新型液面檢測系統設計與應用*

萬里霞， 龍 偉， 張星原， 盧 斌

(南昌大學 信息工程學院，江西 南昌 330031)

新型液面檢測系統設計與應用*

萬里霞， 龍 偉， 張星原， 盧 斌

(南昌大學 信息工程學院，江西 南昌 330031)

生化分析儀在對血液等樣品進行分析的過程中，采樣針表面的液體攜帶量經常會引起交叉污染，從而影響生化分析儀的檢驗精度。為了減少采樣針的樣品攜帶量，同時保證加樣精度，提出了一種高可靠性的新型液面檢測系統，系統將采樣針作為電容式液面傳感器，采用鎖相環CD4046電路完成對電容式傳感器電容變化的檢測、信號濾波和控制信號的輸出，實現了減少交叉污染、提高儀器性能的目標。臨床檢驗數據表明：提出的液面檢測系統具有穩定性好、可靠性高的特點。

攜帶污染； 液面檢測； 電容式傳感器； 鎖相環

0 引 言

生化分析儀是根據光電比色原理，通過對人體內體液(如血液、尿液等)的檢測，從而測定各種生化指標的專用分析儀器，因其可快速、準確地為醫生和化學檢驗人員提供檢驗數據，在醫院臨床診斷領域和生物化學檢驗中發揮著重要的作用[1～4]。攜帶污染率是衡量生化分析儀分析性能的重要指標，而采樣針外表面液體攜帶量是引起儀器攜帶污染的主要因素，因此，減少采樣針外表面的液體攜帶量是降低攜帶污染率、提高分析精度的重要方法[5～7]。

目前，國內很多生化分析儀的加樣模塊都配備了液面探測(LLD)系統，它通過精確控制采樣針探入待轉移液體的深度，有效地防止了因采樣針插入液面過深導致的針外表面液體附著量過多的現象，從而降低儀器的攜帶污染率。液面檢測系統傳感方式主要有電阻式和電容式兩種，傳統的系統一般采用電阻式傳感方式，這種方式是根據空氣電阻與液體電阻的不同來檢測液面的。但在實際應用中，由于不同液體的導電率不同，且電阻式傳感靈敏度低，因此，難以精確控制采樣針探入待轉移液體的深度，在臨床上經常出現“空吸”和“撞針”等故障。

本文在電容式液面傳感原理的基礎上，采用通用的CD4046型CMOS鎖相環集成電路，配以RC振蕩分頻、相位比較鎖定和電壓放大電路，完成了高精度高可靠性的新型液面檢測系統的設計，克服了傳統電阻式傳感存在的缺陷。臨床實踐證明:系統在保證采樣針加樣精度和最小移液攜帶量的同時，減小了儀器的攜帶污染率，提高了儀器的整體分析性能。

1 液面檢測系統的工作原理

在液面檢測系統的設計中，采樣針是液面傳感的核心部件[8～10]。本設計采用的是電容式傳感方式，采樣針結構如圖1所示，它將兩個內徑不同的針管內外嵌套，作為電容的兩極板，中間用絕緣材料隔開，并將外針管接地。當采樣針接觸液體的瞬間，內針管的面積突然增大，使采樣針的電容值發生顯著變化。若把采樣針作為一個電容器連入到電容檢測電路中，即可通過檢測其電容值的變化情況來確定采樣針探入液體的深度。

圖1 采樣針結構示意圖Fig 1 Structure diagram of sampling needle

本系統采用相移法檢測電容的變化，具體工作過程為：當采樣針與液體接觸時，采樣針的電容值發生變化，從而引起檢測電路輸出信號的相位變化。通過設計一個鎖相環電路將相位的變化轉換為一個偏差電壓，再經低通濾波器濾波、信號整形和電壓放大后，液面檢測系統輸出正脈沖信號，并觸發相應的MCU產生中斷，最后由中央處理器完成控制采樣針動作的啟停。系統的結構框圖如圖2所示。

圖2 液面檢測系統結構框圖Fig 2 Structure block diagram of liquid level detection system

2 鎖相環的基本組成

鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環系統叫做鎖相環，簡稱PLL[11～13]。鎖相環主要由相位比較器(PC)、壓控振蕩器(VCO)、低通濾波器三部分組成，廣泛應用于頻率合成、時鐘同步的自動控制和廣播通信等技術領域[14,15]。鎖相環結構如圖3所示，ui(t),uo(t)分別為輸入、輸出交流電壓信號，其中ui(t)是振蕩和分頻電路的輸出信號，而uo(t) 為壓控振蕩器的輸出，也是鎖相環電路的輸出，其頻率的高低由低通濾波器上建立起來的控制電壓Ud大小決定。電路工作時，首先將ui(t)與uo(t)進行比較，若二者存在相位差，相位比較器就會產生一個偏差電壓ΔU，再經過低通濾波器濾除高頻分量，得到一個控制電壓Ud。這個控制電壓Ud會朝著減小ui(t)和uo(t)頻率之差的方向變化，最后使uo(t)與ui(t) 的頻率相同，且相位差保持恒定，這樣就完成了相位鎖定過程。

