药粉气溶胶粒子浓度环状静电传感器及应用研究

焦 钢，张西良，吴 蓉，赵 麟，吴占敖

(1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.中国人民解放军第359医院，江苏 镇江 212013)

药粉气溶胶粒子浓度环状静电传感器及应用研究

焦 钢1，张西良1，吴 蓉1，赵 麟1，吴占敖2

(1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.中国人民解放军第359医院，江苏 镇江 212013)

文中以药粉气溶胶为检测对象，采用静电法设计非接触式环状静电传感器，构建传感器结构模型，对传感器灵敏度进行有限元仿真分析并优选结构参数。设计了静电感应传感器信号处理电路，将传感器应用于雾化器中，实现对雾化吸入疗法中药粉气溶胶粒子浓度在线检测。试验结果表明：气流流速对传感器输出信号影响显著，在流速5 L·min-1时，静电传感器检测药粉气溶胶粒子浓度的误差为±4.8%，满足对药粉气溶胶粒子浓度检测的要求。

药粉气溶胶；静电传感器；粒子浓度；有限元仿真

雾化吸入治疗采用医用雾化器将药粉分散成微小的粒子，并使其悬浮于空气中，通过患者吸入并沉降于肺部，达到治疗疾病的目的[1]。目前缺乏对药粉气溶胶粒子浓度检测的有效方法，无法按需改变用药量、调节浓度，造成治疗效果差、患者有不适感等。采用静电法设计环状静电感应传感器，检测药粉气溶胶粒子浓度，包括传感器结构、信号处理电路等，通过在雾化器中的应用试验，研究传感器检测性能。为实现药粉气溶胶粒子浓度在线检测、实时调节浓度提供依据，使雾化吸入治疗更加科学，具有较大的应用价值。

1 粒子浓度环状静电感应传感器

药粉粒子在输送过程中不断碰撞、摩擦，表面产生静电荷，在金属电极上产生相应的感应电动势[2]。环状静电感应传感器由PVC绝缘管、环状金属电极、金属屏蔽筒、信号传输引线等构成，结构如图1所示。

图1 全环型静电传感器结构图

PVC绝缘管内壁光滑，不阻碍气溶胶流动；环状金属电极材料为紫铜；信号传输引线采用单芯屏蔽线，将其屏蔽层与金属屏蔽筒单点连接，避免屏蔽层形成闭合回路、产生感应电流[3]；金属屏蔽筒能够减少环境中的电磁场对感应电极的干扰。

2 有限元仿真分析及结构参数优选

2.1 传感器灵敏度有限元仿真分析

利用有限元仿真软件Comsol Multiphysics构建静电感应传感器有限元仿真模型，如图2所示。

图2 静电感应传感器有限元仿真结构模型

在传感器感应电极的检测空间内，电极上感应电量的绝对值，与对其作用的单位点电荷带电量的比值为传感器的灵敏度[4-5]。电极上感应电量大小与带电粒子的周向坐标θ无关，只与其轴向坐标z和径向坐标r相关，即环状静电感应传感器的灵敏度可表示为

(1)

式中，q表示粒子的电荷量；Q为电极上的感应电量；r与z分别代表带点粒子在传感器检测敏感空间内的径向坐标与轴向坐标。

分析不同电极轴向长度L、PVC绝缘管半径r、电极径向厚度D、屏蔽筒轴向长度l及金属屏蔽筒半径R的变化对静电感应传感器灵敏度的影响。

(1)电极轴向长度L分别为2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm，令D=2 mm，R=30 mm，r=5 mm，l=100 mm。仿真得到电极轴向长度变化引起灵敏度在径向、轴向坐标上的变化情况，如图3和图4所示。

图3 不同电极轴向长度静电传感器灵敏度沿径向分布

由图3得到，当粒子处在相同径向位置时，电极轴向长度L越大，传感器的灵敏度越大。

图4 不同电极轴向长度静电传感器灵敏度沿轴向分布

图4中，x表示粒子与管道中心的距离。可以看出，相同的电极轴向长度，带电粒子越接近电极内壁，传感器的灵敏度越高；

(2)电极径向厚度D分别为2mm、3 mm、4 mm，令L=5 mm，R=30 mm，r=5 mm，l=100 mm。仿真得到：随着电极径向厚度增加，在径向坐标上，灵敏度逐渐变大，且灵敏度变化趋向平稳，分布相对均匀；在轴向坐标上，传感器灵敏度随电极径向厚度增大逐渐增大；

