專利名稱：超聲波空氣探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種醫(yī)用探測器，特別是涉及一種用超聲波檢測輸血管路中是否含有空氣的超聲波空氣探測器。
背景技術(shù)：
自體血液采集，分離技術(shù)以其可以避免因異體輸血而引起血液污染、交叉感染、排異反應(yīng)，緩解供血壓力等優(yōu)點，具有積極的社會意義，在美國和其他發(fā)達國家和地區(qū)被認可并普遍推廣。近年來，此項技術(shù)引入我國，利用此項技術(shù)的各種血液采集分離儀器逐一出現(xiàn)在市場上，且已初具規(guī)模。在采集和分離血液時必須注意的一個事項，嚴格控制空氣混入血液中，以免對患者構(gòu)成生命威脅。所以怎樣快速準確地檢測出血液中的空氣成為關(guān)鍵問題之一。
對于輸血管路中是否含有氣泡的檢測，現(xiàn)有設(shè)備中一般采用電容式，光電式等進行檢測。但是其中電容式的傳感器極易受到電磁干擾，在電磁場較強的場合下無法可靠穩(wěn)定工作；光電式傳感器是利用紅外線技術(shù)來探測輸血管路中的空氣，紅外線受管路中介質(zhì)的顏色、溫度和環(huán)境溫度、自然光強的影響很大，使紅外線的應(yīng)用受到很多限制，目前，出現(xiàn)一種超聲波式傳感器，它是利用超聲波的頻率高、穿透能力強，良好的定向傳播性等特性來工作的，它完全不受電磁干擾，環(huán)境溫度和自然光強等外界因素的影響。但現(xiàn)有的超聲波式傳感器檢測氣泡大小精度不可調(diào)，其檢測精度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服上述缺陷而提供一種高精度，可調(diào)節(jié)檢測氣泡大小參數(shù)的適于自體血液采集方面應(yīng)用的超聲波空氣探測器。
為實現(xiàn)本實用新型的目的所采用的技術(shù)方案如下一種超聲波空氣探測器，包括探頭、超聲波發(fā)射和接收電路，其特征在于上述探頭內(nèi)部中空，在上述探頭頂端中間開有與輸液管徑相適應(yīng)的U型槽，在上述探頭內(nèi)腔的左右U型槽壁上分別安裝有壓電晶片，上述兩個壓電晶片的引線端又分別與能調(diào)節(jié)檢測氣泡大小參數(shù)的超聲波發(fā)射和接收電路相連接。
上述超聲波發(fā)射和接收電路由超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路組成，上述超聲波發(fā)射電路由NE555組成多諧振蕩器，產(chǎn)生方波脈沖，后驅(qū)動三極管，使三極管輸出方波脈沖至發(fā)射晶片，上述超聲波接收電路由壓電晶片與電感L并聯(lián)構(gòu)成并聯(lián)諧振回路產(chǎn)生諧振信號經(jīng)放大器放大后，由可調(diào)節(jié)比較信號的比較器比較輸出方波信號或低電平，比較器輸出的信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成高、低電平，上述高、低電平再經(jīng)線路輸入計算機進行相應(yīng)處理。
在上述比較器的比較標(biāo)準電壓的輸入端連接有電位器。
上述信號轉(zhuǎn)換電路由計數(shù)器和基本RS觸發(fā)器組成，計數(shù)器U5A的第1腳引入NE555的輸出脈沖，計數(shù)器U3A的第一腳引入比較器比較后輸出脈沖，分別經(jīng)過一定的分頻比較后由RS觸發(fā)器的R、S端引入信號，在Q端輸出高低電平。上述高、低電平再經(jīng)三極管輸入到計算機進行相應(yīng)處理。
上述探頭為圓柱形。
上述探頭頂端U型槽一側(cè)還開有小孔。
上述探頭底部還安裝有一能固定探頭的底座。
上述探頭底座上開有一與探頭內(nèi)腔相通的孔。
該實用新型優(yōu)點在于1、使用的材料為一般常用材料(壓電陶瓷)，結(jié)構(gòu)和制作工藝相對同類產(chǎn)品都比較簡單，但性能相當(dāng)。
