馬曉歡 郭陽寬 張曉青

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

0.引言

液位檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)生物試劑和樣本量的一項(xiàng)重要測(cè)量手段。在酶免分析儀、血凝分析儀、尿液分析儀等現(xiàn)代臨床檢驗(yàn)儀器中[1-2]，試劑和樣本量的精確度直接影響后續(xù)檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]，所以液位檢測(cè)就尤為重要。本文主要介紹了在臨床檢驗(yàn)儀器領(lǐng)域的液位檢測(cè)方法，綜述了各方法在臨床檢驗(yàn)儀器上的應(yīng)用，最后總結(jié)并討論了液位檢測(cè)技術(shù)在儀器應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)。

1.臨床檢驗(yàn)儀器液位檢測(cè)方法

液位檢測(cè)方法[4]可分為接觸式液位檢測(cè)和非接觸式液位檢測(cè)。接觸式液位檢測(cè)方法主要有壓力法、電容法等，非接觸式液位檢測(cè)方法主要包括超聲波法、激光法等。

1.1 壓力法液位檢測(cè)

1986年，意大利Armando Prodosmo發(fā)明了一種通過氣壓傳感器檢測(cè)移液器管道內(nèi)氣壓變化來判斷液位高度，該方法為氣壓法，后被Hamilton 公司改稱為壓力法液位檢測(cè)技術(shù)。在該方法的基礎(chǔ)上，各大公司紛紛開發(fā)各具特色的壓力法LLD技術(shù)。

2019年東南大學(xué)的學(xué)者[5]設(shè)計(jì)了一種基于壓力傳感器的液位檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)臨床測(cè)試處理平臺(tái)上加樣的液位高度。壓敏膜在壓力變化時(shí)會(huì)發(fā)生變形。該壓力傳感器具有高度的可靠性和敏感性。實(shí)時(shí)壓力曲線變化圖如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)壓力曲線變化圖

2019年中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所的學(xué)者[6]基于氣動(dòng)置換技術(shù)，根據(jù)移液器內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力變化，來計(jì)算液位高度以及吸液過程中異常情況的監(jiān)測(cè)。采用位置-速度雙閉環(huán)PID算法對(duì)直線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確控制。當(dāng)接近目標(biāo)位置時(shí)，電機(jī)逐漸減速，平穩(wěn)停止，有效減緩電機(jī)運(yùn)動(dòng)慣性，提高液位檢測(cè)的精確度。

1.2 電容法液位檢測(cè)

1970 年，瑞士Greiner Electronic 公司首先將電容法引入檢驗(yàn)儀器。電容法平行板式結(jié)構(gòu)如圖2[7]。加樣針和容器下方基座分別作為兩極，檢測(cè)兩極板間電容值。未接觸時(shí)電容值為Ca，加樣針向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)接觸到液面時(shí)電容值為Cb，通過Cb的大小來計(jì)算液位的高度。

圖2 電容法平行板式結(jié)構(gòu)

2012年湖南大學(xué)的學(xué)者利用雙層針-平板電容器作為檢測(cè)液位的傳感器。在硬件上采用了電容匹配的方法，來保證整個(gè)振蕩電路的穩(wěn)定性。在軟件上采取了自適應(yīng)算法。軟件硬件皆做進(jìn)一步改進(jìn)從而共同消除外界干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單具有很強(qiáng)實(shí)用性。

2013年北京信息科技大學(xué)的學(xué)者基于探針式電容傳感器利用電機(jī)控制加樣針動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行液位檢測(cè)。不斷快速切換電機(jī)正反轉(zhuǎn)，完成加樣針的小幅度上下等距離往返運(yùn)動(dòng)。有助于減小單方向的運(yùn)動(dòng)慣性以達(dá)到消除電機(jī)運(yùn)動(dòng)慣性對(duì)液位探測(cè)所帶來的的影響，液位檢測(cè)精度由±0.3mm提高到±0.1mm。

1.3 超聲波法液位檢測(cè)

2016年山東一家公司基于超聲波法設(shè)計(jì)了一套全自動(dòng)酶免液位檢測(cè)系統(tǒng)。微處理器控制發(fā)出超聲波信號(hào)，信號(hào)接收器接收液面反射回的超聲波信號(hào)，并進(jìn)行同步處理，實(shí)現(xiàn)試劑液位高度情況的精確檢測(cè)。2020年湖南的一家公司設(shè)計(jì)了一款基于超聲波法檢測(cè)CS-VolumeCheck全自動(dòng)微孔板的液位高度標(biāo)準(zhǔn)儀，多個(gè)超聲波探頭可同時(shí)檢測(cè)多個(gè)微孔的液位高度和試劑體積，精可達(dá)0.1mm，響應(yīng)時(shí)間低至0.7ms，最低可檢測(cè)10ul液體。

1.4 激光法液位檢測(cè)

2009年，天津大學(xué)的學(xué)者設(shè)計(jì)了一種基于激光反射原理以檢測(cè)臨床分析儀加樣試劑液位高度的系統(tǒng)。光線與液面垂線成一定夾角照射到液面上，被液面反射到與液面平行并位于液面上方的接收器上，通過反射光點(diǎn)在傳感器水平方向的位置反映出液面的高度。激光法液位檢測(cè)原理圖如圖3。液面高度探測(cè)精度可達(dá)0.1mm。

圖3 激光法液位檢測(cè)原理圖

2015年，廣東的學(xué)者基于激光三角法原理，利用激光發(fā)射器發(fā)射激光束，高精度轉(zhuǎn)角電機(jī)控制其從原點(diǎn)即垂直向下位置旋轉(zhuǎn)角度直至位置傳感器接收到反射信號(hào)，根據(jù)發(fā)射器旋轉(zhuǎn)的角度計(jì)算出液位高度，檢測(cè)精度可達(dá)0.1mm。

2.液位檢測(cè)方法綜合對(duì)比及趨勢(shì)

隨著自動(dòng)化、智能化要求的推進(jìn)，液位檢測(cè)方法和技術(shù)也在逐步地改進(jìn)和提高。但目前沒有哪一種液位檢測(cè)方法能夠適應(yīng)所有的介質(zhì)和應(yīng)用場(chǎng)景，應(yīng)通過每種測(cè)量方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)結(jié)合檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)環(huán)境等條件選擇合適且實(shí)用的檢測(cè)方法。表1 為幾種不同液位檢測(cè)方法性能比較表。

表1 液位方法性能比較表

液位檢測(cè)技術(shù)必將向著高精度、適用范圍廣、低功耗、智能化方向發(fā)展，也將不斷應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)等各種臨床、生產(chǎn)及科研領(lǐng)域。

3.結(jié)論

文章綜述了典型的四種液位檢測(cè)方法在臨床檢驗(yàn)儀器中的應(yīng)用，并分析了四種方法的特點(diǎn)。壓力法和電容法液位檢測(cè)技術(shù)在目前研究和應(yīng)用較多。超聲波法和激光法仍有很大的研究空間和發(fā)展前景。液位檢測(cè)技術(shù)總體將向著更智能化、更高精度的方向發(fā)展。