医疗应用中的压力测量

医疗应用中的压力测量（共3篇）

医疗应用中的压力测量 篇1

引 言

随着时代的进步,人们对身体健康的不断重视,将有更多的人投入到体育锻炼中来,运动功能鞋将具有良好的市场前景,因此,对运动功能鞋的设计就提出了更高的要求。足底压力测量技术的进一步发展,将为运动功能鞋的设计提供更加科学的依据。

足底压力测量技术作为揭示人体“足-鞋”状态下的足底压力分布特征与模式的方法之一,为运动功能鞋的设计及制鞋工业带来了技术支持。目前很多健身鞋、减肥鞋以及运动功能鞋都是通过运用足底压力测量技术研究得到的成果。世界上许多著名运动功能鞋品牌,如耐克、锐步、阿迪达斯等都有自己专门的研究机构,在设计、开发专项运动功能鞋和个性化运动功能鞋时,对其进行运动学和动力学测试。国际运动医学会主席Kai-Ming Chan教授在2004年已指出:目前市场上的运动功能鞋、健身鞋的设计与开发几乎都离不开足底压力测量[1]。

1 足底压力测量技术的发展

1882年英国人Beely率先开始研究压力分布测量技术[1],但该技术真正快速发展始于20世纪50年代,而应用于足底的研究起步更晚些[2]。足底压力测量作为当今步态研究、足疾诊断和运动功能鞋设计等领域的支撑技术,其技术发展历经足印法、足底压力扫描器、测力板、测力台、压力鞋及压力鞋垫等阶段[3]。

足印法与足底压力扫描都是定性分析,足底受力的大小只能根据变形物质的形变形态及深浅或者图像的变化做大致的判定。足印法只能记录足底的压力峰值,测不出瞬时压力;足底压力扫描技术是在一块玻璃的两端安置光源,玻璃上放置橡胶等弹性垫,当脚踩在弹性垫后,由于光在玻璃内全反射,受压的弹性垫即可在玻璃下产生一清晰的足印象,影像的光强度正比于压力。足底压力扫描技术虽然可辨认高压力点,但灰度的均匀变化很难肉眼分辨。

测力板、测力台、压力鞋和压力鞋垫则是在换能器、传感器基础上发展起来的测试系统。测力板和测力台可以准确测量足或鞋底的压力及分布,但无法评定“足-鞋”界面的受力情况[4]。同时由于测力板和测力台的面积有限,通常只能测定人体站立或运动一步的压力参数,不利于动态研究。压力鞋和压力鞋垫则是将传感器安置在鞋和鞋垫中,由于鞋或鞋垫与足底贴服,因此它可以连续测定“足-鞋”界面压力的连续参数,并进行实施监测和反馈[5]。

目前在运动功能鞋研究中最常用的是测力板、测力台以及鞋垫式足底压力测量技术,其中鞋垫式足底压力测量技术可以根据研究需要,调整压力鞋垫的大小,并可以在不同种类的鞋子上进行测量。

2 足底压力测量技术在运动功能鞋领域的应用及进展

随着人们物质生活水平的提高,运动鞋已成为人类日常生活的必备品,人们对足部保健日趋重视,不再仅仅满足于运动鞋的装饰性,更加强调运动鞋的功能性。足底压力测量技术也已被用于鞋靴,尤其是运动功能鞋的设计与开发中。在国内,对运动功能鞋的研究也方兴未艾,有少数专门机构根据足底压力测量技术专门对运动功能鞋进行研究。

2.1 在“功能部件设计”中的应用及进展

国内外研究人员通过对测试者在穿不同运动功能鞋状态下,用足底压力测量技术测得的足底压力进行深入广泛的研究,试图通过足底压力分布状况,对功能部件进行设计,以强化其功能性。

2.1.1 鞋跟设计

Joanne R.E.[6]等运用压力鞋垫测量技术对受试者穿着不同高度鞋跟状态下的足底压力进行了测定,认为:鞋后跟高度是导致足底压力及其分布产生变化的主要原因,鞋跟高度和粗细对足底压力分布具有重要影响。运动功能鞋为了满足其功能的要求,通常都在鞋跟部位进行特别设计,因此鞋跟设计是运动功能鞋不容忽视的重要因素。

