萬(wàn)里霞， 龍 偉， 張星原， 盧 斌

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

新型液面檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

萬(wàn)里霞， 龍 偉， 張星原， 盧 斌

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

生化分析儀在對(duì)血液等樣品進(jìn)行分析的過(guò)程中，采樣針表面的液體攜帶量經(jīng)常會(huì)引起交叉污染，從而影響生化分析儀的檢驗(yàn)精度。為了減少采樣針的樣品攜帶量，同時(shí)保證加樣精度，提出了一種高可靠性的新型液面檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)將采樣針作為電容式液面?zhèn)鞲衅?，采用鎖相環(huán)CD4046電路完成對(duì)電容式傳感器電容變化的檢測(cè)、信號(hào)濾波和控制信號(hào)的輸出，實(shí)現(xiàn)了減少交叉污染、提高儀器性能的目標(biāo)。臨床檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：提出的液面檢測(cè)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)。

攜帶污染； 液面檢測(cè)； 電容式傳感器； 鎖相環(huán)

0 引 言

生化分析儀是根據(jù)光電比色原理，通過(guò)對(duì)人體內(nèi)體液(如血液、尿液等)的檢測(cè)，從而測(cè)定各種生化指標(biāo)的專(zhuān)用分析儀器，因其可快速、準(zhǔn)確地為醫(yī)生和化學(xué)檢驗(yàn)人員提供檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，在醫(yī)院臨床診斷領(lǐng)域和生物化學(xué)檢驗(yàn)中發(fā)揮著重要的作用[1～4]。攜帶污染率是衡量生化分析儀分析性能的重要指標(biāo)，而采樣針外表面液體攜帶量是引起儀器攜帶污染的主要因素，因此，減少采樣針外表面的液體攜帶量是降低攜帶污染率、提高分析精度的重要方法[5～7]。

目前，國(guó)內(nèi)很多生化分析儀的加樣模塊都配備了液面探測(cè)(LLD)系統(tǒng)，它通過(guò)精確控制采樣針探入待轉(zhuǎn)移液體的深度，有效地防止了因采樣針插入液面過(guò)深導(dǎo)致的針外表面液體附著量過(guò)多的現(xiàn)象，從而降低儀器的攜帶污染率。液面檢測(cè)系統(tǒng)傳感方式主要有電阻式和電容式兩種，傳統(tǒng)的系統(tǒng)一般采用電阻式傳感方式，這種方式是根據(jù)空氣電阻與液體電阻的不同來(lái)檢測(cè)液面的。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于不同液體的導(dǎo)電率不同，且電阻式傳感靈敏度低，因此，難以精確控制采樣針探入待轉(zhuǎn)移液體的深度，在臨床上經(jīng)常出現(xiàn)“空吸”和“撞針”等故障。

本文在電容式液面?zhèn)鞲性淼幕A(chǔ)上，采用通用的CD4046型CMOS鎖相環(huán)集成電路，配以RC振蕩分頻、相位比較鎖定和電壓放大電路，完成了高精度高可靠性的新型液面檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)電阻式傳感存在的缺陷。臨床實(shí)踐證明:系統(tǒng)在保證采樣針加樣精度和最小移液攜帶量的同時(shí)，減小了儀器的攜帶污染率，提高了儀器的整體分析性能。

1 液面檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理

在液面檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采樣針是液面?zhèn)鞲械暮诵牟考8～10]。本設(shè)計(jì)采用的是電容式傳感方式，采樣針結(jié)構(gòu)如圖1所示，它將兩個(gè)內(nèi)徑不同的針管內(nèi)外嵌套，作為電容的兩極板，中間用絕緣材料隔開(kāi)，并將外針管接地。當(dāng)采樣針接觸液體的瞬間，內(nèi)針管的面積突然增大，使采樣針的電容值發(fā)生顯著變化。若把采樣針作為一個(gè)電容器連入到電容檢測(cè)電路中，即可通過(guò)檢測(cè)其電容值的變化情況來(lái)確定采樣針探入液體的深度。

圖1 采樣針結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of sampling needle

本系統(tǒng)采用相移法檢測(cè)電容的變化，具體工作過(guò)程為：當(dāng)采樣針與液體接觸時(shí)，采樣針的電容值發(fā)生變化，從而引起檢測(cè)電路輸出信號(hào)的相位變化。通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)鎖相環(huán)電路將相位的變化轉(zhuǎn)換為一個(gè)偏差電壓，再經(jīng)低通濾波器濾波、信號(hào)整形和電壓放大后，液面檢測(cè)系統(tǒng)輸出正脈沖信號(hào)，并觸發(fā)相應(yīng)的MCU產(chǎn)生中斷，最后由中央處理器完成控制采樣針動(dòng)作的啟停。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 液面檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Structure block diagram of liquid level detection system

