Servo-i呼吸机压力传感器工作原理与相关故障三例排除
引言
呼吸机是实施人工通气的机械装置，借助机械力量将空气、氧气按一定比例混合后进入肺内，辅助患者呼吸。压力传感器在呼吸机中扮演着重要角色，呼吸机通过压力传感器，时刻监测病人呼吸时的气道压力变化，来控制呼吸机与患者呼吸的同步。
Servo-i呼吸机是Maquet公司生产的呼吸机，目前国内各大医院较为常用，它监测参数准确直观，操作简单。Servo-i呼吸机开机后会提示操作人员进行使用前检查，对呼吸机的安全阀、流量传感器、压力传感器、氧电池等硬件设备分别检测，保证呼吸机的正常工作及参数的准确性[1]。
我院从2009年开始陆续引进了7台Servo-i呼吸机，主要在新生儿科使用。这几年的维修工作中，多次发现压力传感器损坏引起的呼吸机故障。结合我们的工作经验，现将常见的压力传感器造成的呼吸机故障展开分析，并提出针对性维修方法[2]。
1 Servo-i呼吸机用压力传感器基本原理
1.1 惠斯登电桥工作原理简述
压力传感器由敏感元件、转换元件和处理电路三部分组成，共同完成“压力→位移量→电压变化”的测量过程。压力传感器可以分成三类，绝对压力传感器（以绝对真空为标准，测量压力源或环境的绝对压力）、差压力传感器（测量两个压力源之间的压力差）和表压力传感器（也是一种差压力转换器，其压力源一个为当地大气压力，另一个则为待测的压力源）[3]。
在生物医学传感器的测量电路中，惠斯登电桥占有很重要的地位。许多传感器如变阻器、变电感和变电容式传感器，都是用该电桥将生理量引起的电阻、电感和电容变化造成的电桥失平衡转换成电压变化，然后放大、处理，再显示出来[4]。
如图1所示，在无输出量时桥路四臂具有相同的阻抗Z，电桥的负载通常是高输入阻抗放大器的输入阻抗，满足ZL远大于Z。
图1 惠斯登电桥原理图
在无输入量的初始状态时，Z1/Z2 =Z3/Z4，电桥平衡，
=0。
压力传感器在呼吸机中的应用非常广泛，如测供气压力、流量、吸气压力、呼气压力、大气压力等。压力传感器为敏感元件，温度过高、过压、潮湿、电压尖峰、电磁辐射、冲击和振动都可能造成压力传感器的损坏，从而引起呼吸机发生故障。
1.2 Servo-i呼吸机气体模块内的压力传感器工作原理简述
Servo-i呼吸机气体模块是用于精密控制吸入气体流量与气体混合的部件，可向病人提供不同氧浓度的气体，其可调范围为21%～100%，空气、氧气模块的外观结构大体相同[5]，见图2。
图2 气体模块结构
空气/氧气通过过滤器过滤了部分水分和杂质后，再经过温度传感器、MEAS1230-100G型压力传感器、1336-002D型流量传感器到达喷嘴处。根据用户设置的氧浓度、潮气量、吸气流速、吸气时间等参数，电磁阀控制喷嘴单元阀膜的开合程度[6]，空气模块和氧气模块喷出的气体混合后通过氧传感器的监测，再输送给病人。
供应压力传感器用于测量供应气体的压力，它的输出信号经过放大后用于计算气体的绝对压力，来补偿压力引起的气体密度变化。流量传感器由1336-002D差压式压力传感器和金属网组成，气流通过网会有压力的下降，用1336-002D测网两边的气体压力，然后根据变化的压力值计算得出气体流量[7]。
2 Servo-i呼吸机压力传感器故障维修三例
2.1 故障一
2.1.1 故障现象
使用前检查发现“流量传感器测试失败”。
2.1.2 故障分析
“流量传感器测试”对呼吸机吸入、呼出流量传感器进行检测和校准[8]。这款机器共有三个流量传感器：空气、氧气模块中各有一个吸入流量传感器，呼出流量传感器位于呼气盒内。
2.1.3 故障检修过程
