新型液面检测系统设计与应用*

万里霞， 龙 伟， 张星原， 卢 斌

(南昌大学 信息工程学院，江西 南昌 330031)

新型液面检测系统设计与应用*

万里霞， 龙 伟， 张星原， 卢 斌

(南昌大学 信息工程学院，江西 南昌 330031)

生化分析仪在对血液等样品进行分析的过程中，采样针表面的液体携带量经常会引起交叉污染，从而影响生化分析仪的检验精度。为了减少采样针的样品携带量，同时保证加样精度，提出了一种高可靠性的新型液面检测系统，系统将采样针作为电容式液面传感器，采用锁相环CD4046电路完成对电容式传感器电容变化的检测、信号滤波和控制信号的输出，实现了减少交叉污染、提高仪器性能的目标。临床检验数据表明：提出的液面检测系统具有稳定性好、可靠性高的特点。

携带污染； 液面检测； 电容式传感器； 锁相环

0 引 言

生化分析仪是根据光电比色原理，通过对人体内体液(如血液、尿液等)的检测，从而测定各种生化指标的专用分析仪器，因其可快速、准确地为医生和化学检验人员提供检验数据，在医院临床诊断领域和生物化学检验中发挥着重要的作用[1～4]。携带污染率是衡量生化分析仪分析性能的重要指标，而采样针外表面液体携带量是引起仪器携带污染的主要因素，因此，减少采样针外表面的液体携带量是降低携带污染率、提高分析精度的重要方法[5～7]。

目前，国内很多生化分析仪的加样模块都配备了液面探测(LLD)系统，它通过精确控制采样针探入待转移液体的深度，有效地防止了因采样针插入液面过深导致的针外表面液体附着量过多的现象，从而降低仪器的携带污染率。液面检测系统传感方式主要有电阻式和电容式两种，传统的系统一般采用电阻式传感方式，这种方式是根据空气电阻与液体电阻的不同来检测液面的。但在实际应用中，由于不同液体的导电率不同，且电阻式传感灵敏度低，因此，难以精确控制采样针探入待转移液体的深度，在临床上经常出现“空吸”和“撞针”等故障。

本文在电容式液面传感原理的基础上，采用通用的CD4046型CMOS锁相环集成电路，配以RC振荡分频、相位比较锁定和电压放大电路，完成了高精度高可靠性的新型液面检测系统的设计，克服了传统电阻式传感存在的缺陷。临床实践证明:系统在保证采样针加样精度和最小移液携带量的同时，减小了仪器的携带污染率，提高了仪器的整体分析性能。

1 液面检测系统的工作原理

在液面检测系统的设计中，采样针是液面传感的核心部件[8～10]。本设计采用的是电容式传感方式，采样针结构如图1所示，它将两个内径不同的针管内外嵌套，作为电容的两极板，中间用绝缘材料隔开，并将外针管接地。当采样针接触液体的瞬间，内针管的面积突然增大，使采样针的电容值发生显著变化。若把采样针作为一个电容器连入到电容检测电路中，即可通过检测其电容值的变化情况来确定采样针探入液体的深度。

图1 采样针结构示意图Fig 1 Structure diagram of sampling needle

本系统采用相移法检测电容的变化，具体工作过程为：当采样针与液体接触时，采样针的电容值发生变化，从而引起检测电路输出信号的相位变化。通过设计一个锁相环电路将相位的变化转换为一个偏差电压，再经低通滤波器滤波、信号整形和电压放大后，液面检测系统输出正脉冲信号，并触发相应的MCU产生中断，最后由中央处理器完成控制采样针动作的启停。系统的结构框图如图2所示。

图2 液面检测系统结构框图Fig 2 Structure block diagram of liquid level detection system

2 锁相环的基本组成

锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL[11～13]。锁相环主要由相位比较器(PC)、压控振荡器(VCO)、低通滤波器三部分组成，广泛应用于频率合成、时钟同步的自动控制和广播通信等技术领域[14,15]。锁相环结构如图3所示，ui(t),uo(t)分别为输入、输出交流电压信号，其中ui(t)是振荡和分频电路的输出信号，而uo(t) 为压控振荡器的输出，也是锁相环电路的输出，其频率的高低由低通滤波器上建立起来的控制电压Ud大小决定。电路工作时，首先将ui(t)与uo(t)进行比较，若二者存在相位差，相位比较器就会产生一个偏差电压ΔU，再经过低通滤波器滤除高频分量，得到一个控制电压Ud。这个控制电压Ud会朝着减小ui(t)和uo(t)频率之差的方向变化，最后使uo(t)与ui(t) 的频率相同，且相位差保持恒定，这样就完成了相位锁定过程。

