宋宇　翁新武

摘 要： 提出一種新型光電式液位檢測方法，利用輸液管對光線的折射原理，檢測輸液管內的液位是否到達警戒液位，最后通過實驗得出最佳檢測閾值，該方法能夠適用于所有墨菲式輸液管及輸液液體。

關鍵詞： 靜脈輸液； 液位檢測； 光電式； 光電開關

中圖分類號： TN710?34； TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0105?03

0 引 言

靜脈輸液治療是臨床醫(yī)療工作中常用的治療手段，但目前大多數醫(yī)院及醫(yī)療機構都沒有實現(xiàn)輸液的自動監(jiān)控管理，臨床輸液中采取的應對措施一般是由患者、陪侍或醫(yī)務人員隨時觀察監(jiān)視藥液余量情況，加重了護理人員的勞動負擔，也不利于病區(qū)的綜合管理，所以研究一種能夠自動檢測輸液液位的裝置，將大大減輕病人、陪護人員及護士的精神負擔[1]。目前，研究人員在輸液液位傳感器方面做了一些研究，出現(xiàn)了稱重式[2]、電容式[3]、光電式[4]、光纖式[5]和圖像式[6]等液位檢測方法。然而稱重式液位檢測方法適用性較差，電容式液位檢測方法的可操作性較差，光電式液滴式液位檢測累積誤差較大，光纖式液位檢測成本較高，圖像式液位檢測易受周圍環(huán)境干擾。

針對上述弊端，本文提出了一種基于光電傳感器的新型液位檢測方法，該液位檢測方法具有適應性強、可操作性強、檢測靈敏度高、安全可靠等特點，有很高的實用價值。通過理論分析和實驗研究，探討了影響該傳感器靈敏度的因素和機理，為傳感器的正確設計與測量數據提供了理論依據。

1 光電式液位檢測原理

靜脈輸液采用墨菲式輸液滴管，輸液管為圓形透明塑料材質，靜脈輸液的液體通常為無色透明液體，利用光線的反射、折射和全反射現(xiàn)象，在輸液管內沒有液體時，其表面相當于一個凹透鏡，對于平行入射光線有散射作用，使輸液管另一端受光很弱，如圖1所示。

這樣，光線的“強”與“弱”，就反映了管中液體的“有”與“無”，利用這一光學現(xiàn)象[7]，在輸液管一側加裝光源另一側加裝光電傳感器就可以探測液體有無，實現(xiàn)液位的自動檢測。

但是在實際應用中，由于輸液液體不全都是透明液體，當液體為有色或渾濁液體時，勢必會減少通過輸液管的光通量，即存在這樣一種情況，在輸液管中無液體時和輸液管內有渾濁液體的光通量一樣，在這種情況下，就不能區(qū)分輸液管內有無液體，也就不能檢測液位，導致檢測失敗。

2 硬件設計

靜脈輸液液位檢測電路總體框圖如圖4所示，包括光源，光電管，A/D轉換和單片機。其中，光源和光電管采用ITR?9608型光電開關，光源為紅外發(fā)光二極管，光電管為紅外光敏三極管，單片機采用型號為Atmega8L的AVR單片機，A/D轉換為單片機自帶的10位A/D轉換模塊。

液位檢測硬件電路原理圖如圖5所示，紅外發(fā)光二級管接330 Ω限流電阻，紅外光敏三級管集電極接15 kΩ上拉電阻，電源電壓為3.3 V，紅外光敏三極管的集電極作為單片機A/D轉換的輸入。由該電路圖可知，紅外光敏三極管檢測到光源發(fā)出的光，最后以電壓形式表示光通量大小，而光通量越大對應集電極檢測到的電壓就越小，光通量越小對應集電極檢測到的電壓就越大，由上文可知，電壓值較小的對應輸液管內無液體，而電壓值較大的對應輸液管內有液體。

