压力感应式传感器输液报警系统的设计与实现

何洪林，赵育新，钱 俊，谢 峻，江 叶，徐 荀

压力感应式传感器输液报警系统的设计与实现

何洪林，赵育新，钱 俊，谢 峻，江 叶，徐 荀

目的：设计一种压力感应式传感器输液报警系统。方法：结合一种成本低廉的硅橡胶/炭黑压力传感器，运用简单电路与报警系统或者控制系统，设计并实现输液袋液面过低后报警甚至自行停止输液的报警控制系统，并进行实验验证。结果：该报警系统在8组实验中，平均报警液面高度为3.5 cm，报警成功率高达87.5%。结论：在保证输液正常进行的前提下，该报警系统具有有效性以及良好的稳定性，但在传感器的敏感性方面还有待改进。

压力传感器；输液袋；报警系统

0 引言

在现代医学治疗的技术中，静脉输液依旧是临床治疗的最基本的操作方式与最重要的治疗给药途径[1-3]。但是在输液的过程中，医务人员不可能全程监控，患者自己或者陪护需要时刻注意输液的进程，观察是否输液完毕，否则输液完毕后输液管中的空气进入人体可能造成空气栓塞，对人体造成负面影响，甚至是生命威胁。微量的空气进入人体，即使不会造成生理系统的紊乱或者生命威胁，对于患者的心理影响也是不可忽视的，由此引发的医疗纠纷也屡见不鲜。为了避免这种情况发生，结合新型材料的压力传感器，设计了输液报警系统，现报告如下。

1 压力传感器的工作机理

压力传感器通过在一般聚合物中加入各种导电填料、添加剂，采用分散复合、层积复合等方法制成。导电机理比较复杂，一般可分为导电回路如何形成以及回路形成后如何导电2个方面。

根据高分子材料的性能，与导电填料进行复合，将含量控制在渗流阈值附近，形成聚合物——填料界面层。在这个界面的形成过程中要注意填料的分散是否均匀，形成良好的聚合物——填料界面层以后，在外界条件作用下，会导致导电填料在高分子材料中的密度或者分布发生变化，从而使材料的电阻率发生改变，进而影响到电阻发生变化。

但是通常导电填料加入聚合物基体中后，不可能真正达到多项均匀分布，因此，总有部分导电粒子能够互相接触而形成链状导电通道，使复合材料得以导电；而另一部分导电粒子则以孤立粒子或小聚集体形式分布在绝缘的树脂基体中，基本上不参与导电。但是由于导电粒子之间存在着内部电场，如果这些孤立粒子或小聚集体之间距离很近，中间只被很薄的树脂层隔开，那么由于热振动而被激活的电子就能越过树脂界面层所形成的势垒而跃迁到相邻的导电粒子上，形成较大的隧道电流，这种现象在量子力学中被称为隧道效应。或者是导电粒子间的内部电场很强时，电子将有很大的几率飞越树脂界面层的势垒而跃迁到相邻的导电粒子上产生场致发射电流，导致薄膜电阻值发生变化。

本文使用的传感器的基本材料是由基体材料室温硫化硅橡胶、导电填料炭黑以及其他添加材料例如二氧化硅等对人体无毒无害并且难以与输送液体发生化学反应的惰性材料复合而成，可以直接与输液液体接触而不会对人体造成负面影响。

压力传感器是主要由导电填料以及基体材料与添加剂、催化剂等制备成的具有压敏效应的复合材料。压力传感器具有良好的导电性以及弹性，当受到外界应力的时候，其内部粒子的分布发生变化，从而导致材料的体积电阻率发生变化，由压力而导致的电阻变化将转化成电信号传输出来。

当传感器受到挤压或者拉伸时，复合界面以及导电材料的体积发生形变，介质中的绝缘体受到挤压，导电颗粒相互接触，形成新的导电通道。宏观上来说，体积的压缩增加了炭黑的体积百分比，因而达到电阻降低的效果，所以，只要控制炭黑的体积百分比，复合材料就能随着外力增加而降低电阻，并且将这种电阻变化转换为电信号传输出来[4-8]。其工作机理如图1所示。

图1 压力传感器工作机理

2 报警系统的设计与实现

2.1 报警系统的工作原理

图2 报警系统电路图

图2为报警系统的简单电路图。压力传感器以及与之相接的基本电路都铺设于输液袋的内部靠近输液口的位置，然后外接电源与信号接收系统，由处理器分析信号的变化控制系统报警以及阻断输液的工作。

