一種高靈敏度液面探測系統的設計及其臨床應用*

張星原，龍 偉，盧 斌，萬里霞

（南昌大學信息工程學院，江西南昌 330031）

0 引言

液面探測（liquid level detection，LLD）系統是醫學臨床全自動檢驗儀器必不可少的一項核心功能組件，其通過控制采樣針探入待轉移液體的深度，從而最大程度地解決因采樣針外表面附著液體引起的儀器交叉污染高和加樣誤差大的問題［1］。高可靠、高靈敏度的液面探測系統不僅可降低采樣針外表面液體攜帶量，同時也可避免儀器采樣系統“空吸”和“撞針”等誤動作。

目前，液面探測技術主要有非接觸式和接觸式2種技術。雖然非接觸式液面探測技術，如超聲波法等已日臻成熟，但其結構復雜，實現成本居高不下［2］，難以在一般中小型臨床全自動檢驗儀器中推廣。接觸式液面探測技術結構簡單、成本低、工程應用廣，目前主要有氣壓法、機械振動法、電阻法和電容法［3］。氣壓法主要應用于一次性加樣頭;機械振動法適合于液體表面有泡沫和樣本管蓋有橡膠塞的情況;電阻法因需要電極與液體直接接觸，從而增大了交叉污染的可能性且其兩電極間的距離對探測系統測量精度影響較大。

針對上述現狀，本文介紹了一種應用于全自動生化分析儀中高靈敏度液面探測系統的設計。系統采用接觸式電容法，以強絕緣金屬雙套管采樣針作為探測傳感器，并結合基于鎖相環相位比較器的電容檢測電路和自適應有效脈沖識別算法的運用，克服了傳統接觸式電阻法的缺陷，達到了提高分析儀工作可靠性和檢測精度的目的，對提高國內鄉鎮、社區基層醫院的整體醫療診斷水平具有重要的現實意義［4］。

1 液面探測系統的工作原理

目前全自動生化分析儀是通過采樣針系統模擬手工進行試劑和樣品的加注［5］。本文設計的全自動生化分析儀用液面探測系統的原理如框圖1所示。液面探測系統主要包括采樣針、檢測電路板和脈沖識別MCU三大部分，其中，電容檢測電路由振蕩與分頻電路、鎖相環與濾波電路、放大電路及比較電路組成。

圖1 液面檢測系統原理框圖Fig 1 Principle block diagram of liquid level detection system

該液面探測系統采用相移法來檢測采樣針電容的變化［6］，其工作過程為:當采樣針與待轉移液體液面接觸時，金屬雙套管之間的電容值發生驟變，電容的變化引起相位變化，其經鎖相環相位比較器后可輸出一誤差電壓，再經低通濾波與放大，與比較電路相比后，液面檢測板輸出一個高電平脈沖信號，送至脈沖識別MCU中，通過自適應有效脈沖識別算法來判斷采樣針是否接觸到液面，進而完成采樣針動作啟停的控制。

2 液面檢測系統的硬件組成

2.1 采樣針（電容傳感器）

接觸式液面探測中電阻法是在采樣針上安裝2個金屬電極，隨著采樣針伸入液面，2個電極間的電阻突然減少，依據這個變化來判斷采樣針是否接觸到了液體，以實現液面探測的功能。

因電阻法增加了一個直接與待轉移液體接觸的電極，一方面增加了交叉污染和針外攜帶量概率的風險，另一方面存在兩電極間的距離很難選擇，大了不適于小口徑液體容器，小了兩電極間容易形成液體連接膜從而引起誤檢測的缺陷，該方法已逐漸被淘汰［7］。

本文選用了目前應用廣泛的接觸式電容法用以液面探測。所謂接觸式電容法是以由雙層金屬管內外嵌套，同時兩管之間填充了絕緣材質的采樣針作為電容傳感器的探測方法。采樣針的內外針管相當于電容器的兩極板，其工作原理為:當采樣針接觸液體瞬間時，動極板面積突然增大且兩極板間距離驟然減小，從而引起電容值驟然增大，以電容值的變化來判斷采樣針是否到達液面。