2 鎖相環(huán)的基本組成

鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制，能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡(jiǎn)稱(chēng)PLL[11～13]。鎖相環(huán)主要由相位比較器(PC)、壓控振蕩器(VCO)、低通濾波器三部分組成，廣泛應(yīng)用于頻率合成、時(shí)鐘同步的自動(dòng)控制和廣播通信等技術(shù)領(lǐng)域[14,15]。鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示，ui(t),uo(t)分別為輸入、輸出交流電壓信號(hào)，其中ui(t)是振蕩和分頻電路的輸出信號(hào)，而uo(t) 為壓控振蕩器的輸出，也是鎖相環(huán)電路的輸出，其頻率的高低由低通濾波器上建立起來(lái)的控制電壓Ud大小決定。電路工作時(shí)，首先將ui(t)與uo(t)進(jìn)行比較，若二者存在相位差，相位比較器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏差電壓ΔU，再經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻分量，得到一個(gè)控制電壓Ud。這個(gè)控制電壓Ud會(huì)朝著減小ui(t)和uo(t)頻率之差的方向變化，最后使uo(t)與ui(t) 的頻率相同，且相位差保持恒定，這樣就完成了相位鎖定過(guò)程。

圖3 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖Fig 3 Structure block diagram of phase-locked loop

3 液面?zhèn)鞲须娐返脑O(shè)計(jì)

3.1 振蕩與分頻電路

振蕩與分頻電路的作用是為鎖相環(huán)相位比較器提供輸入信號(hào)，作為整個(gè)鎖相環(huán)相位比較器的基準(zhǔn)。具體電路如圖4所示。

圖4 振蕩與分頻電路原理圖Fig 4 Principle diagram of oscillation and frequency dividing circuit

在圖4中，U1是一種分頻器，分頻之后的輸出信號(hào)SIGNin的頻率為1.5 MHz；U2是一種FC—135型石英晶振，振蕩頻率為6.0 MHz。

3.2 鎖相環(huán)檢測(cè)與濾波電路

采樣針接觸到液面后，自身電容受液面的影響發(fā)生變化，為檢測(cè)檢測(cè)電容值的改變，可將采樣針接入到RC振蕩器中，通過(guò)檢測(cè)振蕩頻率的變化來(lái)判斷電容是否改變。但是，頻率改變的檢測(cè)需要配置專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)電路，在應(yīng)用上受到了很大的限制。本文成功地將鎖相環(huán)電路應(yīng)用于液面?zhèn)鞲邢到y(tǒng)中，并將由電容值變化引起的相位變化轉(zhuǎn)換成一穩(wěn)定的電壓信號(hào)。該部分的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 鎖相環(huán)檢測(cè)與濾波電路Fig 5 Phase-locked loop detection and filtering circuit

圖5中，采樣針作為一個(gè)外接電容器與電容器C21連接在CD4046的6，7號(hào)引腳。振蕩和分頻電路的輸出信號(hào)SIGNin作為鎖相環(huán)相位比較器II的基準(zhǔn)電壓ui(t)，與電阻器R25，R26和電容器C21組成的壓控振蕩器的輸出信號(hào)uo(t)進(jìn)行比較，若二者的信號(hào)頻率出現(xiàn)變化，就會(huì)在CD4046的9號(hào)引腳產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓VCO。系統(tǒng)工作過(guò)程中，若采樣針接觸到導(dǎo)電型液體(試劑或樣本)，其電容值Probe會(huì)瞬間變大，導(dǎo)致uo(t)信號(hào)的頻率發(fā)生改變，并與輸入的基準(zhǔn)信號(hào)ui(t)形成相位差，再通過(guò)RC電路的濾波，最后輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓VCOout。

3.3 放大與比較電路

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)采樣針接觸液面時(shí)，上一級(jí)檢測(cè)和濾波電路輸出的VCOout信號(hào)電壓很小，只有2.1～3.5 mV，該信號(hào)需經(jīng)過(guò)放大、整形處理后方可被MCU采集和識(shí)別。本文設(shè)計(jì)的放大與比較電路如圖6所示。

圖6 放大與比較電路原理圖Fig 6 Principle diagram of amplification and comparison circuit

圖6中，放大和比較電路由美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的LM358AD芯片搭建。其中前級(jí)A運(yùn)算放大器作信號(hào)增益，后級(jí)B運(yùn)算放大器作為信號(hào)比較之用。

通過(guò)計(jì)算、分析可知，當(dāng)采樣針接觸到液面時(shí)，可正常檢測(cè)出采樣針電容值的變化，并輸出有效的脈沖波形。液面檢測(cè)電路板實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 液面檢測(cè)系統(tǒng)電路板實(shí)物Fig 7 Physical map of circuit board of liquid level detection system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)《中華人民共和國(guó)醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—全自動(dòng)生化分析儀》的要求，進(jìn)行了下列相關(guān)項(xiàng)目的跟蹤測(cè)試：

1)以蒸餾水為測(cè)試樣品，在樣品量分別為2,5,30 μL的情況下,分別執(zhí)行20次測(cè)試，計(jì)算各樣品量下的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，得到儀器的加樣品誤差和加樣重復(fù)性如表1。

