滕士雷，吳衛(wèi)東

(1.無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫 214028；2.無錫浩源生物科技有限公司，江蘇 無錫 214105)

0 引言

電解質(zhì)是指人體體液中的離子，其中包括重要組成成分Na+、K+、Cl-等離子，這些離子參與人體內(nèi)部很多重要功能和代謝活動(dòng)，并且是維持人體生理機(jī)能正常的重要指標(biāo)[1]。在臨床應(yīng)用中，電解質(zhì)是一項(xiàng)重要的生化檢驗(yàn)項(xiàng)目，體液中的Na+、K+、Cl-離子濃度對疾病的診斷、預(yù)防具有不可或缺的作用，因此具有很重要的指導(dǎo)意義[2]。為了滿足臨床需求，電解質(zhì)分析儀被廣泛用于快速檢測血漿、血清、全血、尿液等樣本中Na+、K+、Cl-等離子濃度。然而，目前大多數(shù)國產(chǎn)的濕式電解質(zhì)分析儀采用離子選擇電極法(ISE)技術(shù)，其結(jié)構(gòu)和操作過程相對復(fù)雜，存在生物安全隱患；而進(jìn)口的高端大型檢測設(shè)備價(jià)格昂貴，不利于中小型醫(yī)院推廣[3]。

為了解決這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于干式生化法的電解質(zhì)分析儀。該系統(tǒng)采用人基質(zhì)定值生化質(zhì)控血清進(jìn)行數(shù)據(jù)較定，并符合醫(yī)療儀器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過醫(yī)療儀器注冊檢驗(yàn)，準(zhǔn)確度、精密度、線性穩(wěn)定性、測試速度、最小樣品量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量、孵育器溫度均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)。因此，該電解質(zhì)分析儀的推出，在一定程度上提高了國產(chǎn)電解質(zhì)分析儀的設(shè)計(jì)水平，突破了干式檢測技術(shù)的瓶頸[4]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖1展示了干式電解質(zhì)分析儀的總體設(shè)計(jì)框圖。該儀器由干式生化電解質(zhì)測試片、滑動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)、孵育室、加樣槍以及系統(tǒng)主機(jī)等部分組成。測試片包含參比液體加樣孔、樣品液加樣孔和三組測試電橋。樣品加入加樣孔后，測試片被傳送機(jī)構(gòu)送入孵育室進(jìn)行恒溫加熱。在此過程中，測試片電極內(nèi)充液中的Na+、K+、Cl-離子與選擇性透析膜進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而在測試電橋中形成電位差[5]。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過采樣電路和小信號(hào)處理模塊后，傳輸至系統(tǒng)主機(jī)。主機(jī)采用STM32嵌入式ARM芯片作為處理器，運(yùn)行工程應(yīng)用級別的程序庫和DSP算法庫，并通過DMA實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。離子濃度檢測采用Nernst方程，同時(shí)設(shè)計(jì)了漂移、阻抗、失調(diào)、增益自適應(yīng)算法，從而創(chuàng)新了一種干式電解質(zhì)測量方法。本研究完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和軟件處理，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖1 干式電解質(zhì)分析儀系統(tǒng)框圖

1.1 標(biāo)本測試指標(biāo)

表1 標(biāo)本測量范圍和電極電壓值參考范圍

1.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

表2 系統(tǒng)測量性能要求參數(shù)

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本文提出了一種基于離子選擇電極法的干式電解質(zhì)分析儀，采用干化學(xué)試劑片進(jìn)行測試。儀器的功能模塊如圖2所示，包括參比液和待測樣本的測量，待測樣本液體類型主要包括血清、血漿、全血和稀釋尿液。該儀器采用先進(jìn)的干式技術(shù)，無需使用液體試劑，具有操作簡便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。在儀器設(shè)計(jì)中，我們考慮了不同類型樣本的特點(diǎn)和測量需求，采用了離子選擇電極法進(jìn)行測量，能夠?qū)θ梭w體液中的Na+、K+、Cl-等離子濃度進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的檢測。