使用前检查发现“流量传感器测试失败”，更换好的呼气盒，依然报错，排除呼气盒故障[9]。这种情况下，使用单气源（断开空气或氧气）进行使用前检查，看流量传感器测试是否通过，从而判断是空气模块还是氧气模块故障（使用单气源执行使用前检查时，气体供应测试、氧气传感器测试会失败）。拆开有故障的气体模块，用万用表测量1336-002D传感器，1336-002D的PIN1～PIN4对应惠斯登电桥的四臂，正常情况下静态时PIN1-PIN2、PIN2-PIN3、PIN3-PIN4、PIN1-PIN4之间的阻值约为3.8 kΩ，且输出阻抗(PIN1-PIN3阻值)在2.5～6.0 k之间、输入阻抗（PIN2-PIN4阻值）在4.0～6.0 k之间[10]。电桥不平衡或者输入输出阻抗超过范围，都会导致使用前检查流量传感器测试不通过。更换1336-002D压力传感器后，使用前检查通过[11]。
2.2 故障二
2.2.1 故障现象
使用前检查发现“气体供应测试失败”。
2.2.2 故障分析
气体供应测试对呼吸机氧气供气压力和空气供气压力进行检测，正常范围是200～650 kPa。出现该报警时，首先应检查并确保所连接的供气压力（氧气和空气）均在指定的范围之内，点击呼吸机屏幕右上角“状态”查看呼吸机监测到的空气和氧气压力。检查空气、氧气在正常范围内正确连接，但在“状态”中显示空气压力为0，怀疑空气模块中的压力传感器故障。
2.2.3 故障检修过程
拆开空气模块，静态测量MEAS1230-100G压力传感器PIN1-PIN4间的阻值，发现电桥不平衡，需更换压力传感器。MEAS1230-100G型压力传感器已停产，查资料找到1210A-100G可进行完美替换。更换压力传感器后“状态”中空气压力显示正常，使用前检查通过，用呼吸机质控检测设备测量各参数均在要求范围内。
2.3 故障三
2.3.1 故障现象
使用前检查发现“内部泄露测试失败”“压力传感器偏差
5 cmH2O”“压力传感器测试失败”。
2.3.2 故障分析
内部泄露测试是连接测试管道，使用吸气和呼气压力传感器检查内部是否存在泄露，在压力为80 cmH2O时，泄露不超过10 mL/min。压力传感器测试对呼吸机的吸气、呼气压力传感器进行测试和校准[12]。
2.3.3 故障检修过程
依次检查测试连接管、安全阀膜片、氧电池密封圈、喷嘴、呼气盒、压力传感器连接管及过滤器[13]，并未发现漏气。拆开机器前盖，找到插在PC1784G上的两块PC1781A，如图3所示，每块PC1781A上都有一个1336-002D型压力传感器，分别测量吸气压力和呼气压力。根据我们的维修经验，病人呼出的气体湿度比较大，Servo-i呼吸机呼气压力传感器故障率比吸气压力传感器要高，在维修时可先测量呼气压力传感器是否正常。测量压力传感器1336-002D的PIN1～PIN4两两间的阻值，如果发现电桥不平衡，或者输入输出阻抗不在正常范围内则需更换压力传感器。
图3 吸气/呼气压力传感器实物图
3 总结与讨论
压力传感器是敏感型的元件，高温、过压、受潮等都会损坏压力传感器。保护好压力传感器，能大大降低机器的故障率。更换压力传感器时要控制好时间和温度，引脚焊接温度最高250℃，最长焊接时间5 s。在Servo-i呼吸机使用过程中，确保气源压力在200～650 kPa范围内，能防止气体模块中的压力传感器受损。病人呼出的气体，可以先经过一个过滤器再连接到呼气盒，可以有效保护呼气压力传感器和呼气盒内的流量传感器，从而降低机器故障率[14]。
压力传感器应用于医疗设备维修中的不只是Servo-i呼吸机，PB760呼吸机、鸟牌SIPAP、多参数监护仪的血压模块等也都用到了压力传感器。理解了压力传感器与惠斯登电桥的关系，有助于我们判断故障点，快速解决问题的同时省下一笔维修费。
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Working Principle of Servo-i Respirator Pressure Sensor and Three Troubleshooting Cases