2、抗干擾能力強、探測準確、穩(wěn)定性更好，可以應(yīng)用到情況較為惡劣的環(huán)境中。
3、電路實現(xiàn)起來簡單可靠，利用電位器可調(diào)節(jié)檢測氣泡大小的參數(shù)，使本實用新型的檢測精度更高。
本實用新型設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單、易生產(chǎn)、成本低，有利于推廣應(yīng)用。


附圖1為本實用新型探頭結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為本實用新型探頭結(jié)構(gòu)俯視圖；附圖3為本實用新型超聲波發(fā)射和接收電路電氣原理圖。
具體實施方式
結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的說明本實用新型超聲波空氣探測器實體包括探頭和超聲波發(fā)射和接收電路兩部分。
如圖1、2所示，探頭1外型為圓柱形，其頂端開有用于安裝需要探測的輸液管的U型槽2，所述U型槽2的尺寸可按實際輸液管徑來確定。頂端一側(cè)留一φ3mm的孔5用于安裝工作指示燈。探頭1內(nèi)部中空，用兩個壓電晶片3、4，并且在壓電晶片3、4的兩極面上焊接兩根細導(dǎo)線后用硬質(zhì)膠分別平整粘貼在探頭1內(nèi)腔的U型槽2左右兩面上，粘貼面之間不能夾有空氣，壓電晶片3、4為方形10mm×10mm，厚度為1.5mm，尺寸可根據(jù)管路的不同而不同。我們將平行對放的兩個壓電晶片3、4，一個作為發(fā)射端，一個作為接收端，輸血管路夾在這一對壓電晶片3、4中間，并且輸血管管壁與U型槽2壁充分接觸。主要作用是發(fā)射和接收超聲波，為當(dāng)輸血管路中的物質(zhì)發(fā)生變化時而產(chǎn)生一個超聲波變化的信息。所述兩個壓電晶片3、4分別有引線穿過探頭1的底座6上的孔7與超聲波發(fā)射和接收電路相連。
如圖3所示，超聲波發(fā)射和接收電路由超聲波發(fā)射電路21和超聲波接收電路23構(gòu)成，所述超聲波發(fā)射電路21由555電路組成多諧振蕩器22，產(chǎn)生頻率為120KHZ左右的方波脈沖，后驅(qū)動三極管S8050，使三極管可輸出+12V的方波脈沖，以提高驅(qū)動能力，輸出后直接接在壓電晶片I3上。在壓電晶片I3兩極面加上大于18KHz的方波脈沖，壓力晶片I3將以同樣的頻率而發(fā)生振動，其振幅為晶片厚度的10-8的數(shù)量級，這時就會以垂直于其表面的方向向外發(fā)射同頻率的超聲波。壓電晶片I3與壓電晶片II4關(guān)于中心線對稱，當(dāng)有超聲波傳播到壓電晶片II4，壓電晶片II4就會受迫發(fā)生機械振動，從而在壓電晶片II4兩極面上產(chǎn)生以正弦形式變化的電信號。這是利用壓電晶片的壓電效應(yīng)，其電荷量或電壓與所受到的機械應(yīng)力和d常數(shù)有關(guān)，壓電晶片I3發(fā)射的超聲波會以1500m/s的速度穿過輸身管路到達壓電晶片II4。當(dāng)超聲波從高聲阻抗(或低聲阻抗)物質(zhì)入射到低聲阻抗(或高聲阻抗)物質(zhì)時要在兩物質(zhì)接觸面上發(fā)生聲波的反射和透射，反射系數(shù)＝(RA-RB)2/(RA+RB)2透射系數(shù)＝4RARB/(RA+RB)2其中RA、RB分別為兩物質(zhì)聲特性阻抗，如圖一示超聲波從壓電晶片I3入射到管路里的血液或鹽水中時，要在兩接觸面上發(fā)生反射，反射系數(shù)為(1.5*107-1.3*106)2/(1.5*107+1.3*106)2＝0.813，大約有百分之七十的超聲波被反射，只剩下百分之三十的聲波透射進水中。這百分之三十的聲波在水與壓電晶片II4的接觸面上再次發(fā)生大量的反射，我們通過調(diào)節(jié)超聲波的頻率來改變超聲波的波長，使壓電晶片I、II3、4之間距離等于超聲波的波長的整數(shù)倍時，再次反射波和透射波發(fā)生半波長共振，而形成駐波。由于壓電晶片I、II3、4是高聲阻抗物質(zhì)，而水是低聲阻抗物質(zhì)，所以駐波的腹點將出現(xiàn)在兩壓電晶片I、II3、4上。