圖2 干式電解質(zhì)分析儀功能模塊示意圖

在測量過程中，首先進(jìn)行設(shè)備自檢，并啟動(dòng)孵育器加熱。當(dāng)溫度達(dá)到30±1 ℃時(shí)，預(yù)備燈點(diǎn)亮，設(shè)備進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。按下標(biāo)本鍵，使顯示類型與要測試的標(biāo)本類型一致。將一張測試片放置在樣品液測定區(qū)，測試片表面的箭頭對準(zhǔn)測試片插入方向，將測試片裝入加樣部。將加樣槍頭以正確方式安裝到加樣槍上，并調(diào)低加樣槍的開/關(guān)控制桿，以擴(kuò)大各加樣槍頭之間的距離。使用標(biāo)有參比液的加樣槍抽吸參比液，使用標(biāo)有樣品的加樣槍抽吸樣品溶液。在抽吸參比液和樣品溶液時(shí)，檢查是否存在大的氣泡。如果參比液和樣品溶液中有大氣泡，可能會(huì)影響液體到達(dá)測定部或形成電路橋。為避免污染樣品加樣支架并降低出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性，使用紙巾輕輕地擦干加樣槍頭表面上的參比液和樣品溶液。將開關(guān)控制桿推到最上端，使加樣槍頭之間的距離為最小，并將加樣槍頭移至本儀器的加樣支架部位。調(diào)整加樣槍頭的位置，使其對準(zhǔn)測試片上的兩個(gè)孔。同時(shí)按住參比液和樣品溶液的控制桿，將加樣槍中的液體滴到測試片的孔中。在完成移液過程后，迅速按下啟動(dòng)鍵。測試片通過滑動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)入儀器的孵育器，一分鐘后液晶屏上顯示溶液的鈉、鉀、氯含量值(以mmol/L表示)，并可打印出測試結(jié)果。測試片測量完成后，自動(dòng)彈入廢棄測試片回收盒[6]。

除了以上描述的電解質(zhì)測試主要功能外，其輔助功能還包括：

1)設(shè)置時(shí)間和日期；

2)可顯示分析結(jié)果和打印結(jié)果；

3)可用于離子交換分離：離子選擇膜法可以將離子選擇性膜應(yīng)用于離子交換分離，實(shí)現(xiàn)對離子的選擇性分離和提純，可以應(yīng)用于化學(xué)分離、生物技術(shù)等領(lǐng)域。

國有企業(yè)活力不足的相當(dāng)一部分原因在于,它更看重和依賴行政指令而不是對市場信號(hào)作出符合經(jīng)濟(jì)邏輯的反應(yīng)[26]。根據(jù)圖1可以梳理出對國有企業(yè)管理的政府機(jī)構(gòu)變革，基本上是沿著放權(quán)讓利這一基本線索展開的，如在1998年集優(yōu)化政府職能與下放權(quán)力于一體，撤銷冶金工業(yè)部、化學(xué)工業(yè)部、煤炭工業(yè)部等各能源部門，設(shè)立國家局，統(tǒng)一歸口國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)管理；2001年部分國家局轉(zhuǎn)為協(xié)會(huì)或聯(lián)合會(huì)，如國家輕工業(yè)局、國家紡織工業(yè)局、國家石油和化學(xué)工業(yè)局等，徹底退出政府機(jī)構(gòu)序列，走向市場。

3)具有測試結(jié)果修正的功能；

4)貯存檢測結(jié)果數(shù)據(jù)；

5)具有RS232串口和藍(lán)牙通訊功能。

干式生化電解質(zhì)分析儀廣泛應(yīng)用于手術(shù)、燒傷、腹瀉、急性心梗等需要補(bǔ)液病人的臨床治療中，準(zhǔn)確檢測血液中離子濃度是這些病例治療的重要依據(jù)之一。本儀器的設(shè)計(jì)使得測試參數(shù)的測量精確、可靠，且操作簡單方便，能夠快速提供相關(guān)參數(shù)的檢測結(jié)果。

2 系統(tǒng)測試原理

2.1 測試片的原理與對比分析

目前，國產(chǎn)電解質(zhì)分析儀大多采用濕式離子選擇法(簡稱ISE)，它利用電極電位和溶液中離子濃度之間的關(guān)系來測量離子濃度。測試過程中需要將離子選擇電極浸入電解質(zhì)溶液中，使其表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而形成一種選擇性地響應(yīng)某種特定離子的電勢。離子選擇電極法的優(yōu)點(diǎn)在于其靈敏度高、檢測速度快、分析簡單等。但是，該方法的缺點(diǎn)是需要有選擇性的電極材料，而這種材料不一定容易得到，其結(jié)構(gòu)和操作過程相對復(fù)雜，存在生物安全隱患；同時(shí)，電極的壽命較短，需要不斷更換。

本系統(tǒng)采用的離子選擇膜(簡稱ISM)測試片是一種干式離子選擇方法，它利用離子選擇性膜將離子分離出來，然后通過離子選擇性膜上的微小通道，將離子輸送到電極上進(jìn)行測量。ISM由一個(gè)具有高離子選擇性的膜和兩個(gè)電極組成。膜材料被設(shè)計(jì)為只允許特定類型的離子通過，而其他離子則被阻止通過。當(dāng)離子通過膜時(shí)，它們會(huì)在電極上產(chǎn)生電位信號(hào)，從而測量離子濃度[7]。

本測試片的優(yōu)點(diǎn)在于離子選擇膜法的創(chuàng)新性在于它將離子選擇性膜與電極結(jié)合使用，利用膜對特定離子的選擇性實(shí)現(xiàn)離子的分離和檢測，具有以下優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用價(jià)值。