采樣針作為接觸式電容法中的核心傳感部件應滿足以下條件:采樣針兩層金屬套管之間需具有足夠強的絕緣性，以便電容器能長期保持工作穩定性;采樣針內管針的內外表層需足夠光滑，以減少針外液體殘留量;內管針內徑應足夠細，以降低轉移液體的損耗量。為此，本文設計了如圖2所示的采樣針。

圖2 采樣針示意圖Fig 2 Schematic diagram of sampling needle

其中，內針管的內孔直徑為0.6 mm，內外表層均采用60 nm拋光技術處理;外針管的內孔直徑為1.4 mm，內外表層的粗糙度系數為2.0;內絕緣層由特氟龍套管和絕緣膠組成，絕緣膠填充了內、外針管間的所有間隙空間;外絕緣層為特氟龍涂層。采樣針實物如圖3所示。

圖3 采樣針實物圖Fig 3 Physical map of sampling needle

2.2 電容檢測電路

接觸式電容液面探測技術的核心是檢測傳感器（采樣針）的電容值變化，可見，電容檢測電路的可靠設計是保證液面探測系統工作穩定性的關鍵技術。

檢測電容值變化的硬件電路通常采用相移法、幅度法、掃頻法和諧振法等［8］，各醫療廠商檢測電路的實現形式各異，但大多存在結構復雜，成本高的缺陷。本文介紹的電容檢測電路以相移法原理為基礎，將電容值變化引起相位的變化通過鎖相環相位比較器轉換為一誤差電壓輸出，再經濾波、放大和比較后形成一高電平脈沖，MCU（單片機）只需記錄和比較脈沖信號持續時間就可判斷采樣針是否接觸到液面，從而實現液面探測的功能。

電容檢測電路由振蕩與分頻電路、鎖相環與濾波電路、濾放大電路及比較電路等主要部分組成。

2.2.1 振蕩與分頻電路

振蕩與分頻電路的作用是提供鎖相環相位比較器的輸入信號［9］，其作為整個鎖相環相位比較器的基準。電路原理如圖4所示。

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

圖4中，芯片U1選用廠商TXC生產的FC—135型石英晶振，其振蕩頻率為6.0 MHz;芯片U2選用美國TI公司生產的CD4024BCM型分頻器，分頻后，輸出信號V1的頻率為1.5 MHz。

2.2.2 鎖相環與濾波電路

鎖相環為該檢測電路的實現核心。本設計的關鍵在于利用鎖相環可實現相位自動同步控制的特性［10］，通過鎖相環內部集成的相位比較器將采樣針接觸液面時電容值變化而引起的相位變化轉換為一誤差電壓輸出，再經過濾波后形成一穩定的電壓信號。該部分的電路原理如圖5所示。

圖5 鎖相環與濾波電路原理圖Fig 5 Principle diagram of PLL and filtering circuit

圖5中，鎖相環選用美國AD公司生產的CD4046典型芯片搭建［11］，并以芯片中集成的相位比較器II用于相位鑒別。上一級振蕩與分頻電路輸出的V1信號輸入U3的14引腳作為相位比較器II的輸入基準信號Vi，與由芯片6腳輸入的電容C1，11腳連接的電阻器R1和12腳連接的電阻器R2組成的壓控振蕩器的輸出信號V0進行比較，當兩者的信號頻率出現偏差時，即可輸出一誤差電壓ΔV。

在實際應用中，在采樣針未接觸液面的狀態時，需先調節電位器RW201的阻值，以使Vi和V0兩信號頻率達到平衡態，該過程通過觀察電路中一狀態燈的熄亮完成。在儀器自動工作過程中，當采樣針接觸到液面時，其電容Probe值（采樣針一極板的輸出信號，另一極板與整個電網共地）將瞬間增大，引起V0信號的頻率改變，從而形成與基準信號Vi的相位差，產生一誤差電壓ΔV，經RC網絡濾波后輸出電壓信號ΔVOUT。

