一種基于加樣針結構的電容法液位檢測系統*

楊 溢，郭陽寬，祝連慶，劉 超，孟曉辰

(北京信息科技大學 光電測試技術北京市重點實驗室，北京100192)

0 引 言

液位檢測是全自動臨床分析儀器加樣過程中的一項關鍵技術。基于加樣針結構的液位傳感器能夠對樣品杯或試劑瓶中的剩余液量進行檢測，一方面可以避免缺液導致的空吸現象影響生物化學反應的檢驗結果;另一方面能夠控制加樣針探入液面的深度，最大限度減少加樣針掛液現象引起的攜帶污染［1］。而液位檢測的靈敏度和精度是決定其工作性能重要指標［2］。

電容法液位檢測技術由于傳感器結構簡單、分辨率高，在生物醫療儀器中得到廣泛應用。生化分析儀、酶免分析儀等臨床分析儀器中常采用電容/電壓(C/V)轉換法進行液位傳感器的電容測量［3］。該方法將待測電容量轉換為模擬電壓量，信號采集、處理過程易受各種噪聲和電機運動干擾，從而影響其測量結果。

本文采用電容/周期(C/T)轉換法將電容量轉換為數字脈沖周期來進行測量，增強了信號的抗干擾能力，使檢測結果更加穩定、可靠，從而實現了高靈敏度和高精度的液位檢測。

1 探針式電容傳感器結構與工作原理

使用電容法實現液位測量，首先要構建電容傳感器。探針式電容傳感器結構如圖1 所示，主要由金屬管加樣針、試劑瓶、金屬槽、步進電機、齒輪齒條、槽型光耦等部分構成。

步進電機固定于加樣臂上，驅動加樣針上下運動。加樣針上的擋片至針尖距離為L。擋片和加樣臂上的槽型光耦確定針尖初始位置。加樣針尖自初始位置運動的距離記為s1，它與電機運行步數呈正比。初始位置至針尖下降最大深度之間距離為H，初始位置至液面之間距離為s2，液面至加樣針尖下降最大深度之間距離定義為液位高度h，則h=H－s2。

圖1 探針式電容傳感器結構示意圖Fig 1 Structure diagram of probe-type capacitive sensor

探針式電容傳感器采用單端接地接法:加樣針等效于一個金屬電極，它與試劑瓶下的接地金屬槽構成了電容傳感器。此傳感器基于金屬電極的近場效應工作，加樣針接觸液面之前，它與金屬槽構成的電容器中間介質為空氣、液體和試劑瓶;當加樣針進入液體時，介質發生改變，因此，加樣針與金屬槽之間的電容值發生變化。對于這種單端接地的加樣針式電容傳感器，無論是液面接觸之前還是之后，加樣針與介質接觸面的變化對電容的影響微乎其微，而液面接觸瞬間導電介質變化對電容的影響起到主要作用，且變化顯著，可作為加樣針接觸液面的判斷依據［4］。

液面接觸瞬間，讀取電機運行步數即可換算出液位高度h。對于液面高度的檢測，采用步進電機運動系統進行測定，相比使用電容傳感器進行液位連續測量具有更高的精度和線性度［5］。

2 C/T 轉換法電容檢測原理

加樣針運動過程中傳感器的電容變化使用C/T 轉換法進行檢測。本文采用施密特觸發器構成的多諧振蕩器實現C/T 轉換，轉換原理如圖2 所示。

圖2 施密特觸發器構成的多諧振蕩器Fig 2 Multivibrator constitute of Schmitt trigger

施密特觸發器的輸入信號電壓增加和減小過程中引起輸出信號跳變的閾值電壓不同，(如圖2 所示VT+和VT－)，因此，亦稱滯回比較器。由于RC 電路充放電效應和施密特觸發器的滯回效應，圖2 所示多諧振蕩器電路中施密特觸發器輸入信號在兩個閾值電壓之間以指數規律振蕩變化，輸出信號為固定周期的方波脈沖。通常，CMOS 型施密特觸發器的輸出高低電平分別為VOH≈VDD，VOL≈0，則由圖2所示波形可得電路的振蕩周期為

由式(1)可知，輸出信號的周期T 與電阻R 和待測電容C 呈正比，選取合適的電阻R 可調節輸出信號周期，使其在系統測量范圍內。

該方法把電容傳感器作為振蕩器的一部分實現自激振蕩，因而無需額外的激勵信號，電路結構簡單;輸出為幅值恒定而周期變化的數字脈沖信號，無需采取信號放大、濾波等措施，且增強了信號傳輸過程中抗干擾能力;另外，由于信號頻率很高，可以在很短的周期內完成一次測量，因而具有較高的響應速度。

