纪国伟

AU5400生化仪液面探测原理分析

纪国伟①

AU5400样本针与机架（地）之间存在一个电容效应，其容量在样本针接触液面的瞬间产生一个突变，经过一系列的电路转换及信号处理，最终触发液面探测信号的形成。

AU5400；生化仪；电容；液面探测

作为样本检测的第一步，必须进行样本和试剂的吸液，并且加注到反应杯，这是一个动态的过程，而在这个过程中，液面探测是一个非常重要的环节，它能保证探针迅速下降的时候，通过探测液面所在的位置来即时判断样品杯或试剂瓶中是否有足够的由各项目预先设定的液量可以进行检测，以保证吸到准确的液量而又不至探的过深得以最大限度减少探针携带污染，特别是在使用原始管时，如果没有液面探测，则会产生空吸，或者因各样品管内液面和血凝块高度不定，导致探针扎入血凝块，而吸不到准确的血清需要量，最终造成探针堵塞。样本针液面探测工作原理中电气连接框（如图1所示），在AU5400生化仪的各样本臂的横梁上均有一个液面探测小板MV2075，在样品臂下端的侧面也都有一块样本针移动控制板MV2385，这两块板协同完成样本针的液面探测过程。

针对图1的MV2075的内部原理图作一些分解，震荡器、探针连接及前置运放如图2所示，左下角为样本针，图的上部是运放U1D及其外围电路，由R1、C1、R3、C2构成选频回路形成正反馈产生振荡信号，它的中心频率可由1/(2πR1*C1)计算约为8．8 KHz ，此振荡信号经由一个1 MΩ的电阻连接到运放U1A的正输入端，并且继续通过一个1kΩ的电阻连接到样本针（悬空不接地）及一个压敏保护器RV到横梁接地，而运放U1A接成电压跟随形式，电压增益为1，由运放的高阻抗输入（虚断）及低阻抗输出特性可知U1A对运放前后级的电路起到很好的隔离作用，既能驱动较大的负载，又不使前级小信号电路受大负载的影响，另外，大电阻R6也起到振荡器与样本针的隔离作用，以保证振荡器振荡频率精确稳定。

图1 电气连接框图

图2 震荡器、探针连接及前置运放

当两个金属极板中间填充绝缘电介质时就形成了一个电容，两个平行无限大的极板构成的电容其电容量可用C=ε*S/d来表示，其中S为极板的面积，单位为m2，d为两极板间绝缘介质的厚度，单位为m，ε=介质的相对介电常数*8．85e-12，单位为F/m，其中常数8．85e-12为真空中的绝对介电常数，电容量的单位为法拉（F），当极板面积相对于介质厚度很大时，可以不考虑极板的边缘效应，加有电势的两极板间成为一个匀强电场，其容量可由上述公式近似得出。

样本针作为金属导体，它与同为金属导体的样品杯底部下面和侧面的金属机架确实也存在着这样一种电容效应，其填充的绝缘介质为空气、样品杯杯壁和传送带（杯壁和传送带厚度很薄，介电常数也比空气大，计算时可以忽略），由于极板形态不规则，无法套用公式来精确计算出这个电容量，但可以用它进行非常粗略的估算。

当样本针未接触样本杯中的液面时，其侧面与机架形成的电容量随着样本针下降最接近液面时为最大，而且大大超过底部形成的电容量，因为样本针针尖位置的面积很小，约2 mm2，针尖处与底部的机架之间空气间隔的最短距离也有0．5 cm，而在侧面，粗略的用样本针座套的直经约4 mm作为极板的宽度，用侧面机架最高处垂直投影到样本针的位置开始一直到针尖这样的一段距离约5 cm作为极板的长度，而样本针离侧面机架的最短距离约为1 cm，空气的相对介电常数为1．000585，套用公式可以算出由样本针侧面与机架侧面间形成的电容量大约为0．18 PF，实际的电容量应该比这个数值会稍大些，而由底部形成的电容量约为0．004 PF，可以忽略，此两者不是一个数量级。