首先，檢測在未安裝輸液管時A/D檢測的電壓[V1；]然后，將輸液管內輸液調整好后，將輸液管置于檢測裝置內，即此時檢測到的是輸液管內有液體的情況，檢測電壓[V2；]再每隔一小段時間檢測一次電壓[V3；]若[V2-V3]的值大于某個閾值，則認為液位達到警戒液位，則可觸發(fā)報警或停止輸液，若[V2-V3]的值小于或等于該閾值，則認為液位未達到警戒液位，繼續(xù)檢測。該閾值在設置時應考慮輸液管規(guī)格、輸液管內液體顏色、輸液管與傳感器位置等方面因素。

4 實 驗

4.1 測試條件

靜脈輸液管采用墨菲式輸液滴管，其細管的直徑為4 mm的塑料圓管，管壁厚度為0.5 mm，常見的有透明和渾濁兩種。輸液管內液體設無色透明的氯化鈉注射液、黃色的液體、白色的液體、渾濁的液體四種情況。光電傳感器的中心光線與輸液管管壁距離為[D，]設[D=]0 mm，1 mm，2 mm三種情況。

4.2 測試方法

將靜脈輸液管置于光電開關的槽內，其結構如圖7所示。利用該裝置，檢測輸液管內有液體和無液體時電壓大小，輸液管透明和輸液管渾濁時電壓的大小，輸液管內有無色液體、白色液體、黃色液體及渾濁液時電壓的大小。

由測試結果可計算得到兩種輸液管在間距為0 mm時能分辨液位的最小閾值為36 mV，在間距為1 mm時最小閾值為22 mV，在間距為2mm時最小閾值為14 mV，由此可知間距越大閾值越?。婚g距發(fā)生細微的變化將引起檢測電壓值發(fā)生抖動，由測試結果知1 mm的間距變化最大能引起20 mV的電壓抖動；由于單片機的A/D轉換精度有限，所以光電傳感器的中心光線與輸液管管壁距離為[D]最好取0～1 mm之間某值，且保持不變，此時閾值取20 mV能保證區(qū)分開輸液管內有無液體。

5 結 論

本文的創(chuàng)新之處在于提出一種基于光電傳感器的新型液位檢測方法，可以很好克服傳統(tǒng)的液位檢測中對不同輸液液體難以區(qū)分、測量誤差較大、適應性較差等弊端，同時本設計電路結構簡單，性能穩(wěn)定、成本低、分辨率高、能適應所有規(guī)格的輸液瓶（袋）、適應所有墨菲式滴管的輸液管、適應所有的輸液液體。對于本設計尚可在做以下改進：采用軟件濾波減小系統(tǒng)測量誤差，提高裝置器材的精度進一步減少系統(tǒng)固有誤差，采用多個光電傳感器提高測量穩(wěn)定性等。

參考文獻

[1] 張愛華，朱亮.醫(yī)用輸液液位實時檢測系統(tǒng)在康復護理中的作用[J].中國臨床康復，2003（20）：1112?1113.

[2] 張中華，譚婷，陳明蘭，等.對輸液瓶液位監(jiān)控報警系統(tǒng)的研究[J].科技信息，2011（31）：79?81.

[3] 楊曉龍，陳孝友.電容法測液位高度和濃度實驗[J].四川工業(yè)學院學報，2001（7）：76?78.

[4] 王元慶，王興森.光電式液滴傳感器[J].安徽機電學院學報，1996（12）：64?68.

[5] 宋晴，裘祖榮，張國雄.光纖、電容液滴傳感器的設計研究[J].傳感器技術，2002（8）：5?9.

[6] 李敏，朱華生，孫輝，等.基于圖像的靜脈輸液無液檢測的新方法[J].南昌工程學院學報，2009（2）：8?11.

[7] 田安華，朱彥.一種非接觸式液位檢測控制系統(tǒng)的設計與分析[J].四川理工學院學報：自然科學版，2011（8）：468?471.