2.2.3 放大與比較電路

實測過程中，當采樣針接觸液面時，上一級電路輸出的ΔVOUT信號電壓范圍為 2.0～3.6 mV，該信號需放大、整形后方可被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運算放大器作信號比較之用。

通過以上分析、計算可知，在上述電路設計下，當采樣針接觸液面時，可正常檢測出采樣針電容值的變化，并輸出有效脈沖波形。

3 液面探測系統的軟件設計

3.1 有效脈沖信號特征

采樣針向下運動探測到液面，至完成樣品吸取后離開液面這一完整的加樣過程中，脈沖信號Water_Det_out的典型特征如圖7所示。

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

圖7 完整加樣過程脈沖信號Water_Det_out典型特征圖Fig 7 Pulse signal characteristic graph of adding sample

圖7表征的為采樣針一個完整加樣過程中脈沖信號Water_Det_out的典型特征變化。

T0之前，采樣針處于水平和下行動作階段，未接觸到液面，故Water_Det_out表現為低電平;T0—T3階段為采樣針接觸液面完成樣品加注過程，表現為+5 V高電平，該過程為本小結重點闡述部分;T3之后為采樣針離開液面階段。

T0—T3過程中，ΔT1是檢測采樣針是否真實接觸到液面的時間特征量。只有當檢測到脈沖信號Water_Det_out高電平的持續時間大于等于ΔT1時，方判斷采樣針有效接觸到液面，完成液面探測。其中，ΔT1大小的確定與采樣針下行的速度呈反比關系。ΔT2為當采樣針真實接觸到液面后繼續下行的時間特征量，該量與采樣的下行速度呈反比，與當前過程的吸液量呈正比，即當吸液量比較大時，采樣針探入液面的深度需較大;否則，將導致采樣量不足。

ΔT3為采樣針下行停止后注射器吸樣動作的時間特征量，其與采樣針注射器的動作速度呈反比。

從上述分析可得出，特征量ΔT1為液面探測系統是否真實有效接觸到液面的判斷依據，而該特征量需根據當前采樣周期的采樣針下行速度在線自適應計算和調整，為此，識別算法需引入在線自適應理念［12］。

3.2 自適應脈沖識別算法的軟件實現

軟件設計的核心是在加樣過程中完成對探測系統是否真實檢測到液面的有效判斷，同時對采樣針準確運動進行控制，進而最大限度地降低采樣針表面液體攜帶量。

軟件設計中，對脈沖信號Water_Det_out的有效識別是關鍵。結合文中3.1節的論述可知，液面探測過程中脈沖信號 Water_Det_out的時間特征量 ΔT1，ΔT2，ΔT3需通過算法的自適應計算在線調整。

特征量ΔT1，ΔT2和ΔT3的計算是在當前加樣周期采樣針完成水平動作之后，下行動作之前完成的，在軟件實現中3個參數定義為變量Δt1，Δt2和Δt3，同時為匹配儀器不同時刻采樣針下行速度v和吸液量Q的變化，3個參數值在線自適應計算和調整。

圖8為軟件實現的流程圖。

圖8 軟件流程圖Fig 8 Software flow chart

4 測試數據與分析

儀器加樣量準確性和樣品交叉污染率的檢驗數據如表1和表2所示。

表1 加樣量檢驗數據Tab 1 Test data of sampling quantity

從表1數據可看出:儀器達到了在最小2 μL樣品時加樣誤差不大于±3%和樣品交叉污染率不大于0.3%的性能指標，完全滿足全自動生化分析儀國家醫藥行業標準中的相關要求。

表2 交叉污染檢驗數據Tab 2 Test data of cross-contamination

5 結束語

本文討論了一種基于接觸式電容法原理的全自動生化分析儀用液面探測系統的設計與實現。系統創新地將鎖相環相位比較和自適應有效脈沖識別技術應用于設計開發中，實現了實用且高性能的液面探測功能。

此外，整個系統硬件、軟件設計均具有簡單、可靠的特點，有很強的通用性，對其他臨床全自動檢驗設備，如全自動尿液分析儀、血凝分析儀液面探測系統的實現均有借鑒意義。

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