圖3 鎖相環結構框圖Fig 3 Structure block diagram of phase-locked loop

3 液面傳感電路的設計

3.1 振蕩與分頻電路

振蕩與分頻電路的作用是為鎖相環相位比較器提供輸入信號，作為整個鎖相環相位比較器的基準。具體電路如圖4所示。

圖4 振蕩與分頻電路原理圖Fig 4 Principle diagram of oscillation and frequency dividing circuit

在圖4中，U1是一種分頻器，分頻之后的輸出信號SIGNin的頻率為1.5 MHz；U2是一種FC—135型石英晶振，振蕩頻率為6.0 MHz。

3.2 鎖相環檢測與濾波電路

采樣針接觸到液面后，自身電容受液面的影響發生變化，為檢測檢測電容值的改變，可將采樣針接入到RC振蕩器中，通過檢測振蕩頻率的變化來判斷電容是否改變。但是，頻率改變的檢測需要配置專門的檢測電路，在應用上受到了很大的限制。本文成功地將鎖相環電路應用于液面傳感系統中，并將由電容值變化引起的相位變化轉換成一穩定的電壓信號。該部分的電路結構如圖5所示。

圖5 鎖相環檢測與濾波電路Fig 5 Phase-locked loop detection and filtering circuit

圖5中，采樣針作為一個外接電容器與電容器C21連接在CD4046的6，7號引腳。振蕩和分頻電路的輸出信號SIGNin作為鎖相環相位比較器II的基準電壓ui(t)，與電阻器R25，R26和電容器C21組成的壓控振蕩器的輸出信號uo(t)進行比較，若二者的信號頻率出現變化，就會在CD4046的9號引腳產生一個誤差電壓VCO。系統工作過程中，若采樣針接觸到導電型液體(試劑或樣本)，其電容值Probe會瞬間變大，導致uo(t)信號的頻率發生改變，并與輸入的基準信號ui(t)形成相位差，再通過RC電路的濾波，最后輸出一個穩定的電壓VCOout。

3.3 放大與比較電路

在實際應用中，當采樣針接觸液面時，上一級檢測和濾波電路輸出的VCOout信號電壓很小，只有2.1～3.5 mV，該信號需經過放大、整形處理后方可被MCU采集和識別。本文設計的放大與比較電路如圖6所示。

圖6 放大與比較電路原理圖Fig 6 Principle diagram of amplification and comparison circuit

圖6中，放大和比較電路由美國Dallas公司生產的LM358AD芯片搭建。其中前級A運算放大器作信號增益，后級B運算放大器作為信號比較之用。

通過計算、分析可知，當采樣針接觸到液面時，可正常檢測出采樣針電容值的變化，并輸出有效的脈沖波形。液面檢測電路板實物結構如圖7所示。

圖7 液面檢測系統電路板實物Fig 7 Physical map of circuit board of liquid level detection system

4 實驗結果與分析

根據《中華人民共和國醫藥行業標準—全自動生化分析儀》的要求，進行了下列相關項目的跟蹤測試：

1)以蒸餾水為測試樣品，在樣品量分別為2,5,30 μL的情況下,分別執行20次測試，計算各樣品量下的平均值和標準差，得到儀器的加樣品誤差和加樣重復性如表1。

2)以蒸餾水為試劑，以吸光度為200橘紅G原液和蒸餾水為測試樣品，按照原液、原液、原液、蒸餾水、蒸餾水、蒸餾水的測試順序為一組，測定上述樣品反應結束時的吸光度，共進行5組測試，計算得到儀器的攜帶污染率為0.164。

以上檢驗數據表明:本文設計的液面檢測系統達到了全自動生化分析儀國家醫藥行業標準中的相關要求，即最小2 μL樣品時,加樣誤差不大于±3 %，樣品攜帶污染率不大于0.3 %的性能指標，實現了高精度和高性能。

表1 吸液量準確性Tab 1 Accuracy of liquid upake

5 結束語

本文介紹了一種高性能的新型液面檢測系統，經過臨床實驗證明：該系統的生化分析儀在減少攜帶污染、提高試劑針和樣本針的加樣準確度和重復性等都優于傳統的檢測方式，達到了在最小加樣量2 μL時加樣誤差不大于±3 %且攜帶污染率不大于0.3 %的目標。系統的設計具有結構簡單、性能穩定的特點，對類似液面探測系統(如尿液分析儀、血凝分析儀的液面探測系統)具有一定的參考價值。

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Design and application of new type liquid level detection system*

WAN Li-xia, LONG Wei, ZHANG Xing-yuan, LU Bin

(School of Information Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

When using biochemical analyzer to analyze sample,such as blood, the liquid carrying capacity of the sampling needle surface will lead to carryover,which affect detection precision of biochemical analyzer.In order to reduce the sample carrying amount in the sample needle and assure precision of sampling,a highly reliable liquid level detection system is put forward.The system regard sampling needle as capacitive sensor of liquid level,using phase-locked loop circuit CD4046 to detecte change in capacitance of capacitive sensor,signal filtering and output of control signal,which achieve goals of reduction of cross-contamination and improvement of performance of instrument.Clinical detection datas show that the liquid level detection sysem has features of good stability and high reliability.

carryover pollution; liquid level detection; capacitive sensor; phase-locked loop

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0117—03

2014—04—24

國家自然科學基金資助項目(61261011)

TP 212

A

1000—9787(2014)12—0117—03

萬里霞(1990-)，男，江西新余人，碩士研究生，主要從事計算機控制與嵌入式智能儀表技術的研究。