基于強迫振蕩技術的傳感器測量電路的設計

楊海勇 李國柱 劉華珠

(1.東莞理工學院 電子工程學院，廣東東莞 523808;2.華南理工大學 電子與信息學院，廣州 510640)

強迫振蕩技術 (forced oscillation technique，FOT)檢測呼吸阻力的原理是，通過振蕩發生器產生一個特定頻率和振幅的壓力振蕩，振蕩波施加在受試者的呼吸氣流之上并隨氣流進入氣道和肺組織，測量經氣道和肺組織吸收并折射的振蕩壓力和振蕩流量，利用時域分析技術，計算振蕩壓力和流量的商即可獲得系統的呼吸總阻抗 (impedance，Zrs)，習慣上稱為呼吸阻力，通過對肺部呼吸阻力的分析可以有效地檢測到受試者肺部患病情況［1］。

本文提出一種基于強迫振蕩技術的振蕩壓力與振蕩流量信號的測量方案。在三通分流器其中一端口上的強迫振蕩發生器產生5 Hz的單頻正弦信號，激勵受試者的呼吸系統處于強迫振蕩狀態，受試者戴上呼吸鼻罩自然呼吸，通過傳感器測量電路實時監測經受試者肺部反饋回來的振蕩壓力與振蕩流量信號，所得的數據作為監測儀疾病診斷的依據。

1 振蕩壓力、振蕩流量的測量原理

強迫振蕩基本設想是在人呼吸系統中施加一個單頻正弦型振蕩信號，從而激發系統中的氣體處于一種受迫振蕩狀態，然后用壓力和流量傳感器檢測出這種壓力波動幅度P和流量波動幅度˙V，將這樣兩個量相除可得到復數阻抗Z:

式中，R是實數部分代表呼吸系統的粘性阻力，jX是虛數部分代表呼吸系統的彈性和慣性阻力，j=在強迫振蕩技術中，振蕩壓力與振蕩流量的相位差用角度phi來表示:

phi是指正弦口腔壓力和流量信號峰值之間的相位差，若壓力峰值超前于流量峰值時則phi成正值，反之則為負值。它表示的是呼吸系統彈性和慣性阻力情況［2］。

2 傳感器測量電路模塊的結構

傳感器測量電路模塊［3－4］如圖1的虛線框內所示，主骨架用一個三通分流器固定連接，可保持傳感器測量模塊的穩定性與可靠性。三通分流器水平相對的兩個端口分別用于連接直線音圈電機與流量傳感器，而豎直方向的分流口用于連接壓力傳感器。其中流量傳感器的中心軸是空心的可感應雙向流速信號即分正負方向，流量傳感器另一端口需引出一接口用于連接呼吸鼻罩，這樣可以使處于強迫振蕩狀態下的受試者呼吸的信號更順暢地流經流量傳感器，提高了測量的可靠性。傳感器測量電路模塊將實時檢測到的振蕩信號轉換成相應的電參量輸出。將采集的電信號經過低通濾波，濾除雜波。

圖1 傳感器信號采集模塊框圖

2.1 傳感器的選型與定標［5］

2.1.1 壓力傳感器

本設計的壓力傳感器使用美國SMI公司出品的一款壓差式壓力傳感器SM-5852-003-D-3-LR，它結合了先進的CMOS數字信號處理技術及最先進的壓力傳感器加工技術生產的具有放大、充分校準、多階壓力修正和溫度補償雙列直插式封裝的高性能壓力傳感器。其測量滿量程是0～0.30 PSI，電壓輸出是0.50～4.5 V，與輸入的壓力成線性關系。在使用前還得做好相應的定標工作，求出輸入量與輸出量之間的轉換關系。該定標過程如下:

1)準備一個10 mL量程的注射器與一個6 000 Pa量程的U型壓力計，調整注射器每次以1 mL增量往U型壓力計一端注入氣體，通過觀測壓力計兩端液面壓力差便可求出與注射器相對應容量氣體的壓力值。具體測量值如表1所示。通過多次采樣求均值得到注射器的每毫升氣體壓力值為351.875 Pa。

