楊 溢，郭陽寬，祝連慶，劉 超，孟曉辰

(北京信息科技大學(xué) 光電測試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100192)

0 引 言

液位檢測是全自動(dòng)臨床分析儀器加樣過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。基于加樣針結(jié)構(gòu)的液位傳感器能夠?qū)悠繁蛟噭┢恐械氖Ｓ嘁毫窟M(jìn)行檢測，一方面可以避免缺液導(dǎo)致的空吸現(xiàn)象影響生物化學(xué)反應(yīng)的檢驗(yàn)結(jié)果;另一方面能夠控制加樣針探入液面的深度，最大限度減少加樣針掛液現(xiàn)象引起的攜帶污染［1］。而液位檢測的靈敏度和精度是決定其工作性能重要指標(biāo)［2］。

電容法液位檢測技術(shù)由于傳感器結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高，在生物醫(yī)療儀器中得到廣泛應(yīng)用。生化分析儀、酶免分析儀等臨床分析儀器中常采用電容/電壓(C/V)轉(zhuǎn)換法進(jìn)行液位傳感器的電容測量［3］。該方法將待測電容量轉(zhuǎn)換為模擬電壓量，信號(hào)采集、處理過程易受各種噪聲和電機(jī)運(yùn)動(dòng)干擾，從而影響其測量結(jié)果。

本文采用電容/周期(C/T)轉(zhuǎn)換法將電容量轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖周期來進(jìn)行測量，增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾能力，使檢測結(jié)果更加穩(wěn)定、可靠，從而實(shí)現(xiàn)了高靈敏度和高精度的液位檢測。

1 探針式電容傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理

使用電容法實(shí)現(xiàn)液位測量，首先要構(gòu)建電容傳感器。探針式電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由金屬管加樣針、試劑瓶、金屬槽、步進(jìn)電機(jī)、齒輪齒條、槽型光耦等部分構(gòu)成。

步進(jìn)電機(jī)固定于加樣臂上，驅(qū)動(dòng)加樣針上下運(yùn)動(dòng)。加樣針上的擋片至針尖距離為L。擋片和加樣臂上的槽型光耦確定針尖初始位置。加樣針尖自初始位置運(yùn)動(dòng)的距離記為s1，它與電機(jī)運(yùn)行步數(shù)呈正比。初始位置至針尖下降最大深度之間距離為H，初始位置至液面之間距離為s2，液面至加樣針尖下降最大深度之間距離定義為液位高度h，則h=H－s2。

圖1 探針式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of probe-type capacitive sensor

探針式電容傳感器采用單端接地接法:加樣針等效于一個(gè)金屬電極，它與試劑瓶下的接地金屬槽構(gòu)成了電容傳感器。此傳感器基于金屬電極的近場效應(yīng)工作，加樣針接觸液面之前，它與金屬槽構(gòu)成的電容器中間介質(zhì)為空氣、液體和試劑瓶;當(dāng)加樣針進(jìn)入液體時(shí)，介質(zhì)發(fā)生改變，因此，加樣針與金屬槽之間的電容值發(fā)生變化。對(duì)于這種單端接地的加樣針式電容傳感器，無論是液面接觸之前還是之后，加樣針與介質(zhì)接觸面的變化對(duì)電容的影響微乎其微，而液面接觸瞬間導(dǎo)電介質(zhì)變化對(duì)電容的影響起到主要作用，且變化顯著，可作為加樣針接觸液面的判斷依據(jù)［4］。

液面接觸瞬間，讀取電機(jī)運(yùn)行步數(shù)即可換算出液位高度h。對(duì)于液面高度的檢測，采用步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測定，相比使用電容傳感器進(jìn)行液位連續(xù)測量具有更高的精度和線性度［5］。

2 C/T 轉(zhuǎn)換法電容檢測原理

加樣針運(yùn)動(dòng)過程中傳感器的電容變化使用C/T 轉(zhuǎn)換法進(jìn)行檢測。本文采用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)C/T 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換原理如圖2 所示。

圖2 施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器Fig 2 Multivibrator constitute of Schmitt trigger

施密特觸發(fā)器的輸入信號(hào)電壓增加和減小過程中引起輸出信號(hào)跳變的閾值電壓不同，(如圖2 所示VT+和VT－)，因此，亦稱滯回比較器。由于RC 電路充放電效應(yīng)和施密特觸發(fā)器的滯回效應(yīng)，圖2 所示多諧振蕩器電路中施密特觸發(fā)器輸入信號(hào)在兩個(gè)閾值電壓之間以指數(shù)規(guī)律振蕩變化，輸出信號(hào)為固定周期的方波脈沖。通常，CMOS 型施密特觸發(fā)器的輸出高低電平分別為VOH≈VDD，VOL≈0，則由圖2所示波形可得電路的振蕩周期為

由式(1)可知，輸出信號(hào)的周期T 與電阻R 和待測電容C 呈正比，選取合適的電阻R 可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)周期，使其在系統(tǒng)測量范圍內(nèi)。

