宽量程超声波肺功能仪及其计算方法技术

本发明专利技术公开了一种宽量程超声波肺功能仪及计算方法，具有吹管、位于吹管壁上的上、下游超声波换能器，所述上、下游超声波换能器连线与道壁具有倾斜角；所述上、下游超声波换能器连接第一、二滤波电路和第一、二隔离驱动电路，所述第一、二滤波电路连接通道选择器、程控放大电路、电压比较器、GP22；所述GP22串行通信连接方式微控制器；所述微控制器分别控制通道选择器、程控放大电路和电压比较器；计算方法通过前一次测得的上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差来控制程控放大器的放大倍数和电压比较器的阈值，来实现精确的宽量程范围的测量。与现有技术相比，可测量双向流量，零压力损失，量程范围宽，无需温度补偿和压力补偿。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属医疗检测
，具体涉及一种利用超声波对人体肺功能进行测量的宽量程超声波肺功能仪及其计算方法。
技术介绍
目前，超声波肺功能仪的方案都是参考工业超声波气体流量计的设计方法，在吹管的上下游安装两个小型超声波传感器，利用超声波在顺流和逆流中传播时间差和气体流量的关系来测量瞬时流量并通过一定的对应关系取得各项肺功能指标。但是，由于超声波肺功能仪应用场合是管径非常小的吹管(内径一般为20mm左右)，导致在相同的流量情况下，气体的流速非常大，导致超声波信号大幅衰减甚至淹没在噪声之中，对测量精度造成很大影响，从而限制了测量量程。 超声波肺功能仪的常规通气功能中需要测量的基本量是气体流量，其他的参数(VC、FVC、PEF和MVV等)都是基于流量结合一定的算法换算出来。压差式肺功能仪需要温度和压力补偿，受干扰因素多；呼吸阻力大；很难全面清洗；容易堵塞。热线式肺功能仪需要线性校正；对气体成分敏感；不耐用；价格昂贵。 一般来讲，超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。其测量过程大致为：超声波流量计中的超声波发射电路将电信号转换成超声波信号发射到待测流体中，随后超声波接收电路接受超声波经放大后转换成电信号，此时的电信号载有待测液体流速的信息，将其送到显示和累积系统进行显示 累积和计算，即可检测到液体流速，从而得到流量，检测过程完成。 利用超声波测量气体流量的方法大致可分为四种：频差法、相关法、多普勒法和时差法。由于频差法和相关法的分辨力较低，实现起来较困难，因此实际应用较少。多普勒效应法是利用超声波在传播过程中由于流体中存在的悬浮颗粒或气泡的反射使其发生频移的多普勒效应来测量的，主要用于一些杂志颗粒较大的多相流体，适用于杂质较多且分布均匀的流体测量。由于多普勒法测量精度受到温度变化和散射体的影响，需要进行修正，而且修正过程比较复杂，因此实际应用较少。基于难度和可实现性两方面因素的考虑，目前生产最多、应用范围最广的气体超声波流量计主要采用时差法来实现。时差法是利用超声波在流体中的传播速度随流体的速度变化而变化的原理来测量的，通过测量超声波顺流和逆流传播的时间差△t来计算流速v，而后根据Q=s*v可计算出流量。时差法流量计主要应用于单相液体，适合于工业上洁净用水测量。由于超声波在气体中的传播效率比较低，信号衰减比较大，并超声波的频率高，噪声大，信噪比难提高，而且肺功能仪的管径非常小，精度提高比较困难。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种双向流量可测，零压力损失，量程范围宽，无需温度补偿和压力补偿的宽量程超声波肺功能仪。 本专利技术的另一目的在于提供一种基于宽量程超声波肺功能仪的计算方法。该计算方法在保证测量精度的前提下加大超声波肺功能仪测量量程，使超声波肺功能仪能更好得满足各种使用情况。 