1)應(yīng)用范圍更廣泛：相比于離子選擇電極法，離子選擇膜法可以使用更為普遍的電極材料，因此更具有普適性，適用于不同種類的離子檢測。

1)測試片由參比電極、測定電極、支持體、銀層、氯化銀層、電解質(zhì)結(jié)晶、離子選擇膜、電橋和分配器材構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。測定電極位于測試片的中央，周圍被離子選擇膜包裹，離子選擇膜與電解質(zhì)結(jié)晶之間形成一個(gè)微小的空間，形成離子通道。在測試過程中，樣品液中的離子在離子選擇膜中被過濾，與電解質(zhì)結(jié)晶中的離子交換，導(dǎo)致電位差的變化，最終通過電橋傳至測定電極[9]。

WEI Hao, XUE Qingpo, ZHANG Guorui, et al. Heavy metal pollution degree and its risk assessment of farmland soil in the downstream of a uranium tailings pond[J]. Conservation and utilization of mineral resources, 2018(6):132-139.

4)可用于濃度極化分離：離子選擇膜法還可以應(yīng)用于濃度極化分離，利用離子選擇性膜對離子的選擇性實(shí)現(xiàn)離子的分離和濃縮，具有廣泛的應(yīng)用前景，可以用于海水淡化、廢水處理等領(lǐng)域。

因此，離子選擇膜法測試片是一種創(chuàng)新性的離子選擇電極方法，不僅具有高選擇性、穩(wěn)定性好、易于制備和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，而且還可以用于離子交換分離和濃度極化分離等方面，具有廣泛的應(yīng)用前景[8]。

2.2 測試片的結(jié)構(gòu)與檢測方式

2)穩(wěn)定性更高：離子選擇膜法中的離子選擇性膜具有較高的穩(wěn)定性，使用壽命長，不易受到外界干擾，因此可以提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。

選取某區(qū)域的城市獨(dú)立坐標(biāo)系成果與1980西安坐標(biāo)系成果為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要通過大樣本進(jìn)行訓(xùn)練，才能得到可靠的結(jié)果。本算例選擇均勻分布的624個(gè)點(diǎn)作為學(xué)習(xí)樣本，將另外的87 個(gè)點(diǎn)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的檢測樣本，通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型獲取這87個(gè)點(diǎn)的1980西安坐標(biāo)系成果，再對比其實(shí)際成果，計(jì)算檢核精度。

圖3 測試片正反面俯視圖

在測試之前，首先要準(zhǔn)備參比液和測試片。使用參比液時(shí)，應(yīng)該等它恢復(fù)到常溫后再打開蓋子。將測試片裝入干式生化電解質(zhì)分析儀中，然后滴入樣品液和參比液各50 μL。1分鐘后，測定結(jié)果將以mmol/L或mEq/L單位顯示出來。

2)測試片的輸出電壓如圖4所示，本文設(shè)計(jì)的電解質(zhì)分析儀采樣電路的輸入阻抗大于1011Ω。測量電壓范圍-50 mV到+50 mV。

圖4 測試片的輸出電壓示意圖

2.3 系統(tǒng)的檢測原理

在將測試片加入?yún)⒈纫汉蜆悠犯?0 μL后，液體可以通過分配器材分配到各個(gè)電極，并與離子選擇膜(簡稱ISM)的表面接觸。當(dāng)參比液接觸到參比電極(左側(cè)電極)的ISM表面時(shí)，ISM表面和參比液之間達(dá)到平衡后會(huì)產(chǎn)生一定電位。當(dāng)樣品與測定電極(右側(cè)電極)的ISM表面接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨著樣品離子濃度變化而變化的電位。兩種液體通過電橋相連構(gòu)成電路，在1分鐘后測定左右電極間的電位差E。

得到的電位差E和離子活度滿足能斯特方程式，通過這個(gè)方程式可以求得離子濃度(以mmol/L為單位)。

(1)

a(s)為樣品中的離子活度；a(r)為參比液中的離子活度；Ej為液體接界電位。

測試片的離子選擇性電極對被測樣本中的離子活度非常敏感，它能夠快速地感應(yīng)到被測離子，將其遷移到測試片的參比電極和測量電極的電極膜上，在兩電極之間形成離子的電位差。該電位差符合能斯特方程式：

(2)

式中，E為測量溶液中的離子電位，E0為參比液電位，R為氣體常數(shù)(8.314 47 J/(K*mol))，T為絕對溫度(273.15+toC)，n為離子電荷數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)(96 485 C/mol)。被測離子活度ax=Cx(濃度)*fx(活度系數(shù))，可以通過離子活度對濃度的理論計(jì)算值進(jìn)行修正。從公式(2)可以看出，被測樣本離子電位E與離子活度ax的對數(shù)呈線性關(guān)系[10]。

由于目前生化技術(shù)條件的限制，測試片的離子選擇電極無法直接測出被測樣本的電極電位絕對值，因此需要通過參比液電極作為參考電位來測量被測樣本的電極相對電位。為了進(jìn)行測量系數(shù)校準(zhǔn)，我們需要選擇兩種已知離子濃度的參比液A和質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)液B。設(shè)兩種樣本的離子已知濃度分別為CA和CB，電極電位分別為EA和EB，則電極實(shí)際斜率為：