2)以蒸餾水為試劑，以吸光度為200橘紅G原液和蒸餾水為測(cè)試樣品，按照原液、原液、原液、蒸餾水、蒸餾水、蒸餾水的測(cè)試順序?yàn)橐唤M，測(cè)定上述樣品反應(yīng)結(jié)束時(shí)的吸光度，共進(jìn)行5組測(cè)試，計(jì)算得到儀器的攜帶污染率為0.164。

以上檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:本文設(shè)計(jì)的液面檢測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了全自動(dòng)生化分析儀國(guó)家醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，即最小2 μL樣品時(shí),加樣誤差不大于±3 %，樣品攜帶污染率不大于0.3 %的性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了高精度和高性能。

表1 吸液量準(zhǔn)確性Tab 1 Accuracy of liquid upake

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種高性能的新型液面檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)臨床實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)的生化分析儀在減少攜帶污染、提高試劑針和樣本針的加樣準(zhǔn)確度和重復(fù)性等都優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方式，達(dá)到了在最小加樣量2 μL時(shí)加樣誤差不大于±3 %且攜帶污染率不大于0.3 %的目標(biāo)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，對(duì)類(lèi)似液面探測(cè)系統(tǒng)(如尿液分析儀、血凝分析儀的液面探測(cè)系統(tǒng))具有一定的參考價(jià)值。

[1] 陽(yáng) 蘋(píng)，張莉萍，畢小云，等.基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的全自動(dòng)生化分析儀性能評(píng)價(jià)[J].重慶醫(yī)學(xué)，2011，40(12):1216-1218.

[2] 李欣迎，李希合，王 靜，等.生化分析儀的發(fā)展現(xiàn)狀[J].醫(yī)療裝備，2012(10):6-7.

[3] 王翠芳.血糖儀與半自動(dòng)生化分析儀對(duì)比分析[J].基層醫(yī)學(xué)論壇,2013,17(29):3893-3894.

[4] 曾赤佳.淺談生化分析儀的性能評(píng)價(jià)[J].亞太傳統(tǒng)醫(yī)藥,2010，6(9):165-167.

[5] 周麗敏，陳毅聰.全自動(dòng)生化分析儀試劑針攜帶污染對(duì)脂肪酶測(cè)定的影響[J].實(shí)驗(yàn)與檢驗(yàn)醫(yī)學(xué),2013，31(3):288-290.

[6] 蔡錦達(dá)，程 曦，劉 聰.全自動(dòng)生物芯片加樣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2009，30(2):58-59.

[7] 李俊立，楊葉子，王昌富.BECKMAN DXC800生化分析儀攜帶污染的糾正措施[J].臨床輸血與檢驗(yàn),2012，14(4):311-313.

[8] 路艷斌，劉金波.電容傳感器在液位測(cè)量中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽,2005(S2):13-17.

[9] 王 蕓，張國(guó)雄，樊玉銘.基于運(yùn)算法的電容式液位傳感器的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2008，31(3):122-124.

[10] 程衛(wèi)丹，巴 鵬，任希文.基于充放電原理的電容式液位傳感器測(cè)量電路的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2010(10):122.

[11] 曾素瓊.鎖相環(huán)CD4046的應(yīng)用設(shè)計(jì)及研究[J].電子質(zhì)量,2012(1):72-75.

[12] 肖 帥，孫建波，耿 華，等.基于FPGA實(shí)現(xiàn)的可變模全數(shù)字鎖相環(huán)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(4):153-158.

[13] 馬勝前，楊 陽(yáng)，劉娟芳.全數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)低通濾波電路[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2014，50(3):181-184.

[14] 謝明月，朱 政.淺談模擬鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].科技與企業(yè),2012(11):157.

[15] 韓亞輝.淺談壓控振蕩器在鎖相環(huán)電路中的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場(chǎng),2012，19(8):13-15.

Design and application of new type liquid level detection system*

WAN Li-xia, LONG Wei, ZHANG Xing-yuan, LU Bin

(School of Information Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

When using biochemical analyzer to analyze sample,such as blood, the liquid carrying capacity of the sampling needle surface will lead to carryover,which affect detection precision of biochemical analyzer.In order to reduce the sample carrying amount in the sample needle and assure precision of sampling,a highly reliable liquid level detection system is put forward.The system regard sampling needle as capacitive sensor of liquid level,using phase-locked loop circuit CD4046 to detecte change in capacitance of capacitive sensor,signal filtering and output of control signal,which achieve goals of reduction of cross-contamination and improvement of performance of instrument.Clinical detection datas show that the liquid level detection sysem has features of good stability and high reliability.

carryover pollution; liquid level detection; capacitive sensor; phase-locked loop

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0117—03

2014—04—24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61261011)

TP 212

A

1000—9787(2014)12—0117—03

萬(wàn)里霞(1990-)，男，江西新余人，碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)控制與嵌入式智能儀表技術(shù)的研究。