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基于光纤传感器的压强测量探头

发布时间：2024/4/2 12:44:03 　访问人数：1067次

产品图片及说明 :

　　楔形薄膜探头主要用于测量柔性薄层曲面封闭容器内压强，如通过将探头按压在血管表面测量血管内部压力。
探头是依据流体压强间接传导原理设计的感知器件。其基本结构是一个前端呈楔形的圆柱状刚性密封腔体，楔平面采用薄膜形成探测面，腔体内安装光纤压力传感器和流体介质。从探测面感知的外部压强通过流体介质传导至传感器，再由传感器将压强变量转变成光栅信号并经光纤传输至后端解析模块完成数据处理。正常状态下，探头内压强值设置为0（指理想环境下相对压强，实际上地球表面定义区域的大气绝对压强为1013 kPa，或者760 mmHg）。

　　当探测面与被测血管外壁贴合后（需要施加适当外力），探测面将随同血管外壁的充盈形态（向外凸起的曲面）发生曲面张力形变，即探测面向内凹陷的形变。当贴合界面形变趋于静止时，血管内血流压强与探头内流体压强相等，实现流体压强的间接传导。

详细说明 :

　　1. 楔形薄膜探头

　　楔形薄膜探头主要用于测量柔性薄层曲面封闭容器内压强，如通过将探头按压在血管表面测量血管内部压力。

　　探头是依据流体压强间接传导原理设计的感知器件。其基本结构是一个前端呈楔形的圆柱状刚性密封腔体，楔平面采用薄膜形成探测面，腔体内安装光纤压力传感器和流体介质。从探测面感知的外部压强通过流体介质传导至传感器，再由传感器将压强变量转变成光栅信号并经光纤传输至后端解析模块完成数据处理。正常状态下，探头内压强值设置为0（指理想环境下相对压强，实际上地球表面定义区域的大气绝对压强为101.3 kPa，或者760 mmHg）。

　　测量过程中的压强分析见下图：

　　其中，F为血管的内压力，F’为探头流体介质的反向力，Fz为环绕在探头外径周边的血管表面张力，Fzy为表面张力的Y向分量，即Fzy=Sinθ Fz；

　　测量是一个内应力传递的过程。当探头与血管外壁贴合后，探头的探测膜将随血管外壁发生曲面形变，（血管相当于一个压强恒定容器，其内压不因探头贴合受力而改变），以至贴合界面逐渐达到自然稳定状态，实现静力平衡。根据牛顿第三定律，静止状态下物体作用力与反作用力相等，即：

　　F’=-（F+∑Fzy）
　　由于Fzy相对于F较小，于是有：
　　F’≈-F

　　同时，探头探测膜和血管外壁关联界面S相等，根据P=F/S推出：

　　P’≈P
　　即，探头内流体介质压强P’与血管血流压强P近乎相等。
　　这个过程可以通过进一步量化分析说明。
　　根据帕斯卡定律p=pgh和流体密度公式p=m/v可推出下式：
　　
　　其中，p为探头内质点压强；g为重力加速度；h为探头内质点深度（质点距离流体自然平面的高度）；为流体介质的密度；m为流体介质的质量；v为流体介质体积（探头腔体空间）。
　　由于探头腔体微小，在此不考虑重力加速度g和质点深度h对测量过程的影响，即认定gh为物理常量。

　　当贴合血管外壁的探测面受到血管内压引发曲面应力形变时，将导致探测面出现凹陷形变趋势，即驱使探头腔体空间缩小，这种微小的变化与探头内流体压强的变化规律可以通过对上式微分导出：

　　显然，探测面的形变只受血管内压的影响，理论上不受其它外力（如贴合时施加的外力）作用。探测面的形变导致腔体空间的任何微小变化都会对流体介质质点压强产生数学关联差异。根据流体各向同性原理，探头内传感器感知的质点压强与探测面内任一质点的压强相等。

　　2. 活塞式探头
　　活塞式压力探头（以下简称探头），是基于光纤传感器的流体压强测量部件，主要用于无损测量薄层软介质容器中的流体压强形成的内应力，包括人体动脉、静脉血管压力和具有包膜的液态内容物封闭组织压力。
　　1）结构设计