当样本针接触到液面时，情况与上述不同，由于测试样本相当于一个良导体，样本的底部可以作为电容的一个极板，面积远大于样本针针尖的面积，如果样本的底部面积为1 cm2，底部空气间隔仍为0．5 cm，算出的底部电容量大致为0．18 PF。同时样本的两个侧面与侧面机架也形成了两个电容，如果样品杯中的样本高度及样品杯内径均为1 cm，空气间隔为0．5 cm计算，得到样本两个侧面电容同样均为0．17 PF，而样本针部位的侧面电容略有增加但基本保持不变，如果把这4个电容的容量加在一起，此时的电容量相较样本针未接触液面时的电容量瞬间突变，如果用曲线来表示此变化，则呈现垂直上升状态，与样本针下降但未接触液面时电容量缓慢连续增大这种情况完全不同。

为简单起见，样本针与金属机架间形成的电容我们用Cs来表示，它通过样本针和一个1 kΩ的电阻与一个1 μF的电容并联，这个1 μF的电容在频率为8.8 KHz条件下表现的容抗=1/(2πfC)≈18 MΩ，由于样本针的电感量较小，用直导体电感量计算约为2 μH，其感抗（当f=8．8 KHz时计算约为0．1 Ω）及1 kΩ的阻尼电阻跟Cs的容抗相比实在太小，我们可以认为Cs是直接并联在1μF电容上并与运放U1A的正输入端相连，而且这两个电容应该处在一个数量级上，另外，通过计算，样本针作为一电感与Cs、1 KΩ阻尼电阻、C24构成的串联谐振任意时刻其频率均在1 MHz数量级以上，由Cs改变导致串联谐振频偏引起的对主振荡信号(f=8．8 KHz)的陷波作用改变基本可以忽略，当样本针刚接触液面时，Cs的容量突然增大时，其容抗将急剧减小，直接导致运放U1A正输入端的振荡信号波幅有一个突然的减小。而运放U1A输出端的波幅也将突然减小。

带通滤波器如图3所示，运放U1A输出的振荡信号进入由运放U1B和运放U1C及各自的外围电路组成的带通滤波器，其中U1B及外围电路组成一个截止频率为11．6 KHz 的低通滤波器，而U1C及外围电路组成一个截止频率为6．0 KHz的高通滤波器，两者级联组成的带通滤波器将滤除6．0～11．6 KHz以外的频率成份，只允许8．8±2．8 KHz的振幅经Cs调制的振荡信号通过，输出到下一级。

图3 带通滤波器

图4 整流滤波及差分放大

整流滤波及差分放大（如图4所示），由带通滤波器输出的振荡信号进入由D3、R12、R13、C19组成的整流滤波电路，在C19上产生一电压大小受Cs调制的正向直流电压，加到运放U2B的正输入端，当样本针转到样品杯位置准备下探时，样本臂控制板MV2385发出一个HOLD信号，经过光耦U4（图4中未画出）耦合到U6A的1脚，在1脚上表现为一个先低后高的信号，当1脚为低电平时，U6A的2脚与3脚接通，C19上的电压对C23充电直至两电容上的电压相等，由于运放U2A输入阻抗极高，又接成电压跟随形式，其1脚输出的电压将跟随C23和C19上的电压并保持完全一致，对称差分放大器U2B的两输入脚的电压偏差会被完全抵消，7脚输出电压会回复到0 V，当U6A的1脚升为高电平时，U6A的2脚和3脚断开，C23上的电压将得以保持，并不随C19上的电压变化而变化，等于给差分放大器U2B输入端加上了一个静态偏置，样本针下降时，反映在C19上的电压变化就可以通过U2B放大并输出到由U3A及外围电路组成的低通滤波器，低通滤波及倒相（如图5所示），这个滤波器的截止频率图示为890 Hz，放大倍数=-R24/ R22=-1信号经过时被倒相。