該方法把電容傳感器作為振蕩器的一部分實(shí)現(xiàn)自激振蕩，因而無需額外的激勵(lì)信號(hào)，電路結(jié)構(gòu)簡單;輸出為幅值恒定而周期變化的數(shù)字脈沖信號(hào)，無需采取信號(hào)放大、濾波等措施，且增強(qiáng)了信號(hào)傳輸過程中抗干擾能力;另外，由于信號(hào)頻率很高，可以在很短的周期內(nèi)完成一次測量，因而具有較高的響應(yīng)速度。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與組建

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示，它由多諧振蕩器和電平轉(zhuǎn)換單元組成的信號(hào)采集模塊、槽型光耦和步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制芯片組成的運(yùn)動(dòng)控制模塊、主控模塊和上位機(jī)顯示模塊組成。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig 3 Hardware structure block diagram

加樣針結(jié)構(gòu)的電容傳感器和CMOS 型施密特觸發(fā)器CD40106 組成多諧振蕩器，電阻分壓實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器輸出信號(hào)至主控芯片輸入信號(hào)之間的電平轉(zhuǎn)換。主控單元采用STM32 系列微控制器，利用其定時(shí)器的PWM 輸入模式進(jìn)行脈沖周期測量。每個(gè)測量周期內(nèi)對(duì)脈沖上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以測定其脈沖周期。L6470 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片通過SPI 接口與主控芯片通信，接收調(diào)速、定位等指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，并能實(shí)時(shí)返回電機(jī)位置、運(yùn)行狀態(tài)等信息［6］。STM32 主控與上位機(jī)采用USB 轉(zhuǎn)串口通信，上位機(jī)使用LabVIEW 軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為檢測本文液位檢測方法的靈敏度和精度，組建了全自動(dòng)凝血分析儀加樣針結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig 4 Physical map of experimental system

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用128 細(xì)分，測量其運(yùn)行38 400微步加樣針?biāo)?jīng)過的距離為42.583 mm，由此計(jì)算理論定位分辨率為1.1 μm/微步。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

加樣針運(yùn)動(dòng)過程中，STM32 主控芯片利用定時(shí)器檢測各微步位置測得的信號(hào)脈沖數(shù)，發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。對(duì)同一液面高度進(jìn)行重復(fù)測量，為便于觀察，任意選取10 次測量結(jié)果繪于圖5，其中一次測量過程液面附近10 個(gè)微步位置的脈沖數(shù)測量值列于表1，各次實(shí)驗(yàn)檢測到液面處對(duì)應(yīng)的加樣針移動(dòng)距離s2和液位高度h 測量值列于表2。

圖5 重復(fù)測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 5 Repeat measurement experimental results

表1 單次測量數(shù)據(jù)Tab 1 Single measurement data

表1 數(shù)據(jù)可以看出，33 084 微步處測量脈沖數(shù)發(fā)生躍變，2 微步之間脈沖周期的相對(duì)變化率為42.8%。如此顯著的變化率表明:本文液面探測方法具有很高的靈敏度，環(huán)境因素變化不會(huì)對(duì)檢測結(jié)果造成嚴(yán)重影響。據(jù)此設(shè)定脈沖周期的檢測閾值能夠得到液面的位置，本文此測量33 084微步處對(duì)應(yīng)的探針下降距離s2為36 688 μm，液位高度h 為18 755 μm。

表2 求得液位高度h 均值為18 757.4 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.1 μm?？梢娛褂眠@種測量方法進(jìn)行液位測量準(zhǔn)確度很高，具有很小的檢測誤差，能夠滿足加樣過程液位檢測的精度要求。

表2 重復(fù)測量數(shù)據(jù)Tab 2 Repeated measurement data

5 結(jié)束語

將C/T 轉(zhuǎn)換法用于加樣針結(jié)構(gòu)液位傳感器的電容檢測，能夠?qū)σ好娼佑|瞬間的電容變化進(jìn)行準(zhǔn)確測定，再結(jié)合步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)了高靈敏度和高精度的液位檢測。實(shí)驗(yàn)證明:這種檢測方法具有組成結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、重復(fù)性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛適用于全自動(dòng)臨床分析儀器中對(duì)各種具有導(dǎo)電性能的液體進(jìn)行液位檢測。

［1］ 朱險(xiǎn)峰，張 闊，曾思思，等.全自動(dòng)臨床檢驗(yàn)儀器中液面探測技術(shù)的進(jìn)展［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2010(4):949－952.

［2］ Suominen I，Koivisto S.Increasing precision when pipetting protein samples:Assessing reliability of the reverse pipetting technique［J］.American Laboratory，2011，43:50－52.

［3］ 祝連慶，張文昌，董明利，等.一種提高全自動(dòng)酶免分析儀微量移液精度的方法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2013(5):1008－1014.

［4］ 曾柏杞，歐陽紅林，蘇深廣，等.基于自適應(yīng)算法的液面檢測系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(8):94－96.

［5］ 劉松齡，何 翔.用matlab 語言建立液位電容傳感器特性的數(shù)學(xué)模型［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2001(6):7－8，22.

［6］ 石星星，吳洪濤.基于專用控制芯片的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012(9):130－133.