医用离心机校准的理论和实践

程 宏， 李 朴， 刘 颖， 朱 沙

(1. 遵义市产品质量检验检测院，贵州 遵义 563000; 2. 中国测试技术研究院，四川 成都 610021)

0 引 言

医用离心机是产生恒加速度的一类离心机，它是利用旋转运动的离心力以及浮力密度的差异进行分离和提纯生物样品中各成分的处理装置，广泛应用于生物学、临床医学、检验医学、生物化学等实验室中。新冠肺炎疫情暴发以来，该类实验装置的计量校准工作得到空前重视。计量是科学技术的基础和支撑，应该为医用离心机这类疫情防控设备的准确可靠发挥量值保障作用。目前医用离心机仅有几个省推出了各自的校准规范，技术标准不统一，急需国家校准规范，因此有必要在这方面进行进一步的探索，促进国家规范的推出。

在如何校准医用离心机方面，专业技术人员进行了大量探索和尝试[1-2]，提出来许多好的方法，为正式发布医用离心机校准规范提供了技术基础和有益尝试。现有方法，主要有光电原理测量转速法和振动原理测量转速法（以下简称光电法和振动法）。光电法是目前已发布离心机地方校准规范主要方法。医用离心机基本都是带盖封闭型，上盖有有机玻璃观察窗和无观察窗（以下简称有窗和无窗）两种类型。基于光电转速表测量原理，不能实现对无窗医用离心机的闭盖校准，而开盖测量本身存在极大安全风险，实际校准中不建议采用。对于有窗的离心机，需要将反光贴贴于离心机转动部分，转速表通过观察窗进行测量，受反射效果的影响，转速表示值跳变较大，测量结果可靠性不高；而振动法测量转速是基于转子不平衡振动与转子转速相一致的原理，将测量传感器置于医用离心机机体表面，不需开盖，通过分析和测量转子的不平衡振动得到转子转速，这种原理的测速仪表也可称为振动式转速表。振动法相对于光电法，在医用离心机的校准活动中，更具优势，实践证明也是一种行之有效的方法，它的主要难点在于不平衡振动频率的准确测量，文献[2]提出的应用最小条件系统识别法测量离心机的转速方法，系统硬件复杂，相对于光电转速法的0.1%或0.2%的测量精度，差距较大，因此应寻求一种更为有效的不平衡振动-转子转速算法。

1 振动式原理转速测量

按照医用离心机国家标准的要求，医用离心机需要检查测量的参数包括转速、相对离心力、振动、温度等，其中转速是离心机的核心参数[3-7]，离心效果完全取决于转速，因而这是必测参数。医用离心机转速校准，目前的技术方案标准器的选择主要有光电式转速表和振动式转速表两种方式。光电法如前所述具有较多的局限性，振动法最为关键的振动频率的高精度测量，即高精度频率估计算法的研究。高精度频率估计算法，包括幅度比值法、相位差法、频谱细化法和自相关辅助法，在分析算法原理及特点的基础上，比较算法的性能，结合医用离心机不平衡振动的特点，不平衡振动频率与转速一致，不平衡引起的振动频率不高，结构引起的振动峰频率较高，分布明显，因此宜采用频谱细化法。

1.1 振动式原理转速测量系统设计

图1为振动式原理测量医用离心机转速示意图。它是由高灵敏度振动传感器，经过适调放大、滤波，经A/D转换成数字信号，无线发送至计算机或ARM等系统进行分析和处理，得到转子不平衡振动频率，进而得到转子转速。图2为振动式原理转速测量系统框图。一般振动频率的分析均采用傅里叶变换的原理。

图1 振动式转速表的测量医用离心机转速示意图

图2 振动式转速表原理框图

传统的选带频率细化分析方法（简称为ZoomFFT），是一种基于复调制移频的高分辨率傅里叶分析法[8]。其方法流程为：移频——低通数字滤波——重抽样——FFT及谱分析——频率成分调整，存在计算量大和频率成分调整复杂等问题，最大细化倍数一般不超过50倍，细化倍数越大，误差越大。但是复解析带通滤波器克服了传统方法的局限性, 加快了分析速度，极大提高分析精度和细化倍数, 是一种更好实现的复调制细化分析方法，是适宜于细化振动频率的方法。

