最新传感器原理及检测技术课件PPT.ppt 87页

'传感器原理及检测技术 第一节传感器的地位和作用传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器是获取信息的主要途径与手段。没有传感器，现代化生产就失去了基础。传感器是边缘学科开发的先驱。第一章绪论可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 第二节传感器的定义国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。①传感器是测量装置，能完成检测任务；②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。V、I、F、P 结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器，这些方程式就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。 能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。能量转换型传感器，又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。 按照物理原理分类：★电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；★磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；★压电式传感器：声波传感器、超声波传感器；★光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；★气电式传感器：电位器式、应变式；★热电式传感器：热电偶、热电阻；★波式传感器：超声波式、微波式等；★射线式传感器：热辐射式、γ射线式；★半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；★其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。 第五节传感器的发展趋势传感技术的发展分为两个方面：●提高与改善传感器的技术性能；●寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。一、改善传感器的性能的技术途径1．差动技术差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。 2．平均技术在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为δΣ=±δ/√n式中n—传感单元数。可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。 3．补偿与修正技术补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：★针对传感器本身特性★针对传感器的工作条件或外界环境对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。 4．屏蔽、隔离与干扰抑制传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：减小传感器对影响因素的灵敏度降低外界因素对传感器实际作用的程度对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。 5．稳定性处理在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。 二、传感器的发展动向开发新型传感器开发新材料新工艺的采用集成化、多功能化智能化开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化 传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。1．开发新型传感器新型传感器包括：①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。 传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。2．开发新材料（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。 在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。3．