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基于电容探测的智能液面探测技术

2013-11-19张智河黄菊英

中国医疗设备 2013年11期
关键词:电容式探测系统液量

张智河,黄菊英

首都医科大学 生物医学工程学院,北京 100069

0 前言

液面探测系统是自动化学发光免疫分析测控系统的重要组成部分[1],用于控制采样针探入液体的深度,从而最大限度减少挂滴,使自动加样过程稳定可靠。电容式液面探测技术[2]原理简单、成本低、易于实现,是应用最为广泛的液面探测方法。本文主要通过对电容式液面探测技术进行改进,阐述提高液面探测系统灵敏度、降低最少探液量以保持系统长期稳定工作,降低其维护成本的方法。

1 电容式液面探测原理

金属采样针通过空间环境与电路系统形成空间分布电容,利用时基电路产生脉宽调制输出[3-4],当采样针与导电溶液接触时增加了空间分布电容,输出脉宽变大,检出此事件就可探测到液面接触信息。基本原理,见图1。R1、R2、采样针与时基电路构成单稳态触发电路,当外部触发时开始充电,输出高电平,当充电到VCC/3输出反转为低电平。脉冲周期由外部触发控制,触发频率一般在20~100 kHz,触发周期以略大于探测到液面最大空间分布电容情况时的最大脉宽为佳,由最大探液量及应用环境决定。

图1 液面探测单稳态触发振荡电路

2 检测方法

脉宽调制信息经二阶低通滤波器转化为准直流电平,当探测到液面时电平跃变升高,跃变电平与参考电平输入比较器得到液面探测脉冲信息图。具体电路,见图2。由U2A线性放大提供略大于本底电平的参考电平,由于迟滞电路有一定的延时和带宽,使得比较电路在未探测到液面时输出低电平,探测到液面时在一段时间内输出高电平。

图2 二阶低通滤波、迟滞、比较输出电路

3 智能化设计

用时基电路提供触发源,结合上述电路可以实现全硬件电路的液面探测系统,但液面探测脉冲在小液量时不易被捕获,易受干扰,不能实现稳定可靠的探测。图2中由迟滞电路提供的参考电平在实际应用中需要反复调试,且由于季节、气候变化,可调电阻触点老化等原因参考电平不能一直保持稳定,往往每隔两三个月需要人工调节一次,这无形中增加了维护成本。

引入单片机控制液面探测[5-6]可以有效提高探测质量。原理框图,见图3。由单片机输出一路PWM信号提供稳定的触发频率,触发信号自图1中2脚输入,当低于VCC/3时,触发器置位,3脚输出高电平,同时放电开关管关闭,单稳态触发器进入充电过程。为不影响脉宽调制,选取低电平时短PWM信号作为触发信号。

图3 液面探测电路原理框图

根据检测原理,稳定的参考电平不应因是否探测到液面而发生变化。可通过单片机输出另一路PWM信号经二阶低通滤波器生成直流参考电平,并经A/D转换对其进行实时监测,通过自适应算法自动调节占宽比使其输出与设定值一致的稳定参考电平,探测精度要求高时需要经D/A转换来提供稳定可控的参考电平。液面探测模拟电路,见图4。

由外部控制本底信息采集,本底采集时间为0.2 s,经A/D转换(ADC)、256个数据循环池滑动平均得到平均值,在此基础上加一个增量作为参考电平值,此增量的大小决定了探测的灵敏度,通过2个单片机引脚调节该增量并自动存储到单片机EEPROM中。系统中A/D、D/A转换分别为10位精度IC。表1为在测量点AINF处本底和各种液体容量的模数转换值与数字万用表实测电压值的关系。

图4 液面探测模拟电路

表1 探液容量与模数转换、实测电压关系

探测到液面时的比较输出是一个稳定的高电平。为提高探测的抗干扰能力,单片机实时跟踪比较输出:当跟踪到持续的高电平信号时输出信号;当跟踪到脉冲干扰信号时单片机通过判断持续时间予以删除,这是提高小液量探测灵敏度的关键。100 μL液面探测示波器检测结果,见图5。

图5 100μL液面探测示波器检测图

4 结论

依据电容式探测原理,经智能化处理后的液面探测系统的灵敏度得到了大幅度提高,最小探液量可达100 μL,优于预期最小探液量(150 μL),有效提高了试剂最大使用量,降低了样本的需求量。此设计方案已应用于临床检测的某自动化学发光免疫分析仪中。

[1]朱险峰,张阔,曾思思,等.全自动临床检验仪器中液面探测技术的进展[J].生物医学工程学杂志,2010,(4):949-952.

[2]纪国伟.AU5400生化仪液面探测原理分析[J].中国医学装备,2010,(7):52-54.

[3]李书旗,沈金荣.液位测量传感器系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2009,17(11):2131-2133.

[4]招惠玲,周美娟,胡远忠.电容式液位测量系统的设计[J].传感器技术,2004,23(3):40-42.

[5]程剑锋.基于单片机的接触式液面检测系统[J].机械工程与自动化,2009,(6):48-49.

[6]晏红,王选择,赵春华.液位自动化测量系统设计[J].现代仪器,2002,(2):9-11.

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