当输液袋悬挂于输液架上时，接通电源，此时传感器受到内部液体的重力压迫而处于多导电链状态，电阻较小。随着输液的进行与液面的下降，来自内部液体的重力压迫随之减小，导电链数目减少，从而使传感器的阻值随之上升，直至达到极限最大电阻。此时，数据采集系统接收到电阻增大而发出的电信号，发出指令报警并且阻断输液以防空气进入人体。

用2片自制的铜网电极上下夹住传感器，并且在外面包覆一层保护性织物，就制成了一个薄型的柔性的具有压力感应能力的传感器。来自液体的压力施加给传感器，硅橡胶/炭黑压力传感器试样由2片铜片电极夹持，随着输液袋中液体的减少，袋内液面下降，传感器受到的压力降低，电阻上升，从而导致电压在测量电路中分配变化，这种变化将被数据采集系统捕捉到并且反应为电信号[9-10]。本文所设计的实物如图3所示。

2.2 报警系统的测试结果及数据分析

由于传感器材料的限制，不同的硅橡胶/炭黑压力传感器的体积电阻率不同，每次的传感器变更都需要重新确定传感器的阻值变动范围以及极限电阻。

为了验证在不同液面高度也就是不同压力下传感器是否都能正常发出电信号，设计了以下8组实验，根据传感器的使用情况，分别在不同种溶液以及不同种高度下进行。作者研制的硅橡胶/炭黑压力传感器的压敏阈值在0～30 kg，阻值变动范围在600～1 500 Ω，所以设置报警极限电阻为1 500 Ω。具体数据见表1。

图3 输液袋报警系统线路实物图

表1 实验数据

实验数据显示，平均报警液面高度为3．5 cm，报警成功率高达87．5%。

包裹在传感器外面的保护膜有效地将电极与输液液体隔离，在进一步保证输液液体不会被污染的条件下，也保证了报警装置的有效性。否则，在输液液体成分为电解质的条件下，裸露的电极和输液液体直接接触的话，2个电极之间的电路回路将被破坏，造成系统短路或者报警系统无法正常运行。

根据实验数据可以发现，使用医用NaCl溶液作为药液组别的报警液面高度普遍较低，这是由医用NaCl溶液的密度较大，达到报警极限电阻所需的溶液较少而造成的。报警液面的浮动范围较小，在可控范围内，证明传感器的稳定性良好，压敏性能也比较出众。第4组实验品没有报警，原因有多种，可能是传感器受到挤压造成阻值回复不到极限电阻，也有可能是输液袋倾斜造成传感器一侧的液体压力过大。

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3 结语

压力感应式传感器在输液报警器材料的选择方面与传统的传感式报警装置有了很大的革新，但是传感器的敏感性也是该装置中比较不稳定的因素，还需要在此方向上继续改进，争取实现压力传感方式下输液袋的报警控制系统。

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（收稿：2013-10-16 修回：2014-04-30）

Realization of transfusion alarm system with pressure sensor

HE Hong-lin1,ZHAO Yu-xin1,QIAN Jun2,XIE Jun1,JIANG Ye3,XU Xun2
(1.Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Area Command,Wuhan 430070,China;2.School of Printing and Packaging,Wuhan University,Wuhan 430072,China;3.Zhongnan Hospital of Wuhan University,Wuhan 430071,China)

ObjectiveTo design and realize a transfusion alarm system with pressure sensor.MethodsSome silicone rubber or carbon black pressure sensor,simple circuit,alarm system or control system were involved in the design and realization of the system,which could alarm or even stop transfusion in case of low liquid surface in the infusion bag. The experimental verification was performed also.ResultsIn 8 sets of experiments,the system alarmed with an average surface height of 3.5 cm and success rate of 87.5%.ConclusionThe alarm system behaves well in effectiveness and stability,with the transfusion uninterrupted,while the sensibility of the sensor has to be improved.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（9）：36-37，73]

pressure sensor;infusion bag;alarm system

R318.6；TH777

A

1003-8868（2014）09-0036-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.09.036

何洪林（1960—），男，高级工程师，主要从事放射影像技术方面的研究工作，E-mail：wdrf2004@163.com。

430070武汉，广州军区武汉总医院（何洪林，赵育新，谢 峻）；430072武汉，武汉大学印刷与包装系（钱 俊，徐 荀）；430071武汉，武汉大学中南医院（江 叶）