光电式盐粉气溶胶浓度传感器及标定系统研究

摘要

雾化吸入疗法采用专用的医用雾化设备将药粉雾化成为药粉气溶胶，使患者吸入鼻咽喉部、呼吸道和肺部，达到治疗呼吸系统相关疾病的目的。然而，目前医用雾化治疗设备构造简单，药粉雾化不稳定，药粉气溶胶浓度相关检测方法及设备缺乏，导致送药误差较大，影响治疗效果。因此，结合雾化吸入疗法常用盐粉的物理、化学特点以及医用雾化器工作具体要求，提出基于光散射的光电式盐粉气溶胶浓度检测方法，对盐粉颗粒光散射进行理论分析，研制专用的盐粉气溶胶浓度传感器及标定系统，将有效改善雾化吸入疗法临床治疗效果。本文的主要研究内容和结果如下：
　　首先，综合分析国内外气相颗粒物检测方法及颗粒物光散射计算方法的特点，结合课题要求，选择超椭球法对盐粉颗粒形状进行描述，利用基于离散源的T矩阵法计算分析盐粉颗粒散射强度，计算中采用微元法代替表面积分，基于matlab软件编写主要函数，分析T矩阵截断系数N、微元个数、颗粒几何形状参数n0、a、b、c对随机取向下的盐粉颗粒光散射强度的影响。将颗粒群视为对数正态分布，计算边长范围为0.4~6μm的盐粉颗粒在不同分布参数下的散射强度，为传感器结构设计提供理论依据。
　　其次，结合医用雾化器的结构特点及盐粉气溶胶光散射强度变化趋势，研制一种采用前向差分散射光路的光电式盐粉气溶胶浓度传感器，使用光电池分别采集参考光信号及两路散射光信号，实现环境因素补偿，使得散射函数曲线更加平滑。设计光电池输出信号的电流-电压转换、放大及滤波处理等信号调理电路，从布局布线、绝缘性和抗干扰三方面考虑，设计制作电路板。选择LDO稳压芯片TPS7A4700设计传感器电源电路，减小了检测误差，实现了盐粉气溶胶浓度在线检测，为盐粉雾化过程控制提供依据。
　　然后，结合光电式盐粉气溶胶浓度传感器的工作原理及结构特点，针对气流流速、颗粒互相吸附及低流速情况下盐粉颗粒的沉降对传感器标定造成的影响，设计光电式盐粉气溶胶浓度传感器专用标定系统，主要由标定装置和基于LabVIEW平台的测控系统组成，实现盐粉的快速雾化与均匀混合，低流速盐粉气溶胶环境的模拟，装置内气流流量、压强等参数的设置、采集、显示和控制。
　　最后，进行了标定系统性能试验、传感器对盐粉气溶胶浓度检测标定试验、流量影响试验及性能检测试验。结果表明：（1）标定系统清洗模式下盐粉雾化均匀腔体及标定单元内湿度下降明显，达到了清洗装置、降低湿度的目的；标定系统标定模式下，盐粉雾化均匀腔体内轴流风机转速变化范围为1000~13000r/min，控制精度±100r/min左右，标定单元内流量调节范围为3~50L/min，控制精度±2L/min左右，满足传感器标定试验对盐粉雾化及盐粉气溶胶快速均匀混合过程的控制要求；（2）传感器标定所得非线性系数为399.63，检测结果不受流量影响，性能检测试验中传感器对盐粉气溶胶浓度测量不确定度为5.9%，满足盐粉气溶胶浓度检测要求。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题背景和意义

1.2气相颗粒物检测研究现状

1.3本文主要工作内容

第二章 盐粉颗粒光散射理论分析

2.1盐粉颗粒几何形状描述

2.2盐粉颗粒光散射理论研究

2.3盐粉颗粒散射强度计算结果及影响分析

2.4本章小结

第三章 光电式盐粉气溶胶浓度传感器设计

3.1传感器总体设计

3.2传感器前向差分散射光路设计

3.3传感器信号调理电路设计

3.4传感器电路板设计

3.5传感器电源电路设计

3.6本章小结

第四章 光电式盐粉气溶胶浓度传感器标定系统设计

4.1标定系统总体设计

4.2标定装置设计

4.3测控系统设计

4.4软件设计

4.5本章小结

第五章 盐粉气溶胶浓度传感器及标定系统试验研究

5.1标定系统性能试验研究

5.2传感器标定试验研究

5.3传感器性能随流量变化影响试验研究

5.4传感器性能检测试验研究

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间学术成果