(3)

①記錄查詢

(4)

求得離子濃度為：

Cx=10Ex-EA/slopeCA

(5)

2.4 測量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與修正原理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證，有時(shí)實(shí)測數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的對數(shù)直線不能完全擬合。因此，需要根據(jù)斜率通過兩種以上的定標(biāo)液進(jìn)行校準(zhǔn)，以獲得正確的修正結(jié)果。為了確定該儀器得到的測試值與實(shí)驗(yàn)室的慣用方法得到的測試值之間的相關(guān)性并進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，需要以實(shí)驗(yàn)室慣用方法的測試值作為X軸，本儀器的測試值作為Y軸，建立回歸方程式Y(jié)=aX+b。輸入系數(shù)a和b，本儀器內(nèi)部會(huì)自動(dòng)使用計(jì)算公式X=(Y-b)/a進(jìn)行修正計(jì)算，從而將該儀器的測試值Y修正為符合實(shí)驗(yàn)室測定值的值。

為了獲得更理想的相關(guān)性，應(yīng)充分考慮數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和樣品處理?？梢园礃悠返姆N類分別設(shè)定a和b的值。如果a和b的值已經(jīng)輸入，則儀器不會(huì)刪除已經(jīng)輸入的a和b的值，而是進(jìn)行新的設(shè)定。如果已經(jīng)輸入了系數(shù)a1和b1，又輸入了系數(shù)a2和b2，則設(shè)定的a和b的值為：a=a1*a2，b=a1*b2+b1。

矯形方式為棒平移矯形，邊界條件為約束T1椎體上部在X、Y軸方向上的自由度，同時(shí)約束骶骨和骨盆的自由度。矯形上棒時(shí)將棒預(yù)彎一定角度，凹側(cè)上棒矯形。手術(shù)節(jié)段為T2 ～ L2。上棒矯形過程中沒有考慮肌肉和胸廓對手術(shù)的影響。術(shù)后測量胸椎、胸腰段和腰椎曲度，同時(shí)測量螺釘對應(yīng)的拔出力。

3 系統(tǒng)的主要硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主要硬件模塊及功能設(shè)計(jì)

干式電解質(zhì)分析儀采用STM32F系列處理器作為系統(tǒng)控制器，基于離子選擇電極法，使用干化學(xué)試劑片作為測試樣品，主要包括主機(jī)、電源線和加樣槍。主機(jī)由以下八個(gè)硬件模塊組成。

機(jī)械模塊：用于將試劑片帶到測試位置，并在測試結(jié)束后將試劑片帶到拋棄位置，然后將試劑載臺(tái)輸送到初始位置。

由于現(xiàn)金流的不足或者擔(dān)保物品的缺乏，中小工業(yè)企業(yè)融資渠道少，多數(shù)只能從小額貸款公司或者商業(yè)銀行取得貸款，這些貸款的利率普遍較高。如果不能從銀行取得融資，那只能從親戚朋友借款，這部分的資金成本更高，企業(yè)業(yè)績?nèi)绻麤]有明顯的上升，等到借款償還期限一到，無法歸還借款，企業(yè)就面臨資金鏈斷裂，走向破產(chǎn)的邊緣。即使能周轉(zhuǎn)歸還借款，平時(shí)的資金成本也大幅侵蝕了企業(yè)利潤，導(dǎo)致企業(yè)效益低下，很難有較大的成長空間。

銀杏葉提取物注射液對老年2型糖尿病患者并發(fā)腦梗死事件的一級預(yù)防作用…………………… 張宣宣 王衛(wèi)東 王靖秋 等（1）18

檢測模塊：接觸試劑片并將檢測到的微小電壓信號(hào)輸入主板。

數(shù)據(jù)處理模塊：對微小電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的運(yùn)算處理，得出檢測結(jié)果。

控制模塊：用于控制機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)、恒溫加熱驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)檢測、處理和傳輸以及外部外設(shè)接口(如風(fēng)扇)等功能。

操作鍵盤：用于操作分析儀執(zhí)行相應(yīng)的功能。

顯示模塊：顯示功能菜單和結(jié)果。

我們的團(tuán)隊(duì)采用這種隧道內(nèi)游離輸尿管方法，結(jié)合經(jīng)典Wertheim手術(shù)的輸尿管內(nèi)側(cè)入路法，找到輸尿管入膀胱“輸尿管末端”的解剖標(biāo)志點(diǎn)，切除2 cm的膀胱宮頸韌帶，ligasure離斷子宮神靜脈和膀胱下靜脈的陰道支，解剖無血管區(qū)的膀胱陰道側(cè)間隙(paravesico vaginal space, PVVS；圖2)，完整向外推移輸尿管伴行，位于輸尿管下方的盆神經(jīng)叢；子宮頸主韌帶暴露在直視下，切除3 cm宮旁組織。2011年11月11日上述技術(shù)成功后，我們在國際手術(shù)同行透明監(jiān)督下，由探索性研究，延推2期注冊登記的標(biāo)準(zhǔn)化臨床研究。