新工艺的采用例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。 4．集成化、多功能化同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。 5．智能化对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。如，DS18B20、传感器测量系统 传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。第六节传感器的特性传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性； 实际上传感器的静态特性要包括非线性和随机性等因素，如果把这些因素都引入微分方程．将使问题复杂化。为避免这种情况，总是把静态特性和动态特性分开考虑。传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用图大致如图所示。传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。 稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响传感器输入输出作用图输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标 静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。一、静态特性技术指标1．线性度传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：式中：y—输出量；x—输入量；a0—零点输出；a1—理论灵敏度；a2、a3、…、an—非线性项系数。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn 通常用相对误差γL表示：ΔLmax一最大非线性误差；yFS—量程输出。在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。γL=±(ΔLmax/yFS)×100%①理论拟合；②端点连线平移拟合；③端点连线拟合；④过零旋转拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合 直线拟合方法a)理论拟合b)过零旋转拟合c)端点连线拟合d)端点连线平移拟合 设拟合直线方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法最小二乘法拟合y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，即Δi=yi-(kxi+b)对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式 即得到k和b的表达式将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。 2．迟滞0yx⊿HmaxyFS迟滞特性式中△Hmax—正反行程间输出的最大差值。迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即 3．重复性yx0⊿Rmax2⊿Rmax1重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。重复性误差也常用绝对误差表示。检测时也可选取几个测试点，对应每一点多次从同一方向趋近，获得输出值系列yi1，yi2，yi3，…，yin，算出最大值与最小值之差或3σ作为重复性偏差ΔRi，在几个ΔRi中取出最大值ΔRmax作为重复性误差。△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。 4．灵敏度与灵敏度误差γs=(Δk/k)×100%由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。K=Δy/Δx传感器输出的变化量y与引起该变化量的输入变化量x之比即为其静态灵敏度，其表达式为 分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。5．分辨力与阈值分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。6．稳定性测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。 测试时先将传感器置于一定温度(如20℃),将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数(如5℃或10℃),再读出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差。