摘 要： 提出一種新型光電式液位檢測方法，利用輸液管對光線的折射原理，檢測輸液管內的液位是否到達警戒液位，最后通過實驗得出最佳檢測閾值，該方法能夠適用于所有墨菲式輸液管及輸液液體。

關鍵詞： 靜脈輸液； 液位檢測； 光電式； 光電開關

中圖分類號： TN710?34； TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0105?03

0 引 言

靜脈輸液治療是臨床醫(yī)療工作中常用的治療手段，但目前大多數醫(yī)院及醫(yī)療機構都沒有實現(xiàn)輸液的自動監(jiān)控管理，臨床輸液中采取的應對措施一般是由患者、陪侍或醫(yī)務人員隨時觀察監(jiān)視藥液余量情況，加重了護理人員的勞動負擔，也不利于病區(qū)的綜合管理，所以研究一種能夠自動檢測輸液液位的裝置，將大大減輕病人、陪護人員及護士的精神負擔[1]。目前，研究人員在輸液液位傳感器方面做了一些研究，出現(xiàn)了稱重式[2]、電容式[3]、光電式[4]、光纖式[5]和圖像式[6]等液位檢測方法。然而稱重式液位檢測方法適用性較差，電容式液位檢測方法的可操作性較差，光電式液滴式液位檢測累積誤差較大，光纖式液位檢測成本較高，圖像式液位檢測易受周圍環(huán)境干擾。

針對上述弊端，本文提出了一種基于光電傳感器的新型液位檢測方法，該液位檢測方法具有適應性強、可操作性強、檢測靈敏度高、安全可靠等特點，有很高的實用價值。通過理論分析和實驗研究，探討了影響該傳感器靈敏度的因素和機理，為傳感器的正確設計與測量數據提供了理論依據。

1 光電式液位檢測原理

靜脈輸液采用墨菲式輸液滴管，輸液管為圓形透明塑料材質，靜脈輸液的液體通常為無色透明液體，利用光線的反射、折射和全反射現(xiàn)象，在輸液管內沒有液體時，其表面相當于一個凹透鏡，對于平行入射光線有散射作用，使輸液管另一端受光很弱，如圖1所示。

這樣，光線的“強”與“弱”，就反映了管中液體的“有”與“無”，利用這一光學現(xiàn)象[7]，在輸液管一側加裝光源另一側加裝光電傳感器就可以探測液體有無，實現(xiàn)液位的自動檢測。

但是在實際應用中，由于輸液液體不全都是透明液體，當液體為有色或渾濁液體時，勢必會減少通過輸液管的光通量，即存在這樣一種情況，在輸液管中無液體時和輸液管內有渾濁液體的光通量一樣，在這種情況下，就不能區(qū)分輸液管內有無液體，也就不能檢測液位，導致檢測失敗。

2 硬件設計

靜脈輸液液位檢測電路總體框圖如圖4所示，包括光源，光電管，A/D轉換和單片機。其中，光源和光電管采用ITR?9608型光電開關，光源為紅外發(fā)光二極管，光電管為紅外光敏三極管，單片機采用型號為Atmega8L的AVR單片機，A/D轉換為單片機自帶的10位A/D轉換模塊。

液位檢測硬件電路原理圖如圖5所示，紅外發(fā)光二級管接330 Ω限流電阻，紅外光敏三級管集電極接15 kΩ上拉電阻，電源電壓為3.3 V，紅外光敏三極管的集電極作為單片機A/D轉換的輸入。由該電路圖可知，紅外光敏三極管檢測到光源發(fā)出的光，最后以電壓形式表示光通量大小，而光通量越大對應集電極檢測到的電壓就越小，光通量越小對應集電極檢測到的電壓就越大，由上文可知，電壓值較小的對應輸液管內無液體，而電壓值較大的對應輸液管內有液體。