表1 U型管壓力定標實驗原始數據測量值

2)搭建好壓力傳感器最小系統電路，在傳感器氣管與注射器之間安裝一個150 mL的規則緩沖器，調整注射器每次以0.5 mL的增量向緩沖器注射氣體，然后固定好注射器的活塞，等壓力傳感器輸出的電壓穩定下來后才記錄。壓力傳感器壓力輸入與電壓輸出之間的關系如表2所示。

表2 壓力傳感器壓力輸入與電壓輸出關系的原始數據表

3)利用步驟1)、2)可獲得電壓－壓力對應的實驗數據，如表格1所示，并將y-x對應描點，如圖2所示，線性關系良好。在Excel中采用線性回歸方法對數據分析得到回歸參數:回歸系數b=4.881 187;回歸常量a:－12.378 5;相關系數r:0.998 322。相關性良好，電壓與壓力的關系式:y=4.881 187x－12.378 5。

圖2 壓力傳感器輸入與輸出的線性關系圖

2.1.2 流量傳感器

流量傳感器選用矽翔公司生產的FS6022B，它是專為醫院便攜式呼吸機而設計的雙向氣體流量傳感器，內部集成了差分放大、溫度補償電路，可檢測到的流量范圍是0～±150 SLPM，電壓輸出范圍為0～5 V，流量與電壓成線性關系:Flow=Vout－2.5，Flow是以L/s為單位，Vout是以V為單位。

2.2 低通濾波電路

強迫振蕩下的原始信號頻帶主要集中在0.3～5 Hz，因此可以分別在壓力傳感器與流量傳感器的輸出端設計一個低通濾波器以濾除系統噪聲或交流電雜波等成分。SM5852系列壓力傳感器濾波電路可參考傳感器技術文檔，使用模擬輸出時只需在輸出端接一個一階RC低通濾波電路即可。雙向流量傳感器FS6022B，在輸出端可接一個6階開關電容巴特沃斯低通濾波芯片MF6－100構成的低通電路，實驗后所得的信號波形清晰、特征明顯。

3 實驗結果與分析

為了測試本電路模塊的效果，設計了一個實驗。利用STM32F103ZE處理器對傳感器電路輸出的振蕩壓力與振蕩流量信號進行兩路ADC數據采集，并將數據傳送至計算機串口中，在MATLAB環境下，基于事件驅動的中斷通信機制，從計算機的RS－232串口中讀取數據并進行圖形處理［7］。測試結果如圖3、圖4所示。從兩組性能測試圖來看，首先受試者的呼吸系統處于強迫振蕩狀態，其中壓力傳感器的正弦波動幅度較大，而流量傳感器的正弦波動幅度較小，這些都正常地反映出整個呼吸檢測系統的物理特性。

圖3 壓力傳感器性能檢測圖

圖4 流量傳感器性能檢測圖

4 結語

我們設計的基于強迫振蕩技術的傳感器測量電路，能夠很好地完成振蕩壓力信號與振蕩流量信號的測量采集工作，特別是這兩款傳感器都使用了ASIC技術，具有較高的集成度，可以直接安裝在PCB板上使用，大大簡化了我們的電路設計，同時又具有功耗低、精確度高、穩定性好等特性，在實現監測儀的便攜化起到關鍵作用。

［1］王華.強迫振蕩技術在無創正壓通氣中的應用研究［D］.廣州:廣州醫學院，2008.

［2］王佐剛，蔡孔長.采用強迫振蕩法測量呼吸系統阻抗［J］.溫州醫學院學報，1981，81:90－95.

［3］Rigau J，Farré R，Roca J，et al.A portable forced oscillation device for respiratory home monitoring［J］.Eur Respir J，2002，19:146 －150.

［4］Dellacà R L，Santus P，Aliverti A，et al.Detection of expiratory flow limitation in COPD using the forced oscillation technique［J］.Eur Respir J，2004，23:232 －240.

［5］SMITH A J.選擇適用于醫學應用的氣流和壓力傳感器［J］.今日電子，2010(11):27－28.

［6］楊成偉，苗康樂，劉純貴.水聲信號功率放大器的設計與實現［J］.電子設計工程，2010，18(11):54－57.

［7］李頎，張建軍，李沙沙，等.基于串行通信的 MATLAB GUI在壓力傳感器中的標定軟件設計［J］.計算機測量與控制，2010，18(7):1680－1669.