另外国内一些学者就鞋跟高度也做了一些研究,王立平等[1]通过运用Footscan测力平板对青年女性行走过程中,裸足、平底鞋、中跟鞋和高跟鞋的足底压力分布进行研究,结果发现:穿高跟鞋行走时足前掌受力明显增加,足跟受力减小;足底受力面积随鞋跟的增高而减小,鞋跟高度对足前区和足中区受力面积影响较大,因此在运动功能鞋设计过程中一定要依据足底压力分布特征进行设计以满足其功能的需求。

2.1.2 鞋底设计

预防或降低运动中发生损伤的措施在于合理设计鞋底。鞋底是人脚与地面之间的媒介,其主要作用是尽可能吸收或降低地面对人体的反作用力。鞋底设计的主要目的在于减小足底较大受力部位的受力或通过鞋底结构的特殊设计将足底各部分的压力进行重新分布,以减小足底局部的受力值。

Joanne R.E.[6]等人在运用压力鞋垫对穿着不同运动功能鞋正常行走状态下的足底压力进行分析,结果发现:运动功能鞋设计过程中鞋底的结构设计对足底压力的产生和分布起着不容忽视的作用;方廷[7]在对运用压力鞋垫测量技术测得的足底压力的研究中指出:鞋底的周边(后跟、中腰、前掌)向内10~15mm是受到摩擦最多的部位,传统波浪纹因其具备良好的止滑性和耐磨性,常常用在运动功能鞋的鞋底;G.Brizuela[8]等曾同时使用测力板和压力鞋垫两种足底压力测量技术对足球鞋的鞋底生物力学设计进行研究,结果发现:鞋底有13个凸起在提高成绩和防护方面的效果优于鞋底有14和15个凸起;另外陈福华[9]也曾利用测力板对测得的足底压力进行研究,通过获得的压力数据进行分析,发现在运动功能鞋鞋底的设计中,足弓悬空设计在一定程度上能够减少足弓区域的冲量,比足弓部无悬空鞋底设计要好。以上所有关于运动功能鞋鞋底设计的成果均是基于足底压力测量技术的基础之上,可见足底压力测量技术对指导运动功能鞋的鞋底设计起到了积极的作用。

2.2 在“运动功能鞋开发”中的应用及进展

鞋穿着是否舒适的一个重要标志就是脚的受力情况,而足底的压力是穿鞋行走时最重要的力学性能参量。代浩然、蔡宇辉[10]等采用德国Novel公司的Pedar鞋垫式足底压力测量系统,对穿着匡威、李宁、锐步和安踏4种慢跑鞋慢跑时的足底压力进行了测量,根据测量的数据对各款慢跑鞋的舒适性设计提出了参考意见;耐克在2004年推出了Nike Shox系列运动功能鞋,这款鞋是根据足底压力分布而设计的符合人体生物力学要求的运动产品,不仅具有气垫的缓冲、减压、减震作用,而且还能够提供推力;崔丽娜[11]应用比利时Rsscan公司研发的Footscan足底压力测试系统,测量了50名男青年在不同运动状态下的足底压力分布情况,结合足底压力数据、篮球运动的运动特点等进行综合分析,指出篮球鞋鞋底应具备稳定性、抗扭以及轻量化等功能。

2.3 在“运动功能鞋检测”中的应用及进展

刘静民、郑秀媛[12]等采用德国Novel公司的Pedar鞋垫式足底压力测量系统,对15名男运动员和10名女运动员分别穿着慢跑鞋、马拉松鞋和体操鞋进行不同速度下的足底压力测量,通过分析测得的足底压力数据,对不同运动功能鞋的减震性能进行了评价,同时还对不同运动功能鞋的舒适性进行了测试和评价。蔡宇辉[13]将足底压力分布测量、鞋底材料压缩测试及鞋内底曲线吻合度等方法相结合,不仅可以定量地分析慢跑鞋在不同运动速度下的缓冲减震功能,从而得出影响慢跑鞋鞋底功能的本质因素;而且证实了这种组合方法是对慢跑鞋缓冲减震性能进行检测的有效方法。陆毅琛等对穿运动功能鞋时足底压力的分布测量,揭示了现代运动功能鞋缓冲振动的基本力学特征。霍洪峰[14]等人利用足底压力测试系统和三维测力台相结合,对不同慢跑鞋的减震性能、足底压力进行了检测。

3 小 结

当前,功能研究是运动鞋研究的热点之一,而足底压力测量是当今运动功能鞋研究中使用最频繁的技术;随着新技术发展、新仪器的产生,足底压力研究必将推动运动功能鞋研究的进一步发展。

