張智河，黃菊英

首都醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程學院，北京 100069

0 前言

液面探測系統(tǒng)是自動化學發(fā)光免疫分析測控系統(tǒng)的重要組成部分[1]，用于控制采樣針探入液體的深度，從而最大限度減少掛滴，使自動加樣過程穩(wěn)定可靠。電容式液面探測技術[2]原理簡單、成本低、易于實現(xiàn)，是應用最為廣泛的液面探測方法。本文主要通過對電容式液面探測技術進行改進，闡述提高液面探測系統(tǒng)靈敏度、降低最少探液量以保持系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作，降低其維護成本的方法。

1 電容式液面探測原理

金屬采樣針通過空間環(huán)境與電路系統(tǒng)形成空間分布電容，利用時基電路產生脈寬調制輸出[3-4]，當采樣針與導電溶液接觸時增加了空間分布電容，輸出脈寬變大，檢出此事件就可探測到液面接觸信息?；驹?，見圖1。R1、R2、采樣針與時基電路構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，當外部觸發(fā)時開始充電，輸出高電平，當充電到VCC/3輸出反轉為低電平。脈沖周期由外部觸發(fā)控制，觸發(fā)頻率一般在20～100 kHz，觸發(fā)周期以略大于探測到液面最大空間分布電容情況時的最大脈寬為佳，由最大探液量及應用環(huán)境決定。

圖1 液面探測單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)振蕩電路

2 檢測方法

脈寬調制信息經(jīng)二階低通濾波器轉化為準直流電平，當探測到液面時電平躍變升高，躍變電平與參考電平輸入比較器得到液面探測脈沖信息圖。具體電路，見圖2。由U2A線性放大提供略大于本底電平的參考電平，由于遲滯電路有一定的延時和帶寬，使得比較電路在未探測到液面時輸出低電平，探測到液面時在一段時間內輸出高電平。

圖2 二階低通濾波、遲滯、比較輸出電路

3 智能化設計

用時基電路提供觸發(fā)源，結合上述電路可以實現(xiàn)全硬件電路的液面探測系統(tǒng)，但液面探測脈沖在小液量時不易被捕獲，易受干擾，不能實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的探測。圖2中由遲滯電路提供的參考電平在實際應用中需要反復調試，且由于季節(jié)、氣候變化，可調電阻觸點老化等原因參考電平不能一直保持穩(wěn)定，往往每隔兩三個月需要人工調節(jié)一次，這無形中增加了維護成本。

引入單片機控制液面探測[5-6]可以有效提高探測質量。原理框圖，見圖3。由單片機輸出一路PWM信號提供穩(wěn)定的觸發(fā)頻率，觸發(fā)信號自圖1中2腳輸入，當?shù)陀赩CC/3時，觸發(fā)器置位，3腳輸出高電平，同時放電開關管關閉，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進入充電過程。為不影響脈寬調制，選取低電平時短PWM信號作為觸發(fā)信號。

圖3 液面探測電路原理框圖

根據(jù)檢測原理，穩(wěn)定的參考電平不應因是否探測到液面而發(fā)生變化?？赏ㄟ^單片機輸出另一路PWM信號經(jīng)二階低通濾波器生成直流參考電平，并經(jīng)A/D轉換對其進行實時監(jiān)測，通過自適應算法自動調節(jié)占寬比使其輸出與設定值一致的穩(wěn)定參考電平，探測精度要求高時需要經(jīng)D/A轉換來提供穩(wěn)定可控的參考電平。液面探測模擬電路，見圖4。

由外部控制本底信息采集，本底采集時間為0.2 s，經(jīng)A/D轉換（ADC）、256個數(shù)據(jù)循環(huán)池滑動平均得到平均值，在此基礎上加一個增量作為參考電平值，此增量的大小決定了探測的靈敏度，通過2個單片機引腳調節(jié)該增量并自動存儲到單片機EEPROM中。系統(tǒng)中A/D、D/A轉換分別為10位精度IC。表1為在測量點AINF處本底和各種液體容量的模數(shù)轉換值與數(shù)字萬用表實測電壓值的關系。

圖4 液面探測模擬電路

表1 探液容量與模數(shù)轉換、實測電壓關系

探測到液面時的比較輸出是一個穩(wěn)定的高電平。為提高探測的抗干擾能力，單片機實時跟蹤比較輸出：當跟蹤到持續(xù)的高電平信號時輸出信號；當跟蹤到脈沖干擾信號時單片機通過判斷持續(xù)時間予以刪除，這是提高小液量探測靈敏度的關鍵。100 μL液面探測示波器檢測結果，見圖5。

圖5 100μL液面探測示波器檢測圖

4 結論

依據(jù)電容式探測原理，經(jīng)智能化處理后的液面探測系統(tǒng)的靈敏度得到了大幅度提高，最小探液量可達100 μL，優(yōu)于預期最小探液量（150 μL），有效提高了試劑最大使用量，降低了樣本的需求量。此設計方案已應用于臨床檢測的某自動化學發(fā)光免疫分析儀中。

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