通訊模塊：用于上傳數(shù)據(jù)至電腦和手機(jī)。

熱敏打印機(jī)：用戶進(jìn)行檢測結(jié)果打印。

3.2 檢測模塊的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用圖5所示的硬件模型對測試片的阻抗進(jìn)行檢查，并通過讀取信號(hào)來檢測滑動(dòng)阻抗。開關(guān)C′和D′是連鎖的，分析儀包括Na+、K+、Cl-三路采樣繼電器，可實(shí)現(xiàn)以下信號(hào)處理功能。

圖5 系統(tǒng)檢測硬件模型

偏移量檢查：分析儀檢查放大器的偏移量。

增益檢查：分析儀通過測量輸出電壓來檢查放大器的增益。

表5為實(shí)測試件各特征點(diǎn)對應(yīng)的等效黏滯阻尼系數(shù)he。由表5可知，所有試件等效黏滯阻尼系數(shù)變化規(guī)律相似，隨位移的增加而增大。峰值、破壞所對應(yīng)等效黏滯阻尼系數(shù)的變化范圍分別為0.203～0.369、 0.361～0.538，表明方鋼管再生混凝土柱經(jīng)歷高溫作用后，仍具有良好的耗能能力。試件耗能能力受再生粗骨料取代率的改變呈波動(dòng)變化，但從總體上看影響不大；隨著套箍指標(biāo)的減小而降低，降幅10%；隨著受熱溫度的增加呈先降后增的趨勢，300℃時(shí)，試件耗能最為不理想。

按8和2可以上下翻看測試記錄，包含ID號(hào)，測試結(jié)果和記錄號(hào)，按打印鍵可以把當(dāng)前頁面打印出來。按4鍵退回前一菜單。

漂移檢查：分析儀測量輸出電壓，并檢測到滑塊的異常輸出。

圖5中繼電器和模擬開關(guān)功能如表3所示。

稱取1 g速溶油茶干粉，用150 mL沸水沖泡，以油茶湯的湯色、香氣、滋味為主，結(jié)合油茶干粉的外形特性，進(jìn)行感官審評并排名。

你是了解我的小蘭，我真的被李老黑暗算了，要不我怎么會(huì)辦那樣不要臉的事。我還懷疑，那天是李老黑把我灌醉后給拖過去的。再說，我已經(jīng)醉成了一攤爛泥，就是真的跟李金枝鉆了一個(gè)被窩，我也不敢對她怎么樣啊。小蘭，我可是清白的，你要相信我。你要不相信，我真是跳進(jìn)黃河洗不清了。

表3 系統(tǒng)硬件信號(hào)檢查的邏輯關(guān)系表

測試片阻抗檢查的硬件模型如圖6所示，通過加偏置電壓測量試片阻抗電壓，判斷阻抗?fàn)顟B(tài)是否錯(cuò)誤，作為試片測量數(shù)據(jù)是否有效的依據(jù)。

圖6 測試片阻抗檢查的硬件模型

Vr+Vs

(6)

Vs=±100 mV，Vr= 208 mV

當(dāng)測試片正常測量情況下：

將Fs=325 kN,A=πd2/4,[τ]=164 MPa(銷軸材料為42CrMo,其抗拉強(qiáng)度為1 080 MPa,考慮到軸承工作重要性、疲勞、計(jì)算誤差、制造可靠性等問題,確定安全系數(shù)取3.96,確定許用強(qiáng)度為273 MPa,進(jìn)而確定許用剪切強(qiáng)度為0.6×273=164 MPa)代入式(4),得d≥58 mm.根據(jù)軸承手冊選用軸承GEF60ES,其額定動(dòng)載荷為55 kN,額定靜載荷為1 720 kN,滿足要求.

Rs=Rr…Vo=0.5(Vr+Vs)

當(dāng)測試片中樣品未被發(fā)現(xiàn)或體積不足時(shí)：

Rs=∞(>1 012 Ω)…Vo=Vr

當(dāng)測試片觸點(diǎn)短路或滑動(dòng)電極短路：

Rs=0 Ω…Vo=Vs

4 系統(tǒng)軟件功能的整體設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)的整體工作流程程序設(shè)計(jì)