随着足底压力测量技术的不断发展和逐步深入,其指标和内容也会不断拓展,如静态和动态足底压力特征分析、足底各区域压力分布分析、特殊人群和特殊环境与压力分布的关系等,这些都为运动功能鞋的研发提供了技术支持。但各项研究的系统性和深度还不够,尤其是足底压力测量的各项指标在运动功能鞋中的具体应用研究还不多,还有很多课题值得进一步研究。

摘要：足底压力测量技术是研究穿鞋状态下足-鞋界面压力分布的必要手段。本文回顾了足底压力测量技术的发展历史,概述了足底压力测量技术在运动功能鞋的设计、功能开发和检测三个方面中的应用及发展。

关键词：运动功能鞋,足底压力,压力分布,测量技术

随钻压力测量技术的研究与应用 篇2

1. P W D传感器基本原理及应用

1.1 PWD传感器基本原理

随钻压力传感器P W D主要由通讯端口、电子元件、压力传感器、温度传感器和井眼环空压力检测端口构成, 如图1所示。压力传感器主要是检测钻杆内和井眼环空的压力。温度传感器主要是检测传感器的工作环境温度。通讯口主要是进行数据的读取和通讯。电子元件主要是控制测量数据的采样、处理和存储。井眼环空压力检测端口是为了使传感器内的压力传感器能检测井眼环空压力。

施工过程中, 传感器内部的压力传感器、温度传感器通过压力检测端口随时检测钻具内部、井眼环空的工作压力 (地层压力) 和传感器工作环境温度 (地层温度) , 电子线路控制所有数据的采集、处理和存储, 所有测量数据可以通过数据通讯口由MWD向地面实时传输, 从而实现实时温度、地层压力测井。存储的数据可以在传感器出井后在地读取, 以利用详细的压力、温度测井数据对地层进行更准确的分析。

1.2 PWD传感器的应用[1]

地层漏失 (LOT) 测试及地层完整性测试 (FIT) 。

根据测量的压力值, 监视井眼清洁状况和井壁坍塌情况, 进行卡钻前预警。

监测钻井过程中井眼内泥浆携砂情况, 协助进行泥浆参数的优化。

通过PW D井底记录的数据来分析井下复杂情况 (诸如地层破裂) 发生的原因。

1.3 PWD传感器的应用环境

高成本钻井环境;

复杂地层 (裂缝、高压气层) 钻井环境;

近平衡或欠平衡钻井环境 (配合精确控压钻井系统则效果更佳) 。

2. P W D主要应用模式及现场操作

2.1 PWD主要应用模式

PWD随钻压力测井主要有以下几种模式[1]:

1) 最小关泵环空压力 (Minimum Pump-off Annular Pressure) ;

2) 最大关泵环空压力 (Maximum Pump-off Annular Pressure) ;

3) 平均关泵环空压力 (Average Pumps-off Annular Pressure) ;

4) 钻柱内部压力 (PWD Internal Pressure) ;

5) 井眼环空压力 (PWD Annular Pressure) ;

6) 泥浆当量循环密度 (ECD) 及泥浆当量密度 (EMW) ;

7) 钻井过程中钻具的状态 (包括起下钻、循环等) ;

通常最小关泵环空压力反应的是钻柱上提或起钻时对地层造成的抽吸 (Sw a b Pressure) 压力;最大关泵环空压力反应的是下放钻柱或下钻时对地层造成的激动压力 (Surge Pressure) ;平均关泵环空压力所反应的是近似于静态时的泥浆液柱压力 (也即静液柱压力) ;钻柱内部压力和井眼环空压力所反应的是动态及静态状况下钻柱内部及井眼环空内的压力;泥浆当量循环密度 (ECD) 及泥浆当量密度 (EMW) 则是根据所测的环空压力及井深算出的泥浆密度值。

2.2 PWD现场操作

为了解井底压力情况, 我们首先需要按照操作程序对PWD进行一个下井前的可信度测试, 包括PWD传感器的类型、PIC (通讯协议) 版本号、传感器内部环空压力及温度等测试。待测试显示正常后, 我们按照既定的参数进行设置, 如采样率、延迟时间、PWD传感器尺寸等参数。此外, 为方便现场施工人员的监测与分析, 我们还要设定一组传输序列, 将井底压力的参数按照施工者的意图传输至地面, 以方便解释与应用, 在现场中通常以如下窗口进行实时监测:见图2。