3 實驗系統的設計與組建

實驗系統硬件結構如圖3 所示，它由多諧振蕩器和電平轉換單元組成的信號采集模塊、槽型光耦和步進電機及其驅動控制芯片組成的運動控制模塊、主控模塊和上位機顯示模塊組成。

圖3 硬件結構框圖Fig 3 Hardware structure block diagram

加樣針結構的電容傳感器和CMOS 型施密特觸發器CD40106 組成多諧振蕩器，電阻分壓實現多諧振蕩器輸出信號至主控芯片輸入信號之間的電平轉換。主控單元采用STM32 系列微控制器，利用其定時器的PWM 輸入模式進行脈沖周期測量。每個測量周期內對脈沖上升沿進行計數，就可以測定其脈沖周期。L6470 步進電機驅動控制芯片通過SPI 接口與主控芯片通信，接收調速、定位等指令進行運動控制，并能實時返回電機位置、運行狀態等信息［6］。STM32 主控與上位機采用USB 轉串口通信，上位機使用LabVIEW 軟件進行程序設計，實時顯示實驗結果。

為檢測本文液位檢測方法的靈敏度和精度，組建了全自動凝血分析儀加樣針結構的實驗系統，如圖4 所示。

圖4 實驗系統實物圖Fig 4 Physical map of experimental system

實驗系統中步進電機驅動采用128 細分，測量其運行38 400微步加樣針所經過的距離為42.583 mm，由此計算理論定位分辨率為1.1 μm/微步。

4 實驗結果與數據分析

加樣針運動過程中，STM32 主控芯片利用定時器檢測各微步位置測得的信號脈沖數，發送至上位機進行顯示和存儲。對同一液面高度進行重復測量，為便于觀察，任意選取10 次測量結果繪于圖5，其中一次測量過程液面附近10 個微步位置的脈沖數測量值列于表1，各次實驗檢測到液面處對應的加樣針移動距離s2和液位高度h 測量值列于表2。

圖5 重復測量實驗結果Fig 5 Repeat measurement experimental results

表1 單次測量數據Tab 1 Single measurement data

表1 數據可以看出，33 084 微步處測量脈沖數發生躍變，2 微步之間脈沖周期的相對變化率為42.8%。如此顯著的變化率表明:本文液面探測方法具有很高的靈敏度，環境因素變化不會對檢測結果造成嚴重影響。據此設定脈沖周期的檢測閾值能夠得到液面的位置，本文此測量33 084微步處對應的探針下降距離s2為36 688 μm，液位高度h 為18 755 μm。

表2 求得液位高度h 均值為18 757.4 μm，標準差為4.1 μm。可見使用這種測量方法進行液位測量準確度很高，具有很小的檢測誤差，能夠滿足加樣過程液位檢測的精度要求。

表2 重復測量數據Tab 2 Repeated measurement data

5 結束語

將C/T 轉換法用于加樣針結構液位傳感器的電容檢測，能夠對液面接觸瞬間的電容變化進行準確測定，再結合步進電機運動控制實現了高靈敏度和高精度的液位檢測。實驗證明:這種檢測方法具有組成結構簡單、靈敏度高、重復性好、響應速度快等優點，可廣泛適用于全自動臨床分析儀器中對各種具有導電性能的液體進行液位檢測。

［1］ 朱險峰，張 闊，曾思思，等.全自動臨床檢驗儀器中液面探測技術的進展［J］.生物醫學工程學雜志，2010(4):949－952.

［2］ Suominen I，Koivisto S.Increasing precision when pipetting protein samples:Assessing reliability of the reverse pipetting technique［J］.American Laboratory，2011，43:50－52.

［3］ 祝連慶，張文昌，董明利，等.一種提高全自動酶免分析儀微量移液精度的方法［J］.儀器儀表學報，2013(5):1008－1014.

［4］ 曾柏杞，歐陽紅林，蘇深廣，等.基于自適應算法的液面檢測系統［J］.傳感器與微系統，2012，31(8):94－96.

［5］ 劉松齡，何 翔.用matlab 語言建立液位電容傳感器特性的數學模型［J］.儀表技術與傳感器，2001(6):7－8，22.

［6］ 石星星，吳洪濤.基于專用控制芯片的步進電機運動控制系統設計［J］.電子設計工程，2012(9):130－133.