首先，檢測在未安裝輸液管時A/D檢測的電壓[V1；]然后，將輸液管內輸液調整好后，將輸液管置于檢測裝置內，即此時檢測到的是輸液管內有液體的情況，檢測電壓[V2；]再每隔一小段時間檢測一次電壓[V3；]若[V2-V3]的值大于某個閾值，則認為液位達到警戒液位，則可觸發(fā)報警或停止輸液，若[V2-V3]的值小于或等于該閾值，則認為液位未達到警戒液位，繼續(xù)檢測。該閾值在設置時應考慮輸液管規(guī)格、輸液管內液體顏色、輸液管與傳感器位置等方面因素。

4 實 驗

4.1 測試條件

靜脈輸液管采用墨菲式輸液滴管，其細管的直徑為4 mm的塑料圓管，管壁厚度為0.5 mm，常見的有透明和渾濁兩種。輸液管內液體設無色透明的氯化鈉注射液、黃色的液體、白色的液體、渾濁的液體四種情況。光電傳感器的中心光線與輸液管管壁距離為[D，]設[D=]0 mm，1 mm，2 mm三種情況。

4.2 測試方法

將靜脈輸液管置于光電開關的槽內，其結構如圖7所示。利用該裝置，檢測輸液管內有液體和無液體時電壓大小，輸液管透明和輸液管渾濁時電壓的大小，輸液管內有無色液體、白色液體、黃色液體及渾濁液時電壓的大小。

由測試結果可計算得到兩種輸液管在間距為0 mm時能分辨液位的最小閾值為36 mV，在間距為1 mm時最小閾值為22 mV，在間距為2mm時最小閾值為14 mV，由此可知間距越大閾值越??；間距發(fā)生細微的變化將引起檢測電壓值發(fā)生抖動，由測試結果知1 mm的間距變化最大能引起20 mV的電壓抖動；由于單片機的A/D轉換精度有限，所以光電傳感器的中心光線與輸液管管壁距離為[D]最好取0～1 mm之間某值，且保持不變，此時閾值取20 mV能保證區(qū)分開輸液管內有無液體。

5 結 論

本文的創(chuàng)新之處在于提出一種基于光電傳感器的新型液位檢測方法，可以很好克服傳統(tǒng)的液位檢測中對不同輸液液體難以區(qū)分、測量誤差較大、適應性較差等弊端，同時本設計電路結構簡單，性能穩(wěn)定、成本低、分辨率高、能適應所有規(guī)格的輸液瓶（袋）、適應所有墨菲式滴管的輸液管、適應所有的輸液液體。對于本設計尚可在做以下改進：采用軟件濾波減小系統(tǒng)測量誤差，提高裝置器材的精度進一步減少系統(tǒng)固有誤差，采用多個光電傳感器提高測量穩(wěn)定性等。

參考文獻

[1] 張愛華，朱亮.醫(yī)用輸液液位實時檢測系統(tǒng)在康復護理中的作用[J].中國臨床康復，2003（20）：1112?1113.

[2] 張中華，譚婷，陳明蘭，等.對輸液瓶液位監(jiān)控報警系統(tǒng)的研究[J].科技信息，2011（31）：79?81.

[3] 楊曉龍，陳孝友.電容法測液位高度和濃度實驗[J].四川工業(yè)學院學報，2001（7）：76?78.

[4] 王元慶，王興森.光電式液滴傳感器[J].安徽機電學院學報，1996（12）：64?68.

[5] 宋晴，裘祖榮，張國雄.光纖、電容液滴傳感器的設計研究[J].傳感器技術，2002（8）：5?9.

[6] 李敏，朱華生，孫輝，等.基于圖像的靜脈輸液無液檢測的新方法[J].南昌工程學院學報，2009（2）：8?11.

[7] 田安華，朱彥.一種非接觸式液位檢測控制系統(tǒng)的設計與分析[J].四川理工學院學報：自然科學版，2011（8）：468?471.