　　示图中： 10——压感塞 11——套筒 12——流体介质 13——连接器14——光纤 15——胶囊 16——传感器 17——弹簧管
探头为微型精密机械构件，由两个独立的器件组合。器件一是活塞套，由压感塞（10）和套筒（11）组成，压感塞（10）与套筒（11）能够沿其轴向相互发生微量位移。器件二为光纤导管，由连接器（13）、弹簧管（17）、传感器和光纤（14）组成。其中，连接器（13）内腔安装胶囊（15），胶囊内置传感器（16）和光纤（14），胶囊内填充流体介质（12）。
　　活塞套和光纤导管可在使用前完成组合连接，其组合连接设计采用医用可插拔式鲁尔接口标准。
　　2）动作机理
　　当压感塞（10）碰触并感知检测对象压强时，会产生轴向应力压迫胶囊（15），使胶囊内部流体介质（12）产生应力压强（静态时，定义胶囊内流体介质相对压强为0）。理论上，如果不考虑活塞套机械摩擦力和检测对象表面张力和弹力的影响，该应力压强即与检测对象压强相等。于是，传感器（16）采集并通过光纤（14）传导的信号数据就是检测对象压强值。通过这种间接测量方式即可完成检测对象的无损检测。
　　3）应用说明
　　探头必须与数据采集器组合使用。测量时，应将探头的压感塞（10）端面与检测对象保持平行，并在检测对象平面（或曲平面）的法向逐渐按压施力，当测量过程中（观察数据采集器屏显测量曲线）由低至高的波动变化趋于稳定时，其显示数值即为检测对象的压强值。

　　3. 针阀式探头
　　针阀式压力探头（以下简称探头），是基于光纤传感器的流体压强测量部件，主要实现一种动态采集轴向微细压力的测量方法和装置，如医用引导导丝、针灸探针等。用于检测专业器械深入人体组织或器官时的楔入压力。
　　1）结构设计

　　示图中： 21——头端弹簧 22——钢芯针阀 23——密封胶圈 24——中空钢丝 25——流体介质 26——传感器 27——光纤
　　探头为微型精密机械构件，由两个独立的器件组合。器件一是活塞套，由压感塞（10）和套筒（11）组成，压感塞（10）与套筒（11）能够沿其轴向相互发生微量位移。器件二为光纤导管，由连接器（13）、弹簧管（17）、传感器和光纤（14）组成。其中，连接器（13）内腔安装胶囊（15），胶囊内置传感器（16）和光纤（14），胶囊内填充流体介质（12）。
活塞套和光纤导管可在使用前完成组合连接，其组合连接设计采用医用可插拔式鲁尔接口标准。
　　2）动作机理
　　当压感塞（10）碰触并感知检测对象压强时，会产生轴向应力压迫胶囊（15），使胶囊内部流体介质（12）产生应力压强（静态时，定义胶囊内流体介质相对压强为0）。理论上，如果不考虑活塞套机械摩擦力和检测对象表面张力和弹力的影响，该应力压强即与检测对象压强相等。于是，传感器（16）采集并通过光纤（14）传导的信号数据就是检测对象压强值。通过这种间接测量方式即可完成检测对象的无损检测。
　　3）应用说明

　　探头必须与数据采集器组合使用。测量时，应将探头的压感塞（10）端面与检测对象保持平行，并在检测对象平面（或曲平面）的法向逐渐按压施力，当测量过程中（观察数据采集器屏显测量曲线）由低至高的波动变化趋于稳定时，其显示数值即为检测对象的压强值。

　　4. 球囊式探头
　　主要用于介入式器械进入人体自然孔道或组织（如血管、淋巴管等）后，探测和感知器械局部承受的径向压力。
　　球囊采用弹性橡胶薄膜塑型，加工后套装在器械（这里指外形为规则光洁的导管）表面，再通过热熔或粘合方式与器械形成一体。其中球囊薄膜与器械原有的导管表层之间为空隙结构，通过向空隙注气能够使薄膜膨起形成球冠，器械导管表层预留一个径向的管壁通孔，管壁通孔须与管腔内的注气通道连接，外部气体可以通过注气通道导入球囊。
　　当器械介入探查部位时，通过注气通道注入适量气体，使球冠膨起，记录该状态的压强数值（传感器实时监测数据），然后施行探查操作（如按压球囊凸起处或周边），观察或记录测量压强数值变化的情况，以实现监测局部受压的生理效果。
　　基本原理结构如下图：