3. P W D随钻压力测量传感器的解释与应用

在实时压力测量监测过程中, PWD随钻压力测量传感器为我们提供了多种参数以帮助现场施工, 如:配合钻时曲线 (ROP) 、大勾高度及井深参数可以了解当前的钻具或钻井状态;应用钻柱内部压力 (PWD Internal Pressure) 及井眼环空压力 (PWD Annular Pressure) 曲线可以解释当前的钻进状态 (钻进、循环或短起下等) 及钻具状态 (起下钻、短起、接立柱或单根等) ;而使用泥浆当量循环密度 (ECD) 及泥浆当量密度 (EMW) 、最小关泵环空压力 (Minimum Pump-off Annular Pressure) 及最大关泵环空压力 (Maximum Pump-off Annular Pressure) 参数可以知道当前井下可能发生复杂情况, 如井涌、井漏、气侵、地层流体侵入等等, 同时如果配合钻压、扭矩参数还可以分析马达性能及优化钻井参数;在复杂区块通过PWD压力参数还有利于地质师准确把握当地的地层压力特征及油藏特点, 总之在钻进过程中使用PWD随钻压力传感器将有利于现场的施工及判断井下复杂情况, 进而优化钻井参数, 提高钻井效率并保障井下安全以达到安全生产目的。

4. P W D随钻压力传感器的应用实例及分析

为了充分发挥随钻压力测量技术在实际钻井过程中的优势, 我们有针对性进行了多口井的实验, 从这些试验中我们不仅达到了预期目的, 同时还获得了宝贵的经验, 尤其在储层方面的认识有了新的突破。以下几个方面就是在不同的生产井中实践所得出的结论:

4.1 井眼清洁 (携砂能力) 判断

图3所反应的是钻具刚下到井底时的钻井状态及调整泥浆比重后钻井状态, 图中可以看出, 钻具刚开始建立循环通路时泥浆比重为1.6 4 g/c m3左右, 但是循环一段时间后泥浆比重逐渐在下降并达到一定值1.63g/cm3左右, 出现这种情况主要是泥浆携砂能力较低而导致泥浆中岩屑下沉 (从悬停状态转为下沉状态) , 进而泥浆比重变低。于是在当天20:00左右要求井队处理泥浆, 从图中可以看出处理完泥浆后泥浆的比重逐渐增大 (1.66g/cm3左右) , 而后泥浆比重又开始降低至另一定值 (1.64g/cm3左右) , 这种情况表明, 由于处理后的泥浆携砂能力提高, 导致井底岩屑被带出, 进而导致泥浆比重增大, 随着岩屑的不断带出泥浆的比重也开始下降, 当循环到一定程度, 井底岩屑不断被带出后泥浆比重趋于一定值。

4.2 地层流体侵入监测

图4所反应的是当有地层流体侵入环空时的情形。从图中的实时随钻环空压力当量密度曲线 (RT PWD Annular Eqv Mud W t) 看出, 地层流体侵入前的泥浆当量密度为8.5ppg, 但钻至当地时间18:00左右, 环空内泥浆当量密度突然增大并持续增高, 当量泥浆密度从8.5ppg增大至9.4 5 p p g, 此时通知井队停止钻进并开始循环监测, 同时做好预防工作。循环至20:00左右, 泥浆密度恢复至8.5ppg, 此时又开始恢复钻进。出现这种情况的主要原因是由于有地层流体侵入时, 地层中的岩屑也随着流体一并流入到环空, 从而导致泥浆比重增大, 经处理泥浆并慢慢循环后地层中流体所携带的岩屑被逐渐带出, 泥浆比重也开始逐渐下降, 当全部岩屑被带出后泥浆比重又降到一定值, 恢复钻进后泥浆比重又逐渐恢复到初始状态。

4.3 泥浆漏失监测

图5所反应的是地层被压漏的情况下所产生的情形。从该图可以看出, 在下钻过程中由于钻柱的不断下入所产生的一系列波动曲线, 这种波动曲线主要是由于下钻过程中的激动压力所造成。在当地时间15:15左右进行下滑眼操作, 15:30左右环空当量泥浆密度突增至1.8g/cm3, 而后迅速下降至1.66g/cm3左右, 立管压力也开始下降, 由于该情况的产生导致仪器信号出现短暂的丢失, 实时录井数据也出现短暂丢失现象, 此时LWD工程师及时通知井队及地质录井单位, 采取措施控制排量, 结合地质录井数据表明地层发生漏失现象, 此时要求井队立即停止下滑眼操作, 上提钻柱并降低排量, 进行低排量循环观察以防井下严重事故发生。