(3)PVC绝缘管半径r分别为5 mm、10 mm、15 mm，令L=5 mm，R=30 mm，L=3 mm，l=100 mm。仿真得到：在径向坐标上，随着PVC绝缘管半径增大，灵敏度逐渐增大；在轴向坐标上，灵敏度随PVC绝缘管半径增大而增加；

(4)金属屏蔽筒半径R分别为25 mm、30 mm、35 mm、40 mm，令L=5 mm，D=3 mm，r=5 mm，l=150 mm。仿真得到：增大金属屏蔽筒半径有利于提高灵敏度，在径向上灵敏度随屏蔽筒半径变化不大，而轴向上灵敏度随金属屏蔽筒半径增大而增大；

(5)屏蔽筒轴向长度l分别为100 mm、150 mm、200 mm，令L=5 mm，D=3 mm，r=5 mm，R=40 mm。仿真得到：在传感器检测区域中心截面处，其灵敏度在径向坐标上随金属屏蔽筒轴向长度增大而增大，在轴向坐标上亦逐渐增大。

2.2 传感器结构参数优选

(1)电极轴向长度L与径向厚度D越大，传感器灵敏度越高，但电极过长，电极的感应面积增大，敏感区增大的同时容易引入更多噪声；若电极过短，电极的敏感区变小，对电荷变化敏感性增强。综合考虑两者对灵敏度的影响，电极轴向长度L与径向厚度D分别取5 mm与3 mm；

(2)传感器灵敏度随PVC绝缘管半径r减小而增大。环状静电感应传感器的应用对象为压缩空气式雾化器，其药粉气溶胶输出端管道半径为10 mm，所以PVC绝缘管半径取10 mm为好，管壁厚度为0.5 mm；

(3)传感器灵敏度随金属屏蔽筒半径R变化的幅度微小，而增大金属屏蔽筒轴向长度l可以提高灵敏度。

3 在药粉雾化器中的应用

3.1 药粉雾化器及试验系统设计

空气压缩机产生压缩气流，带动药粉撞击到挡板上，向四周喷溅使药粉形成雾化均匀的气溶胶从出气口射出[6]。雾仪器试验硬件组成如图5所示，包括PC机、数据采集卡、信号处理电路和空气压缩机等。在雾化器输出端安装气体流量传感器，检测流量值，通过调节流量阀开启角度调节管道流量的大小；静电感应传感器检测气溶胶粒子浓度值，通过对加料步进电机转速控制，实现对气溶胶粒子浓度控制。

图5 雾仪器试验硬件组成

如图6所示，环状静电感应传感器信号处理电路包括电流-电压转换电路、电压放大电路和滤波电路等[7]。传感器在工作时，感应电极输出微弱的交变电流信号，利用电流-电压转换电路将其转换为交变电压信号，再利用电压放大电路进行二次放大，然后利用低通滤波电路去除噪声干扰，最后由数据采集卡将处理后的信号传输至PC机进行数据处理[8]。

图6 传感器信号处理电路结构

电流-电压转换电路选择AD8638作为运算放大器，采用1 GΩ的电阻作为反馈电阻，在满足放大倍数的前提下，可以有效降低电阻热噪声[9]；电压放大电路使用INA121UA运算放大器对电压进行放大；滤波电路采用巴特沃兹低通滤波结构将信号中包含的高频信号滤除；选择双T型50 Hz陷波电路滤除电路中的工频噪声[10]。

3.2 应用试验及效果分析

(1)试验材料、参数及试验过程。临床上雾化吸入疗法使用的药粉剂量在1 ～5 g/h范围内，所需空气的流量为5～10 L·min-1，试验装置的总体积为13.164 L，试验药粉使用量p在40～400 mg之间，雾化均匀药粉气溶胶粒子浓度cmg/L为

(2)

流量设定为5 L·min-1、8 L·min-1、11 L·min-1、14 L·min-1、17 L·min-1，对应浓度3.039 mg/L、6.077 mg/L、9.116 mg/L、12.154 mg/L、15.192 mg/L、18.232 mg/L、21.27 mg/L、24.309 mg/L、27.347 mg/L、30.386 mg/L。每组试验选定一种流量和不同加料量，各进行试验4次。

试验过程如下：

1)打开空气压缩机开关，观察流量传感器检测值，调节流量阀开启大小使流量稳定；

2)用精度0.1 mg分析天平称取规定量的医疗盐粉，加入雾化杯中；

3)采集静电感应传感器输出信号，记录数据；

4)每个流速下分别重复上述步骤4次，分别记录12次试验数据；

5)按照40 mg，80 mg，120 mg，160 mg，200 mg，240 mg，280 mg，320 mg，360 mg，400 mg的药粉量重复上述步骤；