8．抗干扰稳定性7．温度稳定性温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发生的变化。温度稳定性误差用温度每变化若干℃的绝对误差或相对误差表示,每℃引起的传感器误差又称为温度误差系数。指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。 9．静态误差取2σ和3σ值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差来表示，即静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差,看成是随机分布,求出其标准偏差,即静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。yi—各测试点的残差；n一测试点数。 与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)10、精确度准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5℃。精密度是随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。 精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。 被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。二、传感器的动态特性动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。标准输入有三种：经常使用的是前两种。正弦变化的输入阶跃变化的输入线性输入 1．数学模型与传递函数分析传感器动态特性，必须建立数学模型。线性系统的数学模型为一常系数线性微分方程。对线性系统动态特性的研究，主要是分析数学模型的输入量x与输出量y之间的关系，通过对微分方程求解，得出动态性能指标。对于线性定常（时间不变）系统，其数学模型为高阶常系数线性微分方程，即y——输出量；x——输入量；t——时间a0，a1，…，an——常数；b0，b1，…，bm——常数——输出量对时间t的n阶导数；——输入量对时间t的m阶导数返回2返回1 动态特性的传递函数在线性或线性化定常系统中是指初始条件为0时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数Y(s)——传感器输出量的拉氏变换式；X(s)——传感器输入量的拉氏变换式上式分母是传感器的特征多项式，决定系统的“阶”数。可见，对一定常系统，当系统微分方程已知，只要把方程式中各阶导数用相应的s变量替换，即求出传感器的传递函数。 正弦输入下传感器的动态特性（即频率特性）由传递函数导出为一复数，它可用代数形式及指数形式表示，即=式中—分别为的实部和虚部；—分别为的幅值和相角；K=可见，K值表示了输出量幅值与输入量幅值之比，即动态灵敏度，K值是ω的函数，称为幅频特性，以K(ω)表示。 1．动态响应（正弦和阶跃）（1）正弦输入时的频率响应零阶传感器在零阶传感器中，只有a0与b0两个系数，微分方程为a0y=b0xK——静态灵敏度零阶输入系统的输入量无论随时间如何变化，其输出量总是与输入量成确定的比例关系。在时间上也不滞后，幅角等于零。如电位器传感器。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似地当作零阶系统处理。 一阶传感器微分方程除系数a1，a0，b0外其他系数均为0，则a1(dy/dt)+a0y=b0xτ—时间常数(τ=a1/a0)；K——静态灵敏度(K=b0/a0)传递函数：频率特性：幅频特性：相频特性：负号表示相位滞后时间常数τ越小，系统的频率特性越好 二阶传感器很多传感器，如振动传感器、压力传感器等属于二阶传感器，其微分方程为：τ—时间常数，；ω0—自振角频率,ω0=1/τξ—阻尼比，；k—静态灵敏度，k=b0/a 不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。