程 宏， 李 樸， 劉 穎， 朱 沙

(1. 遵義市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測院，貴州 遵義 563000; 2. 中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021)

0 引 言

醫(yī)用離心機(jī)是產(chǎn)生恒加速度的一類離心機(jī)，它是利用旋轉(zhuǎn)運動的離心力以及浮力密度的差異進(jìn)行分離和提純生物樣品中各成分的處理裝置，廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、檢驗醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)等實驗室中。新冠肺炎疫情暴發(fā)以來，該類實驗裝置的計量校準(zhǔn)工作得到空前重視。計量是科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)和支撐，應(yīng)該為醫(yī)用離心機(jī)這類疫情防控設(shè)備的準(zhǔn)確可靠發(fā)揮量值保障作用。目前醫(yī)用離心機(jī)僅有幾個省推出了各自的校準(zhǔn)規(guī)范，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，急需國家校準(zhǔn)規(guī)范，因此有必要在這方面進(jìn)行進(jìn)一步的探索，促進(jìn)國家規(guī)范的推出。

在如何校準(zhǔn)醫(yī)用離心機(jī)方面，專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行了大量探索和嘗試[1-2]，提出來許多好的方法，為正式發(fā)布醫(yī)用離心機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范提供了技術(shù)基礎(chǔ)和有益嘗試?，F(xiàn)有方法，主要有光電原理測量轉(zhuǎn)速法和振動原理測量轉(zhuǎn)速法（以下簡稱光電法和振動法）。光電法是目前已發(fā)布離心機(jī)地方校準(zhǔn)規(guī)范主要方法。醫(yī)用離心機(jī)基本都是帶蓋封閉型，上蓋有有機(jī)玻璃觀察窗和無觀察窗（以下簡稱有窗和無窗）兩種類型?；诠怆娹D(zhuǎn)速表測量原理，不能實現(xiàn)對無窗醫(yī)用離心機(jī)的閉蓋校準(zhǔn)，而開蓋測量本身存在極大安全風(fēng)險，實際校準(zhǔn)中不建議采用。對于有窗的離心機(jī)，需要將反光貼貼于離心機(jī)轉(zhuǎn)動部分，轉(zhuǎn)速表通過觀察窗進(jìn)行測量，受反射效果的影響，轉(zhuǎn)速表示值跳變較大，測量結(jié)果可靠性不高；而振動法測量轉(zhuǎn)速是基于轉(zhuǎn)子不平衡振動與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相一致的原理，將測量傳感器置于醫(yī)用離心機(jī)機(jī)體表面，不需開蓋，通過分析和測量轉(zhuǎn)子的不平衡振動得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，這種原理的測速儀表也可稱為振動式轉(zhuǎn)速表。振動法相對于光電法，在醫(yī)用離心機(jī)的校準(zhǔn)活動中，更具優(yōu)勢，實踐證明也是一種行之有效的方法，它的主要難點在于不平衡振動頻率的準(zhǔn)確測量，文獻(xiàn)[2]提出的應(yīng)用最小條件系統(tǒng)識別法測量離心機(jī)的轉(zhuǎn)速方法，系統(tǒng)硬件復(fù)雜，相對于光電轉(zhuǎn)速法的0.1%或0.2%的測量精度，差距較大，因此應(yīng)尋求一種更為有效的不平衡振動-轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速算法。

1 振動式原理轉(zhuǎn)速測量

按照醫(yī)用離心機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，醫(yī)用離心機(jī)需要檢查測量的參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、相對離心力、振動、溫度等，其中轉(zhuǎn)速是離心機(jī)的核心參數(shù)[3-7]，離心效果完全取決于轉(zhuǎn)速，因而這是必測參數(shù)。醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)，目前的技術(shù)方案標(biāo)準(zhǔn)器的選擇主要有光電式轉(zhuǎn)速表和振動式轉(zhuǎn)速表兩種方式。光電法如前所述具有較多的局限性，振動法最為關(guān)鍵的振動頻率的高精度測量，即高精度頻率估計算法的研究。高精度頻率估計算法，包括幅度比值法、相位差法、頻譜細(xì)化法和自相關(guān)輔助法，在分析算法原理及特點的基礎(chǔ)上，比較算法的性能，結(jié)合醫(yī)用離心機(jī)不平衡振動的特點，不平衡振動頻率與轉(zhuǎn)速一致，不平衡引起的振動頻率不高，結(jié)構(gòu)引起的振動峰頻率較高，分布明顯，因此宜采用頻譜細(xì)化法。