　　另外，需要在器械的末端适合的部位从器械导管中分离出注气通道，并在出口位置设置一个三通接口，其中主接口连接注气通道，两个分支分别连接注气设备（注射器或气泵）和光纤传感器测压腔。采用引压管远端测压方式会产生非线性测量偏差，后期需要在输出信号解析端增加具有动态校正的补偿环节，以及设计测压量程倍增机制。

　　5. 球冠式探头
　　球冠式探头主要由冠状支架和膜套组成，冠状支架为支撑构件，采用不锈钢材质，膜套为传感器件，系合成橡胶。
　　基本原理结构如下图：

　　上图中，1——支撑冠 2——膜套 3——支架 4——探头导管

　　球冠式探头是一种为周边散布式压应力环境建立传感器微观检测条件的关键部件，通过支架和膜套自然构成的应力平衡，以及膜套表面微张力和弹力平衡确定了探头在有限范围内的良好感知线性，适应于人体机能的压强检测装置。

　　6. 预注压探头
　　医学临床上用于测量人体自然腔道或组织缝隙之间压力的数据采集装置（前端）。在实际应用时，须与相应的数据处理装置（后端）连接，以形成完整的测量仪器（系统）。
　　面向光纤压力传感器设计的一种实时数据采集方法，或者说是一种基于光纤压力传感器的压力测量方法。压力测量范围不小于：10mmHg—100mmHg。
　　运用预注压相对测量原理，即预先给传感器注入相对于外部环境更高的压力，建立相对的零位参照点（如将预注压10mmHg设为置零状态），然后将最终测量数据减去预注压数据，即为实际测量值（相对于同一外部环境）。
　　探头基本结构如下图：

　　具体应用装置由4部分组成，见图1. 其中：100—探头，200—针管，300—手柄，400—光纤导线。探头依次连接探针、手柄和光纤导线，并形成为一体。
　　基本原理结构及应用说明：
　　其中：探头为一依托环形刚体支撑，且周边覆罩弹性薄膜的扁圆腔体，侧面呈楔入状。当向探头腔体注入适量空气（如预注压为10mmHg时），其上下两个扁圆薄膜面分别向外凸起，即生成具有两个感知曲面的测压探头。其中，101—环形刚体，102—探头腔体，103—弹性薄膜，104—探头通孔，见图。
　　针管为一管状刚体，一端与探头100连接并使针管200与探头腔体104联通；另一端采用鲁尔接口201与手柄300对应接口311连接（也能够自其拔离），使探头腔体104通过针管200与手柄300中的气室308联通。
　　手柄300是主要操作部件，手柄300中包括3组功能性组件，即注气组件、止逆阀组件和压力传感组件。其中注气组件由301—滑块连杆，302—活塞，303—进气孔，304—气筒组成；止逆阀组件由305—阀芯，306—弹簧，307—气道组成；压力传感组件由308—气室，309—传感器，310—密封套组成。
　　其测量机理是：当推动滑块连杆301向探头方向滑动时，随动的活塞302将气筒303一侧进气孔304导入的空气，推向由弹簧306支撑其封闭的阀芯305，进入气道307以及与气道连通的气室308，于是形成包括气道307、气室308和探头腔体104在内的等压封闭空间。
　　实际测量时，当探头外部压力大于探头腔体压力，弹性薄膜即发生内敛形变，使得弹性薄膜内外压力趋于平衡（忽略薄膜张力），于是上述的等压封闭空间压力与探头外部压力相等。置于气室中的传感器309当即感知并采集其压力数据，并通过光纤传导效应将数据信号通过光纤导线400传输至数据处理装置（后端）的信号解析端口，再由解析单元完成计算处理。
　　装置的原理结构如下图：

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