這一共振頻率和兩壓電晶片間的距離L有很大的關(guān)系，如果L是6mm，那么發(fā)生半波長共振時的超聲波波長為12mm，根據(jù)公式頻率等于速度除以波長f＝C/λ，可知發(fā)生半波長共振時的頻率為124KHz左右。因所剩百分之三十的聲波被大大加強，在壓電晶片II4上將會產(chǎn)生大量的交變電荷。一旦有空氣通過該段管路，入射到空氣中的聲波遠遠低于百分之三十，并且由于超聲波在空氣中傳播的速度較液體中的速度小(340m/s)，超聲波的波長變短，從而破壞了原來通過液體時的半波長共振，壓電晶片II4接收到的超聲波會變得很弱，壓電晶片II4兩極面上只能產(chǎn)生較少的交變電荷，通過電荷的多少就能判斷出管路中的物質(zhì)是液體還是空氣。
由于探頭U型槽壁和輸血管路都有一定的厚度，超聲波在槽壁與管壁之間也會發(fā)生一定的反射，管壁和槽壁都可作半波長共振的反射面，所以超聲波頻率的實際值往往會偏離理想情況時的計算值。如果把超聲波反射面預(yù)定為輸血管內(nèi)壁、探頭體槽外壁或者是壓電晶片II的粘貼面，就可有三種不同頻率的半波長共振。
當(dāng)輸血管路中有水或者血液時，在接收壓電晶片II4兩極面上產(chǎn)生的正弦電壓幅值很低且含有豐富的諧波，需要進行放大和濾波，壓電晶片II4呈電容性，所以把接收壓電晶片II4和一電感并接組成LC振蕩電路，用R表示回路的等效損耗電阻，C表示壓電晶片II4，L是臥式色環(huán)電感，從以上特性來看只需要很小的電流就可在回路中諧振出大于其本身幾十到幾百倍的電流來，從而得到諧振出的高電壓，由于壓力晶片II4的電容值已經(jīng)確定，不好更改，只有通過選擇電感值來選擇適當(dāng)?shù)腝值，Q值理論上可以無窮大，但太大的Q值會縮小頻帶，為了考慮帶聲波頻率的穩(wěn)定性，外界等因素的限制和矛盾，Q值不宜選的太大。由于LC并聯(lián)諧振回路的Q值有限制，諧振后的電壓值提高了幾十到幾百倍，但還是沒有達到我們最終的理想值，所以還要對信號進一步放大，采用高速精密的運放OP27構(gòu)成放大器24來實現(xiàn)，這里我們接成反相電壓負反饋的形式，通過電阻元件的合理搭配，得到合適的放大倍數(shù)，把信號放大到我們需要的值。由于前面的信號是正弦信號，無法直接送入計算機系統(tǒng)進行處理，還必須把正弦信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。采用比較器25，將強信號和弱信號之間的某個值選做基準值，這個基準值可通過連接在比較標(biāo)準電壓輸入端的電位器27來調(diào)節(jié)，當(dāng)過來的信號為較強的正弦波時，經(jīng)過比較以后可得到方波信號，當(dāng)過來的信號較弱時，比較器25輸出為低電平信號。我們只需要對兩種信號進行判斷，即兩種狀態(tài)進行判斷，此時計算機已經(jīng)可以進行判斷了，只要判斷出是方波信號就是有液體，低電平就是有空氣了。但計算機辨認方波會使程序略為煩瑣，最好是把方波信號進行變換，變換成高電平，和有空氣時的低電平對應(yīng)起來。本實用新型的信號轉(zhuǎn)換電路26采用計數(shù)器28，一個基本RS觸發(fā)器29，分別把轉(zhuǎn)換后的的方波和產(chǎn)生超聲波的方波引入，通過一定的邏輯運算，就可把方波信號轉(zhuǎn)換成高電平。U5A的第1腳引入NE555的輸出脈沖，U3A的第一腳引入比較器U2A比較后輸出脈沖(或高電平)分別經(jīng)過一定的分頻比較后在由U4組成的RS觸發(fā)器的R、S端引入信號，在Q端輸出高低電平。上述高、低電平再輸入到計算機可進行相應(yīng)處理。