为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：该宽量程超声波肺功能仪，具有吹管、位于吹管壁上的上游超声波换能器和下游超声波换能器，其特征在于：所述上、下游超声波换能器为收发一体式，所述上、下游超声波换能器连线与道壁具有倾斜角；所述上游超声波换能器连接第一滤波电路和第一隔离驱动电路，所述第一滤波电路连接通道选择器，所述通道选择器连接程控放大电路，所述程控放大电路连接电压比较器，所述电压比较器连接脉冲发射和精密时间测量芯片；所述下游超声波换能器连接第二滤波电路和第二隔离驱动电路，所述第二滤波电路将接收到的信号传至通道选择器；所述脉冲发射和精密时间测量芯片串行通信连接方式微控制器，所述微控制器接口连接有触摸屏、蓝牙模块和以太网模块，所述蓝牙模块连接有蓝牙打印机，所述以太网模块与服务器通讯；所述微控制器分别控制通道选择器、程控放大电路和电压比较器；单电源对各电路供电，其中，各部分电路模块单独对地覆铜，控制电路和超声波换能器发射驱动电路的连接只有脉冲信号线和与该脉冲信号线紧密平行的一根地线，测量电路、接收放大滤波电路与超声波接收限幅耦合电路的连接只有接收信号线和与该接收信号线紧密平行的一根地线；上、下游超声波换能器发射驱动电路、接收限幅耦合电路模块分别用铁壳罩住，屏蔽电磁辐射干扰；所述第一、二隔离驱动电路中通过电阻给电容充电，通过电容快速放电提供瞬时功率；基于以上的硬件连接再配合微控制器的程序就可以利用动态阈值法与程控放大法相互配合实现宽量程超声波肺功能仪功能。 所述倾斜角为30度。 所述倾斜角为45度。 所述精密时间测量芯片为时间数字转换器TDC-GP22。 一种基于宽量程超声波肺功能仪的计算方法，其特征在于：通过前一次测得的上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差来控制程控放大器的放大倍数和电压比较器的阈值来实现精确的宽量程范围的测量；首先根据实验确定在最小流量和最大流量时使程控放大器的输出波形最大幅值相同所需要的最小放大倍数AL和最大倍数AH，同时记录最小流量和最大流量时上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差△T1和△T2，为了防止频繁切换程控放大器的放大倍数，将放大倍数平均分为8个档，最大为AH，最小为AL，放大倍数切换的依据为上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差，同样将时间差平均分为8个档，最大为△T2，最小为△T1，在8个时间差的点上设置一定的滞回值防止放大倍数在这个点上的来回切换； 动态阈值法单独作用在两个阶段：1、初始上电时，微控制器控制DA从0V输出逐渐增大，根据GP22反馈回来的超声波飞行时间可以得出超声波信号的第一波和噪声之间的阈值电压U01，第一波和第二波之间的阈值电压U02，第二波和第三波之间的阈值电压U03，第三波和第四波之间的阈值电压U04，然后根据U02-U01，U03-U02，U04-U03的最大值来确定利用测量哪个波来判断超声波信号的到来，三个差值中U03-U02最大说明测量第二波具有最大的余量，可以确定利用测量第二波来判断超声波信号的到来，同时可以将阈值电压定为(U03-U02)/2；2、在判断出超声波第二波到来时，将阈值调为0V，测量第三波0V处的时间，也就是工业气体超声波流量计中使用的阈值归零方法，可以避免超声波信号衰减造成的测量误差。 采用上述技术方案的有益效果：该宽量程超声波肺功能仪采用时差法的基本原理：声波在流体中传播时，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则会减小，相同的传播距离就会有不同的传播时间。利用传播时间之差与被测流体流速的关系求取流速，流速乘以管路截面积就是流量。 