4.4 气侵监测

图6所反应的是发生气侵时所产生的情形。图中可以看出当钻至当地时间15:00附近, 环空泥浆当量密度由原先的16.5ppg陡降至14.5ppg, 此时LWD工程师立即通知井队及录井单位, 要求井队做好相关防护措施, 井队接到通知后立即关井并做低排量循环处理进行观察。后经录井监测发现有气泡返出, 证实地层中有气体侵入环空。根据此次的经验我们得到在钻井过程中发生气侵时PWD所反馈到地面时的曲线形态, 为今后钻井施工提供了一个宝贵的依据。

5 结论与认识

1) 通过上述实例分析得知, 在地质导向施工过程中使用PWD随钻压力测量传感器, 有助于指导现场施工人员分析、判断井下发生异常情况并及时提出解决的方案, 降低了钻井风险, 同时也降低了非生产 (NPT) 钻井时间。

2) 在营451-平11井的一次施工中, 从1891米~1919米进行滑动钻进时钻具发生倒转现象, PWD监测显示井底有严重阻塞现象, 现场LWD工程师立即通知井队及定向工程师, 进行循环并缓慢上提操作, 经半个多小时的循环处理及上提下放操作后PWD显示正常, 而后又恢复钻进, 此次由于PWD的及时井底信息反馈避免了井下复杂事故的发生。

3) 在塔中区块, ZG21-H5是该区的一口生产开发井, 而PWD也正是第一次在该区使用, 从该区的PWD应用情况来看, PWD随钻压力测井不仅帮助钻井施工操作探索到了宝贵的施工经验, 同样对该区储层及沉积环境特征也为客户解提供了重要线索, 使客户对该区块储层特征也有了更深层次的认识。

4) PWD的应用不仅减少了井下仪器的风险, 同时也降低了井下事故发生的频率, 相对于井队而言, 也起到了保护井下钻具的作用, 降低了损失, 提高了钻井效率, 节约了钻井成本。

医疗环境中的液压测量 篇3

某些OEM医疗设备要求具备能在凝露或液体环境下使用的压力传感器。兼容液体介质的压力传感器, 可免受液体侵害, 且无需额外采取防护, 减少了与此相关的设计复杂性和成本。

为OEM医疗设备应用选择最佳的压力传感器, 可以说是一项艰巨的任务。医疗设备OEM需要选择功能齐全、性能可靠且成本低廉的传感器。对于医疗设备设计者来说, 关键的挑战是要确保液体或冷凝液体不接触传感器, 这极大地提高了设计难度。

传统方法

在此之前, 对于有兼容液体介质或高压力要求的应用, 设计者通常选择不锈钢或其他能够隔离介质的压力传感器。电路板安装型硅压力传感器, 适用于压力低于150 psi的干燥气体环境中。

不过, 传感器只适用于气体压力低于150 psi的环境, 并不代表其适用于要求液体介质兼容性的应用, 这两者之间存在很大差异。对于要求介质兼容性的应用, 关键是准确测量试剂、试样和冲洗液压力, 相应的仪器包括气相色谱/液相色谱仪和血液分析仪, 及其他实验室分析设备。

对于不具有液体介质兼容性的传感器, 设计者必须为其添加旁路或过滤器, 或者设计专门的液体路径, 以防止液体与压力传感器接触。这样做不仅增加了设计的时间和复杂性, 而且还会使传感器偏离最佳测量点, 从而导致整体系统性能下降。

新选项

目前, 电路板安装型压力传感器已完全能够胜任低压液体介质应用, 不需要额外组件或功能来保护其免受液体或湿气影响, 显著简化了设计复杂性。

霍尼韦尔传感与控制部现可提供广泛的兼容液体介质的电路板安装型压力传感器, 如Tru Stability和20PC系列压力传感器都具备液体介质兼容性和多种特性, 如压力范围、封装类型及数字或模拟输出。

设计核对表

即使传感器不用于液体介质, 如诊断设备, 设计者们仍然需要考虑最坏的情形, 如在应用中可能出现过压或液体在管中流动过远而触及传感器等情况。鉴于此, 设计者需要创造子系统来隔离传感器与液体, 即选择能够耐受液体的解决方案, 彻底摆脱添加保护组件的需要。

设计者应使用简洁的设计核对表, 确保压力传感器满足应用需求。该核对表包括:

●兼容液体介质

●压力类型与范围

●精度

●安装类型

●输出 (模拟或数字)

●电源电压