使用plot(t，sigNa+l)函數(shù)輸出原始信號(hào)如圖8所示，對原始信號(hào)進(jìn)行N點(diǎn)傅里葉變換，再調(diào)用plot(f，abs(h))輸出其頻譜圖調(diào)用fir1(M，wc，’ftype’)函數(shù)導(dǎo)出濾波系數(shù)向量b，其中M為濾波階數(shù)減一；wc為標(biāo)量，且0≤wc≤1，1/2 的采樣頻率對應(yīng)標(biāo)量 1，當(dāng)wc=[wc1，wc2]時(shí)，得到ftype=’stop’對應(yīng)帶阻濾波器，ftype=’high’對應(yīng)帶通濾波器。最后使用lot(t，after_sigNa+l)函數(shù)輸出濾波后的信號(hào)波形如圖9所示[12]。同圖8比對，可以看出被測信號(hào)濾除50 Hz頻率后質(zhì)量較高，濾波效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)主要工作流程如圖7。

圖7 系統(tǒng)整體程序流程圖

4.2 采樣方式及核心算法設(shè)計(jì)

為了正確的對測試片信號(hào)進(jìn)行分析，提取更為準(zhǔn)確的信息，本設(shè)計(jì)在STM32處理器自帶的 ADC 采樣后，軟件上使用頻率采樣法，按照公式(7)，從頻域?qū)Ρ粶y信號(hào)進(jìn)行等間隔抽樣，并對信號(hào)進(jìn)行了數(shù)字濾波處理。

Hd(ejω)|ω=2kπ/n=Hd(k)k=0，1，…，N-1

(7)

在本系統(tǒng)中，對頻率響應(yīng)函數(shù)在[0，2π]上進(jìn)行等間隔采樣得到H(k)，根據(jù)公式(8)確定被測信號(hào)的FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)，根據(jù)公式(9)確定被測信號(hào)單位抽樣響應(yīng)h(n)[11]。

h(n)=F-1[H(k)]

(8)

本系統(tǒng)選擇用窗函數(shù)法來設(shè)計(jì)50 Hz陷波器，主要由阻帶為[45，55]Hz的帶阻濾波器構(gòu)成。利用Matlab提供的窗函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇合適的窗函數(shù)和理想低通濾波器是關(guān)鍵。FIR 50 Hz陷波器的技術(shù)指標(biāo)如下：

Fs=1 000; %采樣頻率;

N=1 024; %采樣點(diǎn)數(shù);

n=0:1:N-1;

t=0:1/Fs:1-1/Fs; %時(shí)間序列;

f=Fs*n/N; %頻率序列。

軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)初始化程序、自檢程序、待機(jī)程序、測量程序、數(shù)據(jù)處理程序、通信程序等組成。其中，系統(tǒng)初始化程序主要用于初始化整個(gè)系統(tǒng)，設(shè)置各種參數(shù)和寄存器；自檢程序用于檢測系統(tǒng)各個(gè)部分是否正常工作，避免在實(shí)際測量過程中出現(xiàn)問題；待機(jī)程序用于等待用戶操作，并監(jiān)測儀器狀態(tài)；測量程序用于進(jìn)行具體的電解質(zhì)測量操作；數(shù)據(jù)處理程序用于對測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，最終生成測試結(jié)果；通信程序用于將測試結(jié)果傳輸給計(jì)算機(jī)等外部設(shè)備。

圖8 原始信號(hào)波形

圖9 濾波后信號(hào)波形

4.3 系統(tǒng)軟件操作功能設(shè)計(jì)

1)測試標(biāo)本ID手工輸入功能：

系統(tǒng)操作功能通過16鍵鍵盤進(jìn)行控制。在主菜單界面按“.”鍵，鍵入三位ID號(hào)，輸入結(jié)束按“.”鍵返回。

本文從研究煤礦安全生產(chǎn)過程中煤礦地質(zhì)測量的作用和意義入手，主要闡述有關(guān)煤礦地質(zhì)測量的兩個(gè)方面，首先闡述煤礦安全生產(chǎn)過程中煤礦地質(zhì)測量的概念和必要性分析，其次探究煤礦地質(zhì)測量對煤礦安全生產(chǎn)過程的重要作用。

2)開機(jī)自檢：

打開電源開關(guān)，孵育器啟動(dòng)。儀器顯示自檢完成系統(tǒng)正在加熱**.* ℃，當(dāng)溫度達(dá)到30 ℃±1 ℃時(shí)，就緒指示燈點(diǎn)亮，液晶顯示“儀器已準(zhǔn)備好”。此時(shí)本儀器就可以進(jìn)行測試。當(dāng)室溫過高時(shí)，儀器顯示“環(huán)境溫度過高 請你調(diào)節(jié)室溫”同時(shí)蜂鳴器發(fā)出連續(xù)報(bào)警聲；系統(tǒng)加熱超時(shí)，請檢查環(huán)境溫度，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出連續(xù)報(bào)警聲。

3)標(biāo)準(zhǔn)操作程序：

當(dāng)顯示變?yōu)椤皟x器已準(zhǔn)備好”，就緒指示燈亮著時(shí)，本儀器就可以開始檢測了。按下標(biāo)本鍵，使顯示類型與要測試的標(biāo)本類型一致，進(jìn)入電解質(zhì)分析工作流程。檢測結(jié)果如圖10所示。