具体计算方法：超声波顺流从上游超声波换能器传送到下游超声波换能器，则被流体流速加快为： L/t21=C+v*cosθ-----------------------------------(1) 超声波逆流从下游超声波换能器传送到上游超声波换能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽量程超声波肺功能仪，具有吹管、位于吹管壁上的上游超声波换能器和下游超声波换能器，其特征在于：所述上、下游超声波换能器为收发一体式，所述上、下游超声波换能器连线与道壁具有倾斜角；所述上游超声波换能器连接第一滤波电路和第一隔离驱动电路，所述第一滤波电路连接通道选择器，所述通道选择器连接程控放大电路，所述程控放大电路连接电压比较器，所述电压比较器连接脉冲发射和精密时间测量芯片；所述下游超声波换能器连接第二滤波电路和第二隔离驱动电路，所述第二滤波电路将接收到的信号传至通道选择器；所述脉冲发射和精密时间测量芯片串行通信连接方式微控制器，所述微控制器接口连接有触摸屏、蓝牙模块和以太网模块，所述蓝牙模块连接有蓝牙打印机，所述以太网模块与服务器通讯；所述微控制器分别控制通道选择器、程控放大电路和电压比较器；单电源对各电路供电，其中，各部分电路模块单独对地覆铜，控制电路和超声波换能器发射驱动电路的连接只有脉冲信号线和与该脉冲信号线紧密平行的一根地线，测量电路、接收放大滤波电路与超声波接收限幅耦合电路的连接只有接收信号线和与该接收信号线紧密平行的一根地线；上、下游超声波换能器发射驱动电路、接收限幅耦合电路模块分别用铁壳罩住，屏蔽电磁辐射干扰；所述第一、二隔离驱动电路中通过电阻给电容充电，通过电容快速放电提供瞬时功率；基于以上的硬件连接再配合微控制器的程序就可以利用动态阈值法与程控放大法相互配合实现宽量程超声波肺功能仪功能。...

【技术特征摘要】
1.一种宽量程超声波肺功能仪，具有吹管、位于吹管壁上的上游超声波换能器和下游超声波换能器，其特征在于：所述上、下游超声波换能器为收发一体式，所述上、下游超声波换能器连线与道壁具有倾斜角；所述上游超声波换能器连接第一滤波电路和第一隔离驱动电路，所述第一滤波电路连接通道选择器，所述通道选择器连接程控放大电路，所述程控放大电路连接电压比较器，所述电压比较器连接脉冲发射和精密时间测量芯片；所述下游超声波换能器连接第二滤波电路和第二隔离驱动电路，所述第二滤波电路将接收到的信号传至通道选择器；所述脉冲发射和精密时间测量芯片串行通信连接方式微控制器，所述微控制器接口连接有触摸屏、蓝牙模块和以太网模块，所述蓝牙模块连接有蓝牙打印机，所述以太网模块与服务器通讯；所述微控制器分别控制通道选择器、程控放大电路和电压比较器；单电源对各电路供电，其中，各部分电路模块单独对地覆铜，控制电路和超声波换能器发射驱动电路的连接只有脉冲信号线和与该脉冲信号线紧密平行的一根地线，测量电路、接收放大滤波电路与超声波接收限幅耦合电路的连接只有接收信号线和与该接收信号线紧密平行的一根地线；上、下游超声波换能器发射驱动电路、接收限幅耦合电路模块分别用铁壳罩住，屏蔽电磁辐射干扰；所述第一、二隔离驱动电路中通过电阻给电容充电，通过电容快速放电提供瞬时功率；基于以上的硬件连接再配合微控制器的程序就可以利用动态阈值法与程控放大法相互配合实现宽量程超声波肺功能仪功能。
2.如权利要求1所述的宽量程超声波肺功能仪，其特征在于：所述精密时间测量芯片为时间数字转换器TDC-GP22。
3.如权利要求2所述的宽量程超声波肺功能仪，其特征在于：所述倾斜角为30度。
4.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁滔，海涛，刘友芳，
申请(专利权)人：河南迈松医用设备制造有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41