(2)静电感应传感器检测效果分析。图7所示为5种流量下不同药粉加料量，各4组试验的检测电压有效值的平均值变化趋势。

图7 检测数据有效值的平均值变化趋势

针对每种流速下的试验数据进行线性拟合分析[11-12]。利用Matlab分析传感器在不同流速下的输出特性。不同流速下的传感器检测电压有效值的均值关于加料量的拟合结果如表1所示。

表1 不同流速下的检测值关于加料量的拟合结果

表1中SSE为和方差，表示拟合数据和原始数据对应点误差的平方和，其值越接近于0说明拟合效果越好。流量为5 L·min-1时和方差最小，其他流量下的和方差最大不超过0.005，即每种流量下的线性拟合效果都较佳。R-square为确定系数，通过数据的变化来表征拟合的好坏，其值越接近于1，表示拟合方程的解释能力越强，表中各流速下的确定系数均>0.93。RMSE为均方根误差，其值越接近0表明拟合效果越好。综合对比各流速下的线性拟合结果，5 L·min-1流量下的拟合结果最优，但确定系数略小于其他流量下的拟合结果，5 L·min-1流量下的线性拟合方程为

y=0.000 386 3x+0.847 5

(3)

式中，x表示药粉加料量；y表示传感器检测有效值的平均值。静电感应传感器检测值与药粉加料量呈线性关系，随着药粉气溶胶粒子浓度升高，静电感应传感器检测值增大；

(3)流速对静电感应传感器检测性能影响分析。对流量值进行单因素方差分析[13-14]，结果如表2所示。

表2 检测数据单因素方差分析结果

根据分析结果，查F检验表，当显著性水平为0.01时，F=37.59 >F0.01(2,27) =5.49，表明管道流量的大小对检测信号有效值大小影响显著。

在流量5 L·min-1下，药粉添加量分别选取40 mg，80 mg，120 mg，160 mg，200 mg，240 mg，280 mg，320 mg，360 mg和400 mg，经过补偿得到补偿后的药粉气溶胶粒子浓度检测值[15]如表3所示，药粉气溶胶粒子浓度检测误差为±4.8%。

表3 流量5 L·min-1下检测浓度及误差

4 结束语

针对不同PVC绝缘管长度、管壁厚度、管道半径、感应电极厚度以及屏蔽筒进行半径仿真分析，结果表明：电极轴向长度越大、径向厚度越大、PVC绝缘管半径越小、金属屏蔽筒半径和长度越大，传感器灵敏度越大。

应用试验研究表明：传感器输出信号有效值大小与药粉气溶胶粒子浓度成正比，且气溶胶流速大小对传感器输出信号有效值影响显著。在流量5 L·min-1时，药粉气溶胶粒子浓度检测误差为±4.8%。

采用静电法设计药粉气溶胶粒子浓度传感器，应用场景为雾化治疗中的药粉浓度检测，相对于现有的气-固两相流浓度参数检测方法，其针对性更强，对小管径的稀相气-固两相流检测效果明显，能够达到在线检测雾化治疗中药粉粒子浓度的目的。

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Ring-type Electrostatic Sensor for Powder Aerosol Particle Concentration and Application Research

JIAO Gang1,ZHANG Xiliang1,WU Rong1,ZHAO Lin1,WU Zhanao2

(1.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China; 2.The 359th Hospital of PLA, Zhenjiang 212013,China)

This paper takes the powder aerosol as detection object, and designs non-contact ring-type electrostatic sensors based on electrostatic method to construct the sensor structure model. The sensitivity of the sensor is analyzed by finite element method, and the structural parameters are optimized. Designing the signal processing and application circuit for the electrostatic induction sensor and applying it in mistorizer to realize the objective of real-time detection for powder concentration of aerosol particles in atomization inhalation therapy. The application experiment shows that the airflow velocity has significant influence on the output signal of the sensor. When the airflow velocity is 5 L·min-1, the detection error of powder concentration of aerosol particles is ±4.8%. The result indicates that it meet the requirement of detecting powder concentration of aerosol particles in mistorizer.

powder aerosol;electrostatic sensor;particle concentration;finite element simulation

2017- 04- 27

2013年全军医药卫生科研项目重大专项(12216)

焦钢(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：现代测试系统与仪器。张西良(1964-)，男，博士，教授，博士生导师。研究方向：农业信息检测传感器及智能仪器。

TN911.7;TP212.2

A

1007-7820(2018)02-061-05