传递函数幅频特性相频特性频率特性 2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)ωτ(b)0-30°-60°-90°-120°-150°-180°0.511.522.5ωτξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=1ξ=0.8ξ=0.707ξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=0.707ξ=0.8ξ=1ξ=0.8ξ=1ξ=0.707ξ=0.6ξ=0.4ξ=0.2ξ=0二阶传感器幅频与相频特性（a）幅频特性（b）相频特性当ξ→0时，在ωτ=1处k(ω)趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着ξ的增大，谐振现象逐渐不明显。当ξ≥0.707时，不再出现谐振，这时k(ω)将随着ωτ的增大而单调下降。阻尼比的影响较大。 （2）阶跃输入时的阶跃响应一阶传感器的阶跃响应对一阶系统的传感器，设在t=0时，x和y均为0，当t>0时，有一单位阶跃信号输入,如图。此时微分方程为tx01(dy/dt)+a0y=b1(dx/dt)+b0x齐次方程通解：非齐次方程特解：y2=1(t>0)方程解：tx01以初始条件y(0)=0代入上式，即得t=0时，C1=-1，所以输出的初值为0,随着时间推移y接近于1,当t=τ时,y=0.63在一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。 二阶传感器的阶跃响应单位阶跃响应通式ω0——传感器的固有频率；ζ——传感器的阻尼比特征方程根据阻尼比的大小不同，分为四种情况：1）0＜ξ＜1(有阻尼)：该特征方程具有共轭复数根方程通解根据t→∞,y→kA求出A3；根据初始条件求出A1、A2，则令x=A 其曲线如图，这是一衰减振荡过程,ξ越小,振荡频率越高,衰减越慢。tw0.021ttmδmξ<1的二阶传感器的过渡过程(设允许相对误差γy=0.02)2)ξ=0(零阻尼)：输出变成等幅振荡，即发生时间过冲量稳定时间tW=4τ/ξ 4）ξ>1（过阻尼）：特征方程具有两个不同的实根3)ξ=1(临界阻尼)：特征方程具有重根-1/τ,过渡函数为上两式表明，当ξ≥1时，该系统不再是振荡的，而是由两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后者两个时间常数不同。过渡函数为 实际传感器，ξ值一般可适当安排，兼顾过冲量δm不要太大，稳定时间tω不要过长的要求。在ξ＝0.6～0.7范围内，可获得较合适的综合特性。对正弦输入来说，当ξ=0.6～0.7时，幅值比k(ω)/k在比较宽的范围内变化较小。计算表明在ωτ＝0～0.58范围内，幅值比变化不超过5％，相频特性中φ(ω)接近于线性关系。对于高阶传感器，在写出运动方程后，可根据式具体情况写出传递函数、频率特性等。在求出特征方程共轭复根和实根后，可将它们分解为若干个二阶模型和一阶模型研究其过渡函数。有些传感器可能难于写出运动方程，这时可采用实验方法，即通过输入不同频率的周期信号与阶跃信号，以获得该传感器系统的幅频特性、相频特性与过渡函数等。 一、与测量条件有关的因素(1)测量的目的；(2)被测试量的选择；(3)测量范围；(4)输入信号的幅值，频带宽度；(5)精度要求；(6)测量所需要的时间。第七节传感器的选用原则 二、与传感器有关的技术指标(1)精度；(2)稳定度；(3)响应特性；(4)模拟量与数字量；(5)输出幅值；(6)对被测物体产生的负载效应；(7)校正周期；(8)超标准过大的输入信号保护。 三、与使用环境条件有关的因素(1)安装现场条件及情况；(2)环境条件(湿度、温度、振动等)；(3)信号传输距离；(4)所需现场提供的功率容量。四、与购买和维修有关的因素(1)价格；(2)零配件的储备；(3)服务与维修制度，保修时间；(4)交货日期。 心肺复苏心脏呼吸骤停是临床上最为紧迫的情况，针对这一情况采取的最初的急救措施，称为心肺复苏（cardio-pulmonaryresuscitationCPR），又称为心肺脑复苏（CPCR）。 一、发展史早在1947年美国ClaudeBeek教授首次报道对一室颤患者电除颤成功，以后除颤器材不断改善；PeterSafer1958年发明口对口人工呼吸，因为简单易行、潮气量大而被确定为呼吸复苏的首选方法；1960年WilliamKouwenhoven等发表了第一篇有关胸外心脏按压的文章，被称为心肺复苏的里程碑。口对口呼吸法和胸外心脏按压的结合，配以体外电击除颤法，构成现代复苏的三大要素。 发展史1966年全美复苏会议对CPR技术加以标准化；1985年第四届全美复苏会议对过去的CPR标准进行了评价和修改，并强调CPR的目的比仅仅是使患者恢复心跳和呼吸，而必须达到恢复智能和工作能力，后者更为重要，将CPR的全过程称为CPCR。 发展史美国心脏病协会后将CPR的标准改为指南，不断修改完善，在此基础上，由美国心脏病协会发起并组织在Dallas举行数次国际会议，将指南修订成心脏病紧急救治和CPR国际指南（《InternationalGaidelines2000forECCandCPR》），2000年发表在Circulation杂志上，对规范和统一CPR的诊断和治疗标准，提高心脏呼吸骤停患者的抢救成功率具有重要意义。 