1.1 振動式原理轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計

圖1為振動式原理測量醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速示意圖。它是由高靈敏度振動傳感器，經(jīng)過適調(diào)放大、濾波，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，無線發(fā)送至計算機(jī)或ARM等系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理，得到轉(zhuǎn)子不平衡振動頻率，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。圖2為振動式原理轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)框圖。一般振動頻率的分析均采用傅里葉變換的原理。

圖1 振動式轉(zhuǎn)速表的測量醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速示意圖

圖2 振動式轉(zhuǎn)速表原理框圖

傳統(tǒng)的選帶頻率細(xì)化分析方法（簡稱為ZoomFFT），是一種基于復(fù)調(diào)制移頻的高分辨率傅里葉分析法[8]。其方法流程為：移頻——低通數(shù)字濾波——重抽樣——FFT及譜分析——頻率成分調(diào)整，存在計算量大和頻率成分調(diào)整復(fù)雜等問題，最大細(xì)化倍數(shù)一般不超過50倍，細(xì)化倍數(shù)越大，誤差越大。但是復(fù)解析帶通濾波器克服了傳統(tǒng)方法的局限性, 加快了分析速度，極大提高分析精度和細(xì)化倍數(shù), 是一種更好實現(xiàn)的復(fù)調(diào)制細(xì)化分析方法，是適宜于細(xì)化振動頻率的方法。

振動式原理測量轉(zhuǎn)速是對轉(zhuǎn)子不平衡振動頻率的分析測量來實現(xiàn)，將依據(jù)復(fù)解析帶通濾波器的原理，轉(zhuǎn)頻附近選帶頻率細(xì)化，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的高精度測量。

1.2 復(fù)解析帶通濾波器的復(fù)調(diào)制細(xì)化譜分析方法

帶通寬為 ω2-ω1的解析濾波器的理想幅頻特性如圖3所示，其中π對應(yīng)采樣頻率的 一半，為帶通的中心頻率。其沖擊響應(yīng)為

圖3 復(fù)解析帶通濾波器理想幅頻特性

h1(k)是圖4所示的低通濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)，其沖擊響應(yīng)函數(shù)為

圖4 移頻前濾波器幅頻特性

復(fù)解析帶通濾波器的沖激響應(yīng)是一復(fù)數(shù)序列，實部為偶對稱, 虛部為奇對稱, 實際使用時只計算一半序列, 通常需加一半的Ηanning窗以改善帶通的平坦度和止帶的波紋效應(yīng)。實際應(yīng)用中復(fù)解析帶通濾波器可將濾波與選抽結(jié)合起來，提高計算效率。實信號經(jīng)過濾波后，就成為頻率在帶通以內(nèi)的復(fù)解析信號。復(fù)解析帶通濾波器負(fù)頻率部分響應(yīng)為零，因此FFT 后省去了頻率調(diào)整過程，只需要將譜分析的頻率成分按順序顯示即可。

在醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)頻頻率分析和測量方法研究中，采用了復(fù)解析帶通濾波器的復(fù)調(diào)制細(xì)化譜分析方法分析和測量轉(zhuǎn)子的不平衡振動，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的高精度測量方法。數(shù)字振動傳感器吸合于醫(yī)用離心機(jī)蓋板或側(cè)面板，采集振動數(shù)據(jù)，通過WiFi發(fā)送，WiFi信號可用平板電腦/手機(jī)/計算機(jī)接收數(shù)據(jù)，接收到1 024個數(shù)據(jù)后使用FFT快速判別振動峰的分布，確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大致頻率區(qū)間，同時繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，1 024個數(shù)據(jù)和后續(xù)數(shù)據(jù)一起，采用復(fù)調(diào)制細(xì)化譜分析算法，細(xì)化1 000倍，準(zhǔn)確得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