摘 要： 提出一種新型光電式液位檢測方法，利用輸液管對光線的折射原理，檢測輸液管內的液位是否到達警戒液位，最后通過實驗得出最佳檢測閾值，該方法能夠適用于所有墨菲式輸液管及輸液液體。

關鍵詞： 靜脈輸液； 液位檢測； 光電式； 光電開關

中圖分類號： TN710?34； TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0105?03

0 引 言

靜脈輸液治療是臨床醫(yī)療工作中常用的治療手段，但目前大多數醫(yī)院及醫(yī)療機構都沒有實現(xiàn)輸液的自動監(jiān)控管理，臨床輸液中采取的應對措施一般是由患者、陪侍或醫(yī)務人員隨時觀察監(jiān)視藥液余量情況，加重了護理人員的勞動負擔，也不利于病區(qū)的綜合管理，所以研究一種能夠自動檢測輸液液位的裝置，將大大減輕病人、陪護人員及護士的精神負擔[1]。目前，研究人員在輸液液位傳感器方面做了一些研究，出現(xiàn)了稱重式[2]、電容式[3]、光電式[4]、光纖式[5]和圖像式[6]等液位檢測方法。然而稱重式液位檢測方法適用性較差，電容式液位檢測方法的可操作性較差，光電式液滴式液位檢測累積誤差較大，光纖式液位檢測成本較高，圖像式液位檢測易受周圍環(huán)境干擾。

針對上述弊端，本文提出了一種基于光電傳感器的新型液位檢測方法，該液位檢測方法具有適應性強、可操作性強、檢測靈敏度高、安全可靠等特點，有很高的實用價值。通過理論分析和實驗研究，探討了影響該傳感器靈敏度的因素和機理，為傳感器的正確設計與測量數據提供了理論依據。

1 光電式液位檢測原理

靜脈輸液采用墨菲式輸液滴管，輸液管為圓形透明塑料材質，靜脈輸液的液體通常為無色透明液體，利用光線的反射、折射和全反射現(xiàn)象，在輸液管內沒有液體時，其表面相當于一個凹透鏡，對于平行入射光線有散射作用，使輸液管另一端受光很弱，如圖1所示。

這樣，光線的“強”與“弱”，就反映了管中液體的“有”與“無”，利用這一光學現(xiàn)象[7]，在輸液管一側加裝光源另一側加裝光電傳感器就可以探測液體有無，實現(xiàn)液位的自動檢測。

但是在實際應用中，由于輸液液體不全都是透明液體，當液體為有色或渾濁液體時，勢必會減少通過輸液管的光通量，即存在這樣一種情況，在輸液管中無液體時和輸液管內有渾濁液體的光通量一樣，在這種情況下，就不能區(qū)分輸液管內有無液體，也就不能檢測液位，導致檢測失敗。

2 硬件設計

靜脈輸液液位檢測電路總體框圖如圖4所示，包括光源，光電管，A/D轉換和單片機。其中，光源和光電管采用ITR?9608型光電開關，光源為紅外發(fā)光二極管，光電管為紅外光敏三極管，單片機采用型號為Atmega8L的AVR單片機，A/D轉換為單片機自帶的10位A/D轉換模塊。

液位檢測硬件電路原理圖如圖5所示，紅外發(fā)光二級管接330 Ω限流電阻，紅外光敏三級管集電極接15 kΩ上拉電阻，電源電壓為3.3 V，紅外光敏三極管的集電極作為單片機A/D轉換的輸入。由該電路圖可知，紅外光敏三極管檢測到光源發(fā)出的光，最后以電壓形式表示光通量大小，而光通量越大對應集電極檢測到的電壓就越小，光通量越小對應集電極檢測到的電壓就越大，由上文可知，電壓值較小的對應輸液管內無液體，而電壓值較大的對應輸液管內有液體。