二、心脏呼吸骤停的原因（一）心脏呼吸骤停的原因导致心脏呼吸骤停的原因众多，80%以上是由于心血管疾病所致，20%左右为其他原因。1．心血管疾病冠心病（占80%）：急性心肌缺血、心肌梗死、心脏破裂、心功能不全、冠状动脉栓塞等。非粥样硬化性冠状动脉病：冠状动脉口狭窄、风湿性冠状动脉炎、冠状动脉畸形等。 心脏呼吸骤停的原因主动脉疾病：夹层动脉瘤、主动脉发育异常（Marfan综合征等）。心内膜疾病：感染性心内膜炎、心瓣膜病、二尖瓣脱垂。心肌疾病：肥厚梗阻性心肌病、克山病、病毒性心肌炎等。心脏肿瘤：心房黏液瘤、心脏间皮瘤等。其他：高血压心脏病、肺动脉栓塞、遗传性Q-T间期延长、心脏传导系统疾病等。 心脏呼吸骤停的原因2.非心血管疾病意外事件：严重创伤、电击伤、溺水、窒息中毒：有机磷农药、灭鼠药。各种原因所致严重休克酸碱失衡与电解质紊乱：酸中毒、高钾血症药物所致恶性心律失常：洋地黄、抗心律失药物。其他:脑血管意外和重症坏死性胰腺炎。 心脏呼吸骤停的原因3.手术及其他诊疗操作中的心脏呼吸骤停心包和胸腔穿刺。心导管检查和心血管造影。嗜铬细胞瘤摘除术中和心脏手术过程中。 心脏呼吸骤停的原因4.迷走神经受刺激致反射性心脏呼吸骤停气管造口，气管插管，咽喉、气管、支气管吸引—咽心反射。压迫双侧眼球、双侧颈动脉窦—窦弓反射。胸、腹部手术，牵拉肺门或肠系膜。其他：如胆心反射、妇科检查等。5.麻醉意外 三心脏呼吸骤停后的病理生理改变1．主要脏器对缺氧的耐受能力即在常温下，心脏骤停后主要脏器发生不可逆性损害的时间阈值。脑、神经系统：大脑4~6min，小脑10~15min，延髓20~30min，交感神经节60min.心脏、肾小管：30min。肝细胞：1~2h。肺组织：更长。 病理生理改变2.心脏骤停后的基本病理生理改变CO2潴留呼吸性酸中毒。缺氧酸性产物蓄积代谢性酸中毒。能量生成减少和耗竭缺氧时糖转为无氧酵解，ATP的产生仅相当于有氧氧化的1/19~1/20。缺氧继续加剧时，无氧酵解也只能维持4~6分钟。如果无氧酵解停止，能量来源即断绝，细胞则不能维持存活。 病理生理改变迷走神经过度兴奋:严重缺氧，CO2潴留，酸中毒，内脏的机械刺激均可引起迷走神经过度兴奋，导致冠状动脉痉挛和心脏传导障碍以致发生心跳聚停。其它如机械刺激眼球、颈动脉窦、咽、气管、支气管、肺门、主动脉弓、心脏、心包、腹肌以及肠系膜等均可引起迷走神经兴奋而促使心跳聚停。 心脏呼吸骤停的诊断1.一般临床表现然意识丧失、昏迷（心脏骤停10-20秒出现）。面色苍白、紫绀。颈动脉波动消失，脉搏消失。心音消失。呼吸骤停或呼吸开始抽泣样，逐渐缓慢停止。双侧瞳孔散大（30-40秒出现）。四肢抽搐。以上各点以突然意识丧失、昏迷、紫绀和颈动脉搏动消失最为重要。以次考虑心脏骤停，立即行CPR。 临床表现2.心电图诊断心脏骤停的心电图特点：心室纤维颤动；心室静止；电—机械分离。 心肺复苏术1．注意事项在诊断和抢救心脏呼吸骤停者时，如突然出现意识丧失、昏迷、全身紫绀、颈动脉搏动消失，就应立即进行CPR。应注意以下几点：不要等到静听心音有无才开始抢救。不要等到以上判断心脏骤停的各项指标都具备才开始抢救。不要等到心电图证实才开始抢救。 心肺复苏术2．基础生命支持（basiclifesupport,BLS）即紧急供氧期，主要目的是提供最低限度的心、脑供血，正确的CPR术可提供正常供血的25%-30%或以上。 基础生命支持基础生命支持包括3个步骤，即ABC方案：步骤A：开放气道（airwaycontrol+assessment）,仰头抬颌法：病人平卧地上，术者左手将患者头向后仰，右手将患者下颌向上抬，使口腔直轴与气道成直线，以利通气。步骤B：人工呼吸（breathing）,头部位置同上，进行口对口人工呼吸。每次吹气量约800ml。频率一般为12次/分。 基础生命支持步骤C：建立循环（circulation）,使心脏复跳。拳击心前区：右手握拳，从30cm高度向下拳击1-2次。相当于5J能量。适用于心脏骤停1min以内者。胸外心脏按压：部位：胸骨中下1/3交界（胸骨下角上2横指）。重量：患者胸骨下陷4-5cm。频率：100次/min。方法：术者位于患者右侧，两臂伸直与患者垂直，左手掌根部紧贴患者胸部，右手叠加其上，利用术者上身的重量下压。 基础生命支持胸外按压与人工呼吸的比例双人和单人CPR均为15：2。以上ABC步骤也叫徒手心肺复苏，适用于各种场合。有效胸外按压的指标：可触及颈动脉搏动；可测出血压，SP60mmHg左右；心电显示明显的RS波。 心肺复苏术3.进一步生命支持紧接上述ABC步骤进行。气管插管或球囊面罩给氧。非同步直流电除颤：针对心脏骤停的主要原因。第一次用200J，第二次200-300J，第三次300J。如室颤为细颤，可先用肾上腺素1mg静脉注射后再除颤。