權(quán)利要求1.一種超聲波空氣探測器，包括探頭(1)、超聲波發(fā)射和接收電路，其特征在于上述探頭(1)內(nèi)部中空，在上述探頭(1)頂端中間開有與輸液管徑相適應(yīng)的U型槽(2)，在上述探頭(1)內(nèi)腔的左右U型槽壁上分別安裝有壓電晶片I、II(3，4)，上述兩個壓電晶片I、II(3，4)的引線端又分別與能調(diào)節(jié)檢測氣泡大小參數(shù)的超聲波發(fā)射和接收電路相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波空氣探測器，其特征在于上述超聲波發(fā)射和接收電路由超聲波發(fā)射電路(21)和超聲波接收電路(23)組成，上述超聲波發(fā)射電路由NE555組成多諧振蕩器(22)，產(chǎn)生方波脈沖，后驅(qū)動三極管，使三極管輸出方波脈沖至壓電晶片I(3)，上述超聲波接收電路由壓電晶片II(4)與電感L并聯(lián)構(gòu)成并聯(lián)諧振回路產(chǎn)生諧振信號經(jīng)放大器(24)放大后，由可調(diào)節(jié)比較信號的比較器(25)比較輸出方波信號或低電平，比較器(25)輸出的信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路(26)轉(zhuǎn)換成高、低電平，上述高、低電平再經(jīng)線路輸入計算機進行相應(yīng)處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波空氣探測器，其特征在于在上述比較器(25)的比較標(biāo)準電壓的輸入端連接有電位器(27)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波空氣探測器，其特征在于上述信號轉(zhuǎn)換電路由計數(shù)器(28)和基本RS觸發(fā)器(29)組成，計數(shù)器U5A的第1腳引入NE555的輸出脈沖，計數(shù)器U3A的第一腳引入比較器比較后輸出脈沖，分別經(jīng)過一定的分頻比較后由RS觸發(fā)器的R、S端引入信號，在Q端輸出高低電平。上述高、低電平再經(jīng)三極管輸入到計算機進行相應(yīng)處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波空氣探測器，其特征在于上述探頭(1)為圓柱形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波空氣探測器，其特征在于上述探頭(1)頂端U型槽(2)一側(cè)還開有小孔(5)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、5或6所述的超聲波空氣探測器，其特征在于上述探頭(1)底部還安裝有一能固定探頭的底座(6)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲波空氣探測器，其特征在于上述底座(6)上開有一與探頭(1)內(nèi)腔相通的孔(7)。
專利摘要本實用新型涉及一種醫(yī)用探測器，特別涉及一種用超聲波檢測輸血管路中是否含有空氣的超聲波空氣探測器，包括探頭、超聲波發(fā)射和接收電路，其特征在于上述探頭內(nèi)部中空，在上述探頭頂端中間開有與輸液管徑相適應(yīng)的U型槽，在上述探頭內(nèi)腔的左右U型槽壁上分別安裝有壓電晶片I、II，上述兩個壓電晶片I、II的引線端又分別與能調(diào)節(jié)檢測氣泡大小參數(shù)的超聲波發(fā)射和接收電路相連接。本實用新型相對同類產(chǎn)品而言，結(jié)構(gòu)和制作工藝比較簡單，抗干擾能力強、探測準確、穩(wěn)定性更好，電路實現(xiàn)起來簡單可靠，還可利用電位器調(diào)節(jié)檢測氣泡大小的參數(shù)，使本實用新型的檢測精度更高。本實用新型設(shè)計合理、易生產(chǎn)、成本低，有利于推廣應(yīng)用。
文檔編號G01N29/26GK2720441SQ20042007332
公開日2005年8月24日 申請日期2004年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月9日
發(fā)明者馬玉山, 李學(xué)軍, 吳明輝, 王子成, 王海東 申請人:吳忠儀表股份有限公司