
6、根据权利要求1所述的超声波空气探测器，其特征在于上述探头(1)顶端U型槽(2)一侧还开有小孔(5)。
7、根据权利要求1、5或6所述的超声波空气探测器，其特征在于上述探头(1)底部还安装有一能固定探头的底座(6)。
8、根据权利要求7所述的超声波空气探测器，其特征在于上述底座(6)上开有一与探头(1)内腔相通的孔(7)。
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