建立静脉通道。药物除颤与起搏 心肺复苏术起搏药物盐酸肾上腺素：是心脏复苏的首选药物，主要作用于肾上腺素能α和β受体，作用有①兴奋窦房结；③扩张冠状动脉和脑血管；④收缩外周血管，升高主动脉舒张压和冠状动脉灌注压。剂量：首剂1mg,无效3-5分钟后重复一次，再无效可加大剂量。血管加压素（垂体后叶素）：通过收缩外周血管，增加主动脉内舒张压，增加心脏灌注，促进心脏复跳。20-40mg静脉推注。 心肺复苏术给药途径：有三种：静脉注射、心内注射和气管内给药。心内注射：优点：显效快，效果直接。成功率达30-40%，一般在未建立静脉通道或建立静脉通道有困难时使用。缺点：要中断心脏按压，可发生气胸，注入心肌形成坏死灶。近年来已不主张采用。 心肺复苏术静脉注射：优点：作用快，没有心内注射的缺点，中心静脉穿刺给药效果与心内注射相当。缺点：要先建立静脉通道，应急性差；如通道在下肢或针头太细，药物发挥作用较慢。气管内给药优点：作用速度亦较快；无心内注射之缺点缺点：要先建立气管插管；给药剂量大，作用时间长，引起复苏后的副作用；效果不如静脉给药。 心肺复苏术病因治疗：如纠正缺氧、电解质紊乱、酸碱失衡、低温、药物中毒等。 心肺复苏术4.长期生命支持（prolongedlifesupport,PLS）保持通气，维持充分氧供：必要时做气管切开。维持血压：补充足够血容量,使用血管活性药物。纠正酸中毒。维持水、电解质平衡。镇静、抗癫痫。 长期生命支持脑复苏及功能维护：心脏骤停后，脑组织急性缺血必然导致缺氧性脑损伤，其严重程度与心脏骤停的时间密切相关。部分患者虽然获心肺复苏成功，但终因不可逆性脑功能损害而致死亡或残留严重后遗症。因此，脑复苏是心肺复苏最后成败的关键。在缺氧状态下，脑血流的自主调节功能丧失，脑血流的维持主要依赖于脑灌注压（平均动脉压、与颅内压之差值）。所以通过维持平均动脉压，降低颅内压，以提高脑灌注压尤为重要。 脑复苏及功能维护主要措施：保持稳定的循环、呼吸功能和酸碱平衡。降温（尤其头部），一般以32℃为宜，不能低31℃，可以用物理降温或加用冬眠药。降温宜尽早实施。降至32℃时，脑代谢降低50%，颅内压下降27%。脱水：用20%甘露醇，甘油糖果，或25%山梨醇、30%尿素，加激素、速尿。防治抽搐:可用冬眠药，醒脑静。纠正缺氧:必要时高压氧治疗（宜尽早进行）CRRT的应用。 脑复苏及功能维护脑复苏有效的体征：瞳孔小缩是脑复苏有效的最有价值和敏感的体征。但应注意药物的影响。有对光反射，是良好的体征，但复苏早期难以引出。睫毛反射出现表示心跳恢复后神志可能很快恢复，角膜反向亦然挣扎，突然发生挣扎是复苏有效和脑功能恢复的早期体征，但严重挣扎不好。肌张力增强和吞咽反射出现是脑活动恢复的体征。 长期生命支持其它脏器功能的维护及防治急性肾功衰：心跳停止时间过长（个体有别），复跳后循环功能不良，收缩压长时间在60mmHg以下，均可发生急性肾功衰。 长期生命支持急性肾功衰早期表现少尿（＜25-30ml/h＝及尿比重固定或降低，如果尿量减少，比重固定在1.012以下，则进行补液利尿试验：25-50%葡萄糖液100-200ml快速点滴，或低分子右旋糖酐125-250mL静滴，如尿量不增加，可给速尿或利尿酸钠静注一次，如补液后中心静脉压上升，而尿量增加不到40ml以上时说明急性肾功衰存在。尿常规可有血尿、蛋白尿、管型尿。血BUN、Cr可能升高，血钾亦可能升高。治疗：在改善和稳定循环，改善缺氧的基础上积极按急性肾功衰处理，必要时行血液净化治疗。 长期生命支持DIC、ARDS、MODS、SIRS的防治。CPR成功率的要素尽早实施CPR。尽早除颤。具备组织良好、高效率和装备合格的EMSS，以及熟练的人员。 2000指南对CPR所做重要修订CPR的范围：扩大到心脏骤停以前ILCOR（国际复苏联合委员会）和AHA（美国心脏协会）认为，将指南的应用限定在没有脉搏和心跳完全停止的患者是危险的，客观上是将某些患者送上了“心脏聚停之路”。指出一系列心脏聚停前情况，如能得到即时有效的治疗，就可避免恶化到需要复苏的程度。即使治疗无效，病情继续恶化，了解心跳停止前的病情仍可影响进一步的治疗手段。 2000指南对CPR所做重要修订判断心脏骤停时取消脉搏检查而以评估循环体征（正常呼吸、咳嗽和人工呼吸时的活动反应）代替，并在10秒种内完成。1992年以来许多研究表明现场救护者很难准确判断颈动脉搏动的有无，触诊脉搏花时间太长，且经常得出错误结论。现场目击心脏聚停时，救护者如果判断错误，认为还有脉搏，就不会进行胸外按压和体外除颤。这一情况称“假阴性”错误，此类错误发生率为10%。 2000指南对CPR所做重要修订提高胸外心脏按压的频率：儿童和成人胸外心脏按压的频率均为100次/分。胸外心脏按压和人工呼吸的比例：单人和双人CPR时均为15：2。提倡用球囊面罩代替气管插管：二者同样有效。现场复苏无效者，就地宣布死亡。鼓励家属参与复苏。'