首先，檢測在未安裝輸液管時A/D檢測的電壓[V1；]然后，將輸液管內輸液調整好后，將輸液管置于檢測裝置內，即此時檢測到的是輸液管內有液體的情況，檢測電壓[V2；]再每隔一小段時間檢測一次電壓[V3；]若[V2-V3]的值大于某個閾值，則認為液位達到警戒液位，則可觸發(fā)報警或停止輸液，若[V2-V3]的值小于或等于該閾值，則認為液位未達到警戒液位，繼續(xù)檢測。該閾值在設置時應考慮輸液管規(guī)格、輸液管內液體顏色、輸液管與傳感器位置等方面因素。

4 實 驗

4.1 測試條件

靜脈輸液管采用墨菲式輸液滴管，其細管的直徑為4 mm的塑料圓管，管壁厚度為0.5 mm，常見的有透明和渾濁兩種。輸液管內液體設無色透明的氯化鈉注射液、黃色的液體、白色的液體、渾濁的液體四種情況。光電傳感器的中心光線與輸液管管壁距離為[D，]設[D=]0 mm，1 mm，2 mm三種情況。

4.2 測試方法

將靜脈輸液管置于光電開關的槽內，其結構如圖7所示。利用該裝置，檢測輸液管內有液體和無液體時電壓大小，輸液管透明和輸液管渾濁時電壓的大小，輸液管內有無色液體、白色液體、黃色液體及渾濁液時電壓的大小。

由測試結果可計算得到兩種輸液管在間距為0 mm時能分辨液位的最小閾值為36 mV，在間距為1 mm時最小閾值為22 mV，在間距為2mm時最小閾值為14 mV，由此可知間距越大閾值越小；間距發(fā)生細微的變化將引起檢測電壓值發(fā)生抖動，由測試結果知1 mm的間距變化最大能引起20 mV的電壓抖動；由于單片機的A/D轉換精度有限，所以光電傳感器的中心光線與輸液管管壁距離為[D]最好取0～1 mm之間某值，且保持不變，此時閾值取20 mV能保證區(qū)分開輸液管內有無液體。

5 結 論

本文的創(chuàng)新之處在于提出一種基于光電傳感器的新型液位檢測方法，可以很好克服傳統(tǒng)的液位檢測中對不同輸液液體難以區(qū)分、測量誤差較大、適應性較差等弊端，同時本設計電路結構簡單，性能穩(wěn)定、成本低、分辨率高、能適應所有規(guī)格的輸液瓶（袋）、適應所有墨菲式滴管的輸液管、適應所有的輸液液體。對于本設計尚可在做以下改進：采用軟件濾波減小系統(tǒng)測量誤差，提高裝置器材的精度進一步減少系統(tǒng)固有誤差，采用多個光電傳感器提高測量穩(wěn)定性等。

參考文獻

[1] 張愛華，朱亮.醫(yī)用輸液液位實時檢測系統(tǒng)在康復護理中的作用[J].中國臨床康復，2003（20）：1112?1113.

[2] 張中華，譚婷，陳明蘭，等.對輸液瓶液位監(jiān)控報警系統(tǒng)的研究[J].科技信息，2011（31）：79?81.

[3] 楊曉龍，陳孝友.電容法測液位高度和濃度實驗[J].四川工業(yè)學院學報，2001（7）：76?78.

[4] 王元慶，王興森.光電式液滴傳感器[J].安徽機電學院學報，1996（12）：64?68.

[5] 宋晴，裘祖榮，張國雄.光纖、電容液滴傳感器的設計研究[J].傳感器技術，2002（8）：5?9.

[6] 李敏，朱華生，孫輝，等.基于圖像的靜脈輸液無液檢測的新方法[J].南昌工程學院學報，2009（2）：8?11.

[7] 田安華，朱彥.一種非接觸式液位檢測控制系統(tǒng)的設計與分析[J].四川理工學院學報：自然科學版，2011（8）：468?471.