图3 锁相环结构框图Fig 3 Structure block diagram of phase-locked loop

3 液面传感电路的设计

3.1 振荡与分频电路

振荡与分频电路的作用是为锁相环相位比较器提供输入信号，作为整个锁相环相位比较器的基准。具体电路如图4所示。

图4 振荡与分频电路原理图Fig 4 Principle diagram of oscillation and frequency dividing circuit

在图4中，U1是一种分频器，分频之后的输出信号SIGNin的频率为1.5 MHz；U2是一种FC—135型石英晶振，振荡频率为6.0 MHz。

3.2 锁相环检测与滤波电路

采样针接触到液面后，自身电容受液面的影响发生变化，为检测检测电容值的改变，可将采样针接入到RC振荡器中，通过检测振荡频率的变化来判断电容是否改变。但是，频率改变的检测需要配置专门的检测电路，在应用上受到了很大的限制。本文成功地将锁相环电路应用于液面传感系统中，并将由电容值变化引起的相位变化转换成一稳定的电压信号。该部分的电路结构如图5所示。

图5 锁相环检测与滤波电路Fig 5 Phase-locked loop detection and filtering circuit

图5中，采样针作为一个外接电容器与电容器C21连接在CD4046的6，7号引脚。振荡和分频电路的输出信号SIGNin作为锁相环相位比较器II的基准电压ui(t)，与电阻器R25，R26和电容器C21组成的压控振荡器的输出信号uo(t)进行比较，若二者的信号频率出现变化，就会在CD4046的9号引脚产生一个误差电压VCO。系统工作过程中，若采样针接触到导电型液体(试剂或样本)，其电容值Probe会瞬间变大，导致uo(t)信号的频率发生改变，并与输入的基准信号ui(t)形成相位差，再通过RC电路的滤波，最后输出一个稳定的电压VCOout。

3.3 放大与比较电路

在实际应用中，当采样针接触液面时，上一级检测和滤波电路输出的VCOout信号电压很小，只有2.1～3.5 mV，该信号需经过放大、整形处理后方可被MCU采集和识别。本文设计的放大与比较电路如图6所示。

图6 放大与比较电路原理图Fig 6 Principle diagram of amplification and comparison circuit

图6中，放大和比较电路由美国Dallas公司生产的LM358AD芯片搭建。其中前级A运算放大器作信号增益，后级B运算放大器作为信号比较之用。

通过计算、分析可知，当采样针接触到液面时，可正常检测出采样针电容值的变化，并输出有效的脉冲波形。液面检测电路板实物结构如图7所示。

图7 液面检测系统电路板实物Fig 7 Physical map of circuit board of liquid level detection system

4 实验结果与分析

根据《中华人民共和国医药行业标准—全自动生化分析仪》的要求，进行了下列相关项目的跟踪测试：

1)以蒸馏水为测试样品，在样品量分别为2,5,30 μL的情况下,分别执行20次测试，计算各样品量下的平均值和标准差，得到仪器的加样品误差和加样重复性如表1。

2)以蒸馏水为试剂，以吸光度为200橘红G原液和蒸馏水为测试样品，按照原液、原液、原液、蒸馏水、蒸馏水、蒸馏水的测试顺序为一组，测定上述样品反应结束时的吸光度，共进行5组测试，计算得到仪器的携带污染率为0.164。

以上检验数据表明:本文设计的液面检测系统达到了全自动生化分析仪国家医药行业标准中的相关要求，即最小2 μL样品时,加样误差不大于±3 %，样品携带污染率不大于0.3 %的性能指标，实现了高精度和高性能。

表1 吸液量准确性Tab 1 Accuracy of liquid upake

5 结束语

本文介绍了一种高性能的新型液面检测系统，经过临床实验证明：该系统的生化分析仪在减少携带污染、提高试剂针和样本针的加样准确度和重复性等都优于传统的检测方式，达到了在最小加样量2 μL时加样误差不大于±3 %且携带污染率不大于0.3 %的目标。系统的设计具有结构简单、性能稳定的特点，对类似液面探测系统(如尿液分析仪、血凝分析仪的液面探测系统)具有一定的参考价值。

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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

国家自然科学基金资助项目(61261011)

TP 212

A

1000—9787(2014)12—0117—03

万里霞(1990-)，男，江西新余人，硕士研究生，主要从事计算机控制与嵌入式智能仪表技术的研究。