振动式原理测量转速是对转子不平衡振动频率的分析测量来实现，将依据复解析带通滤波器的原理，转频附近选带频率细化，实现转子转速的高精度测量。

1.2 复解析带通滤波器的复调制细化谱分析方法

带通宽为 ω2-ω1的解析滤波器的理想幅频特性如图3所示，其中π对应采样频率的 一半，为带通的中心频率。其冲击响应为

图3 复解析带通滤波器理想幅频特性

h1(k)是图4所示的低通滤波器的冲击响应函数，其冲击响应函数为

图4 移频前滤波器幅频特性

复解析带通滤波器的冲激响应是一复数序列，实部为偶对称, 虚部为奇对称, 实际使用时只计算一半序列, 通常需加一半的Ηanning窗以改善带通的平坦度和止带的波纹效应。实际应用中复解析带通滤波器可将滤波与选抽结合起来，提高计算效率。实信号经过滤波后，就成为频率在带通以内的复解析信号。复解析带通滤波器负频率部分响应为零，因此FFT 后省去了频率调整过程，只需要将谱分析的频率成分按顺序显示即可。

在医用离心机转频频率分析和测量方法研究中，采用了复解析带通滤波器的复调制细化谱分析方法分析和测量转子的不平衡振动，进而得到转子转速的高精度测量方法。数字振动传感器吸合于医用离心机盖板或侧面板，采集振动数据，通过WiFi发送，WiFi信号可用平板电脑/手机/计算机接收数据，接收到1 024个数据后使用FFT快速判别振动峰的分布，确定转子转速的大致频率区间，同时继续接收数据，1 024个数据和后续数据一起，采用复调制细化谱分析算法，细化1 000倍，准确得到转子转速。

软件流程如图5所示，其中的N为一段FFT分析点数，D为谱细化倍数，M为复调制滤波器的半阶数。图6为软件运行界面，实现了转速、振动、相对离心力、温度等YY/T 0657—2017《医用离心机》[4]国家标准要求参数的测量。

图5 软件流程图

图6 软件运行界面

2 测试实验及分析

2.1 振动式转速表在标准转速装置上的实验验证

选择万分之一的计量部门校准转速表的标准转速装置作为实验验证对象，将振动式转速表吸附于标准转速装置变速箱的表面。开启标准转速装置至设定转速，待显示稳定后读取振动式原理测量的转速，数据记录如表1所示。

表1 标准转速台试验记录

验证测试结果表明，振动式原理测量转速可以达到±0.1%的相对测量误差，与光电式转速表的测量精度相一致。低转速的情况下，由于由标准转速装置转子不平衡产生的不平衡振动较小，不易得到转速测量结果，需要加大不平衡振动，实现低转速的测量。

为考核振动式转速表的测量重复性，在标准转速台上振动式转速表作10次重复测量，选取3 000 r/min点作仪器的测量重复性考核，实验结果如表2所示。

表2 振动式转速表10次重复测量数据

实验结果的标准差由Beseel公式

2.2 振动式转速表在医用离心机装置上的实验验证

同时使用振动式原理和光电式原理对同一医用离心机转速测量进行实验对比验证。选取四川蜀都仪器有限公司生产的LG-25M型高速、TD-5Z型低速医用离心机作测试验证，转速覆盖300～25 000 r/min。将医用离心机放置于水平面上，振动式转速表吸附于医用离心机的上盖或侧面，启动医用离心机校准的App程序，无线连接校准器，将设定的离心机转速输入到测试界面，系统自动进行转速判读和分析，显示离心机的实际转速。在医用离心机转子上贴上反光标贴，通过医用离心机观察孔用光电式原理测量医用离心机的实际转速。振动与光电式测量医用离心机转速的对比实验数据见表3。

表3 医用离心机振动法与光电法转速测量对比实验数据

从测量数据看，振动法和光电法能达到同等测量精度，而且振动法相对来讲操作更简单，测量数据稳定，光电式对光过程冗长，数据跳变大。对于医用离心机低转速的校准时，只需在试管架一侧放置一个空试管，添加一个不平衡量，振动法就能准确测量其转速。

3 结束语

医用离心机校准需求是在新冠肺炎疫情大流行和对医疗设备加强监管的背景下，对计量技术部门提出的新要求，经过大量的实践和理论探索，相关的校准方法日趋成熟。基于振动原理的振动式转速表国家校准规范，已在国家市场监管总局立项，该规范的制定，将为振动式转速表应用于校准医用离心机转速的量值溯源活动提供技术规范的支持。