图5 低通滤波及倒相

图6 经转化并最终形成液面探测信号

经转化并最终形成液面探测信号（如图6所示），当HOLD信号到来时，U2B的7脚为0 V，测试点TP4也变成0 V，此时D4和D6截止，运放U3B的6脚被强制拉到0 V，而15 V电压经过R27、R28、D5、R29、R30分压网络向电容C20充电，其上电压由分压原理计算约为0．37 V，根据运放运算，U3B输出端的电压Vo=(1+V32/V31)*0．37≈15．54 V，实际上，U3B已退出放大，进入饱和区，实际输出电压为电源电压＋15 V，这样，发光二极管DS1不会发光，光耦U5的3、4两脚断开，无液面探测信号输出。而随着样本针下探，受Cs调制的振荡信号波幅减小，如图4中C19的电压缓慢下降，U2B的7脚电压下降，图6中TP4的电压缓慢上升，达到0．7 V，D6导通，达到1．13 V，D4导通，TP5与C20上的电压也会慢慢增加，由于R25/R26＞R29/R30，C20上的电压比TP5上的电压上升快，U3B的7脚始终输出＋15 V，直到样本针接触液面，电容量突然变大，导致TP4电压突然上升，由于C20相对较大的电容量而引起的电压迟滞或延迟效应，TP5上的电压会突然超越C20及U3B的5脚上的电压，并使U3B的7脚电压极性瞬间反转，并进一步拉低U3B的5脚电压上升速率，U3B的7脚电压继续快速下降，最终使U3B的7脚电压维持在-15 V，这时DS1发光，U5的3、4脚接通，输出“液面探测到”信号到控制板MV2385，并由MV2385判断后控制样本针再下探到根据项目所设定的吸液量转化成的下降深度后停止，开始吸液。当样本针脱离液面时，整个过程相反，AU5400样本针液面探测的最小检出量只有30 ul。另外，在样本针冲洗站、样本针清洗液瓶处及ISE单元样本针的液面探测原理与分析单元轨道吸样处是一样的，也是通过样本针接触液面时，样本针与机架间电容量的突然增加来达到液面探测的目的。

至于试剂针液面探测，与样本针的液面探测并没有太大的区别，振荡频率也相同，只是试剂针本身并不自带振荡器，检测线路也略有不同。要说明的是：在每个分析单元中，有10个位置与试剂针液面探测有关，它们分别是2个试剂吸液口仓位的侧壁，4个清洗瓶仓侧壁及4个冲冼站位置，所有这些位置均安装有1片金属极板，由振荡器产生的振荡信号同时加到这些极板上，当各个试剂针移动到这些位置后下探并接触液面时，这些极板与各个试剂针之间形成的电容的容量将突然增加，耦合到各试剂针的振荡信号突然增大，通过滤波放大，最终将振荡信号波幅的突然改变转化成运放输出端电压极性的改变，从而完成液面探测。

[1]史庆伟，周涛，郑义忠，等．纳米级电容测微系统的研究[J]．现代仪器，2005(3)：48-50．

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Analysis on principle of liquid level detection for AU5400 biochemical analyzer

JI Guo-wei

There is a capacitance effects between AU5400 sample needle and frame (ground). Its capacity mutates at the moment that the sample needle contacting surface of liquid, after a series of circuit switching and signal processing, it is triggered eventually to formthe liquid level detection signal.

AU5400; Biochemical analyzer; Capacitance; Liquid level detection

1672-8270(2010)07-0052-04

TH 776

B

纪国伟,男,(1966- ),工程师。现就职于浙江省丽水市人民医院医学工程部，长期从事医疗设备维修及LIS管理。

2010-03-17

①浙江省丽水市人民医院医学工程部 浙江 丽水 323000

China Medical Equipment,2010,7(7):52-55.

[First-author's address]Department of Medical Engineering, Lishui People’s Hospital, Lishui 323000, China.

AU5400生化仪是Olympus公司生产的大型全自动生化分析仪，可由2个或3个分析单元及1个ISE单元组成样本测试系统，具有高效，快速，微量，高精度，低携带污染等特点，且运行稳定，故障诊断全面，非常适合大型综合性医院进行临床生化检验工作。

检测样本时，该机最小进样量为1．6 ul，可按0．1 ul递增设置各项目的进样量，而每个分析单元的测试速度理论上可以达到1600 test/h（ISE单元的测试速度为900 test/h），这么快的速度对生化仪的机械、液路及控制电路等均构成严酷的挑战。