圖10 顯示示例

4)系統(tǒng)菜單功能設(shè)計(jì)：

按打印鍵進(jìn)入系統(tǒng)功能菜單，如果按2和8可以使光標(biāo)移動(dòng)，按6進(jìn)入對應(yīng)的功能，如果按4鍵則退回主界面。

如果被測樣本slope值保持不變，離子濃度為Cx，電位為Ex?？筛鶕?jù)公式：

2.產(chǎn)出指標(biāo)。（1）期望產(chǎn)出。采用2000—2015年各工業(yè)行業(yè)的增加值（單位：億元）進(jìn)行表征，為消除通貨膨脹的影響，以2000年為基期，利用GDP平減指數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，數(shù)據(jù)來源是歷年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》。（2）非期望產(chǎn)出。采用各工業(yè)行業(yè)的CO2排放量（單位：萬噸）進(jìn)行衡量，個(gè)體排放數(shù)據(jù)根據(jù)IPCC提供的方法計(jì)算得到。

按C鍵，儀器提示“數(shù)據(jù)刪除有風(fēng)險(xiǎn)！”

是請按：C鍵

否請按：取消鍵

可以選擇按C鍵或者取消鍵。

②參數(shù)設(shè)置

按2或8鍵移動(dòng)光標(biāo)，選擇需要設(shè)置的內(nèi)容，按6進(jìn)入對應(yīng)的功能，如果按4鍵退回上一級菜單。

修正參數(shù)，按2和8鍵可以分別選擇血清的鈉、鉀、氯和血漿的鈉、鉀、氯。

按啟動(dòng)鍵進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置，輸入系數(shù)a，按標(biāo)本鍵可以輸入b(注：打印鍵代表+或-)，按啟動(dòng)鍵退回。按4鍵退回上一級菜單。

功能開關(guān)，按8鍵可以把打印功能設(shè)置為開或者關(guān)。按2鍵可以把通信功能設(shè)置為開或者關(guān)。

日期時(shí)間，按啟動(dòng)鍵輸入年(2位)、月、日，按標(biāo)本鍵進(jìn)入時(shí)間設(shè)置，結(jié)束按啟動(dòng)鍵(日期或者時(shí)間輸入錯(cuò)誤會(huì)提示重新輸入)。

③電壓查詢

按6鍵進(jìn)入后，輸入正確的四位密碼可以查詢當(dāng)前測試的電壓值(按4鍵退回上一級菜單)。

5)系統(tǒng)檢測結(jié)果異常與錯(cuò)誤代碼設(shè)計(jì)：

當(dāng)分析儀在測量過程中檢測到異常結(jié)果時(shí)顯示并打印錯(cuò)誤代碼“E-XXX”，檢查方法和錯(cuò)誤原因如表4表示，錯(cuò)誤代碼標(biāo)識(shí)如表5所示。

表4 系統(tǒng)測量檢查方法和錯(cuò)誤原因

表5 系統(tǒng)測量錯(cuò)誤代碼

例如：E-105 表示

Na+：漂移錯(cuò)誤

K+ ：正常

Cl-：阻抗錯(cuò)誤和超范圍

5 系統(tǒng)測試與分析

5.1 定值質(zhì)控測試液的確定與配置

分析儀性能研究包括了系統(tǒng)功能、測量性能指標(biāo)、系統(tǒng)電氣安全指標(biāo)、電磁兼容指標(biāo)及相關(guān)驗(yàn)證方法等。其中測量的性能指標(biāo)是關(guān)鍵，需要準(zhǔn)確、穩(wěn)定的定值質(zhì)控測試液對系統(tǒng)測量功能和系數(shù)進(jìn)行定量驗(yàn)證。

1)試驗(yàn)條件：

溫度：15 ℃～30 ℃；

相對濕度：30%～80%，不超過工作條件的限值；

大氣壓力：75～106 kPa。

2)定值質(zhì)控測試液的配制方法：

使用設(shè)備包括如下。

分析天平、有蓋稱量瓶、容量瓶、移液管、電熱烘箱、燒杯和干燥器。

使用試劑包括：

氯化鉀[KC1]，優(yōu)級純(含量≥99.8%)

氯化鈉[NaCl]，優(yōu)級純(含量≥99.8%)

醋酸鈉[CH3COONa+]，優(yōu)級純(含量≥99.0%)

硼酸[H3BO3]，優(yōu)級純(含量 ≥99.5%)

去離子水[電阻率≥10 mΩ]