軟件流程如圖5所示，其中的N為一段FFT分析點數(shù)，D為譜細(xì)化倍數(shù)，M為復(fù)調(diào)制濾波器的半階數(shù)。圖6為軟件運行界面，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、振動、相對離心力、溫度等YY/T 0657—2017《醫(yī)用離心機(jī)》[4]國家標(biāo)準(zhǔn)要求參數(shù)的測量。

圖5 軟件流程圖

圖6 軟件運行界面

2 測試實驗及分析

2.1 振動式轉(zhuǎn)速表在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置上的實驗驗證

選擇萬分之一的計量部門校準(zhǔn)轉(zhuǎn)速表的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置作為實驗驗證對象，將振動式轉(zhuǎn)速表吸附于標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置變速箱的表面。開啟標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置至設(shè)定轉(zhuǎn)速，待顯示穩(wěn)定后讀取振動式原理測量的轉(zhuǎn)速，數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速臺試驗記錄

驗證測試結(jié)果表明，振動式原理測量轉(zhuǎn)速可以達(dá)到±0.1%的相對測量誤差，與光電式轉(zhuǎn)速表的測量精度相一致。低轉(zhuǎn)速的情況下，由于由標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的不平衡振動較小，不易得到轉(zhuǎn)速測量結(jié)果，需要加大不平衡振動，實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速的測量。

為考核振動式轉(zhuǎn)速表的測量重復(fù)性，在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速臺上振動式轉(zhuǎn)速表作10次重復(fù)測量，選取3 000 r/min點作儀器的測量重復(fù)性考核，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 振動式轉(zhuǎn)速表10次重復(fù)測量數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差由Beseel公式

2.2 振動式轉(zhuǎn)速表在醫(yī)用離心機(jī)裝置上的實驗驗證

同時使用振動式原理和光電式原理對同一醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速測量進(jìn)行實驗對比驗證。選取四川蜀都儀器有限公司生產(chǎn)的LG-25M型高速、TD-5Z型低速醫(yī)用離心機(jī)作測試驗證，轉(zhuǎn)速覆蓋300～25 000 r/min。將醫(yī)用離心機(jī)放置于水平面上，振動式轉(zhuǎn)速表吸附于醫(yī)用離心機(jī)的上蓋或側(cè)面，啟動醫(yī)用離心機(jī)校準(zhǔn)的App程序，無線連接校準(zhǔn)器，將設(shè)定的離心機(jī)轉(zhuǎn)速輸入到測試界面，系統(tǒng)自動進(jìn)行轉(zhuǎn)速判讀和分析，顯示離心機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。在醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)子上貼上反光標(biāo)貼，通過醫(yī)用離心機(jī)觀察孔用光電式原理測量醫(yī)用離心機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。振動與光電式測量醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速的對比實驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 醫(yī)用離心機(jī)振動法與光電法轉(zhuǎn)速測量對比實驗數(shù)據(jù)

從測量數(shù)據(jù)看，振動法和光電法能達(dá)到同等測量精度，而且振動法相對來講操作更簡單，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，光電式對光過程冗長，數(shù)據(jù)跳變大。對于醫(yī)用離心機(jī)低轉(zhuǎn)速的校準(zhǔn)時，只需在試管架一側(cè)放置一個空試管，添加一個不平衡量，振動法就能準(zhǔn)確測量其轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)束語

醫(yī)用離心機(jī)校準(zhǔn)需求是在新冠肺炎疫情大流行和對醫(yī)療設(shè)備加強(qiáng)監(jiān)管的背景下，對計量技術(shù)部門提出的新要求，經(jīng)過大量的實踐和理論探索，相關(guān)的校準(zhǔn)方法日趨成熟?；谡駝釉淼恼駝邮睫D(zhuǎn)速表國家校準(zhǔn)規(guī)范，已在國家市場監(jiān)管總局立項，該規(guī)范的制定，將為振動式轉(zhuǎn)速表應(yīng)用于校準(zhǔn)醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速的量值溯源活動提供技術(shù)規(guī)范的支持。