配制要求為：按表6配制6點(diǎn)定值質(zhì)控測試液。

表6 Na+、K、Cl定值質(zhì)控測試液

配制過程為：

將試劑Na+Cl、KCl、CH3COONa+放入稱量瓶內(nèi)，置于105 ℃烘箱烘干2 h備用。用分析天平稱取表7所示的標(biāo)定量試劑放入燒杯并用少量去離子水溶解，移入1 000 mL容量瓶，燒杯至少用去離子水沖洗3次，洗液并入容量瓶，再用去離子水稀釋至刻度并搖勻，即為表5所示的1號(hào)、3號(hào)、6號(hào)溶液。以此為基準(zhǔn)液，取1號(hào)溶液1份加3號(hào)溶液1份混勻即為2號(hào)溶液；取3號(hào)溶液2份加6號(hào)溶液1份混勻即為4號(hào)溶液；取3號(hào)溶液1份加6號(hào)溶液2份混勻即為5號(hào)溶液[13]。

表7 配制標(biāo)定量

5.2 系統(tǒng)性能測試分析及測試結(jié)果

1)準(zhǔn)確度測試方法與結(jié)果：

樣品選用具有定值數(shù)據(jù)血清質(zhì)控品，連續(xù)測定3次，按式(10)計(jì)算相對偏差(Br)。如3次結(jié)果都滿足表1的參數(shù)設(shè)計(jì)要求為合格，大于等于2次不滿足為不合格。如出現(xiàn)1次不滿足，則重新連續(xù)測試20次，計(jì)算相對偏差(Br)，如果大于等于19次的結(jié)果符合要求，則判定系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度符合表2的要求[14]。本系統(tǒng)實(shí)際測量結(jié)果如表8所示。

Br=(M-T)/T×100%

(10)

式中，Br為相對偏差；M為測試結(jié)果；T為有證參考物質(zhì)標(biāo)示值。

表8 系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度結(jié)果

2)批內(nèi)精密度測量方法與結(jié)果：

(11)

表9 系統(tǒng)測量精密度結(jié)果

3)線性：

樣品選用表5中配制的1～6號(hào)Na+、K、Cl定值質(zhì)控測試液，分別重復(fù)測定3次，計(jì)算平均值(y)。以測定均值(y)為因變量，理論值(x)為自變量，按式(12)計(jì)算出相關(guān)系數(shù)(r)及線性方程y=ax+b，應(yīng)符合表2的規(guī)定[15]。本系統(tǒng)實(shí)際測量結(jié)果如表10所示。

(12)

式中，y為樣品測試均值；x為樣品理論值；n為樣品測試次數(shù)；a為測定線性的斜率；b為測定線性的截距。

表10 系統(tǒng)測量線性度結(jié)果

4)穩(wěn)定性：

(13)

表11 系統(tǒng)測量穩(wěn)定性結(jié)果

5)測試速度：

連續(xù)進(jìn)行20個(gè)標(biāo)本測試，從第1次按測試啟動(dòng)鍵開始計(jì)時(shí)，整個(gè)過程結(jié)束排出廢料后計(jì)時(shí)停止。計(jì)算V=測試數(shù)(單位：個(gè))/時(shí)間(單位：小時(shí))，測試速度應(yīng)滿足不小于42個(gè)/每小時(shí)。核對檢測數(shù)量為50 μL，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為300條[17]。

6)孵育器溫度：

拆下孵育室蓋，旋下壓板上的2個(gè)螺絲，把溫度計(jì)探頭粘貼于孵育臺(tái)并壓外形尺寸與測試片相當(dāng)?shù)恼渲槊蓿b上壓板，珍珠棉厚度保證溫度計(jì)探頭壓緊壓實(shí)。系統(tǒng)每1分鐘記錄一次溫度值，連續(xù)測5次求得算術(shù)平均值，滿足 30 ℃±1 ℃的要求[18]。

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的干式電解質(zhì)分析儀的性能和穩(wěn)定性，我們對儀器進(jìn)行了一系列的測試。測試樣品為來自醫(yī)院的標(biāo)準(zhǔn)生化電解質(zhì)樣品。測試結(jié)果顯示，電解質(zhì)分析儀的測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的干式生化電解質(zhì)分析儀完全滿足設(shè)計(jì)的功能，性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確度與精密度都符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，符合臨床診斷使用的要求[19]。

6 結(jié)束語

目前，各級醫(yī)療機(jī)構(gòu)常用電解質(zhì)檢測大多數(shù)采用流動(dòng)式離子檢測儀，每年有固定消耗，且電極是消耗品，定期需要更換，這對一些標(biāo)本量小的基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)每年儀器的收費(fèi)不夠儀器的消耗，嚴(yán)重制約基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)配備電解質(zhì)分析儀[20]。本文設(shè)計(jì)的干式生化電解質(zhì)分析儀可以供基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)科進(jìn)行體外診斷試驗(yàn)科研實(shí)驗(yàn)，測試片和測試儀器是分開的，在儀器使用中就沒有液體、電極等固定成本，解決了中小醫(yī)療機(jī)構(gòu)標(biāo)本量少而養(yǎng)不起電解質(zhì)分析儀的困擾。該儀器操作簡便，測試快速，結(jié)果可靠，便于攜帶，故障率低，完全適應(yīng)基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)和病人的需求。