超高速医用离心机转速校准装置及校准方法研究

孙恒群 张秀俊

【摘要】医用离心机是应用旋转运动的离心力和浮力密度的差异，进行分离和提纯生物样品中各成分的处理装置。医用离心机的转速是反映医用离心机质量的重要技术指标。本文通过对医用离心机以及相关标准进行研究，应用多普勒效应和非接触式激光技术研制一种用于医用离心机的转速校准的装置，并对其校准方法进行了研究，以期对医用离心机的转速参数进行有效溯源，保障在用医用离心机的相关技术指标准确可靠，临床应用安全有效。

【关键词】医用离心机；校准；多普勒效应；非接触式激光

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.05.023

Research on a High-speed Medical Centrifuge Speed Calibration Device and Calibration Method

SUN Hengqun， ZHANG Xiujun*

（Yancheng Measurement and Testing Institute， Yancheng 224000， China）

Abstract： Medical centrifuge a processing device for separating and purifying components of biological samples using the difference between centrifugal force and buoyancy density of rotating motion. The speed of medical centrifuge is an important technical index to reflect the quality of medical centrifuge. In this paper， through the study of medical centrifuge and related standards， the application of Doppler effect and non-contact laser technology to develop an optical speed detection device for medical centrifuge， and its calibration method was studied， in order to be used to trace the rotational speed parameters of medical centrifuge effectively， to ensure the accuracy and reliability of the relevant technical indicators of medical centrifuge in use. It is safe and effective in clinical application.

Key words： medical centrifuge； calibration； Doppler effect； non-contact laser

医用离心机是在医学检验中，作为分离血清、血浆、沉淀蛋白质或尿沉渣检查的仪器设备。它可使混合液中的悬浮微粒快速沉淀，进而分离比重不同的各种物质的成分[1]。医用离心机的工作原理是在相同转速下，不同密度、不同颗粒的物质在离心力作用下分离，其分离程度和离心机转速直接相关。随着医疗和生物科技的不断发展，医用离心机正向着高速、高精度方向发展，因此对转速、噪声、时间和温度等相关技术参数的要求越来越严格。医用离心机质量性能的优良直接关系医院或医学检验机构的样本分离和实验数据显示结果，因此医用离心机的校准工作具有重大的意义[2]。

由于实验室对医用离心机转速的要求不同，所以选择的医用离心机也不同。根据转速医用离心机可分为常速医用离心机、高速医用离心机和超高速医用离心机三种，其对应转速数据如表1所示。在医用离心机的众多检测参数中，转速是衡量医用离心机分离性能的重要指标之一[3]。我国医药行业标准YY/T 0657—2017《医用离心机》和国家标准GB/T 10901—2005《离心机性能测试方法》对医用离心机的转速参数作出了比较详细的规定。

传统的测量医用离心机的方法有很多，如使用转速仪、手持式红外线传感器、光电式传感器、磁电式传感器测量转速[4-5]。使用上述方法对医用离心机进行转速测量一方面限制了可测量的离心机种类，需要医用离心配备观测孔或开盖测量，另一方面在离心机内部黏贴磁电传感器会留下较大的安全隐患。同时，这些测量方法也会导致检测重复率低、误差大、测量范围小等问题[6-7]。

对通用医用离心机转速进行测量，难点在于不改变医用离心机原有结构，并在正常工作条件下对其转速进行测量。因此，本文针对超高速医用离心机转速校准设计了一种基于多普勒效应的非接触式激光检测装置，提高了对超高速医用离心机转速测量的准确度。

1设计技术原理

多普勒效应测振法已是当前最为普及、最易实现且精度较高的测振方法。它是通过测量激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系实现转速的测量。该测量方法无须干涉仪组件，装配容易。由于被测物体振动速度矢量与多普勒頻移呈线性关系，该方法也适于各种复杂的物体运动测量[8]。

现有多普勒测速设备多为测量直线运动的速度而设计。由于医用离心机设备的转筒位于离心机内侧腔体中，直接对离心机设备的转筒进行检测校准时只能检测转筒内腔，这就需要激光倾斜射入转筒的内腔。但每种离心机的转筒直径和深度都不同，这便对激光直接照射转筒产生了一定的阻碍，故而需要采用激光多普勒转速校准装置。

激光测振传感器借助激光的方向性、单色性、相干性等优良特性，可以实现远距离、高精度的测量。激光测振传感器无需将机械器件安装在被测物体的振动表面，从而完全避开传感器的附加质量而带来的影响。它可以穿过窗口或水进行若干米以外的振动测量，因而测量距离更远。相比接触式测振方法，激光测振这类非接触式的振动测量传感器具有范围广、精度高、测量距离远、实时性强等优势[9]。

本文所采用激光多普勒效应测量离心机的振动，通过测试系统对设备的振动信号进行采集，然后再对所采集的振动信号进行分析处理，以鉴别旋转机械的当前运行状态。采用微型激光测振传感器测量离心机振动频率，编制专用上位机软件进行数据采集和实时分析，进而实现离心机转速的在线测量。在离心机不开盖正常工作条件下，将激光束对准离心机外壁，通过激光多普勒效应就可以采集到离心机的振动频率，从而实现对离心机转速的非接触式测量。本文研制的基于多普勒效应的非接触式激光检测装置可以解决所有种类离心机转速的高精度测量。

2检测装置的设计

非接触式激光多普勒医用离心机转速校准装置的结构如图1所示。

校准装置壳体的内侧设有调控腔，调控腔的一端设有安装腔二，另一端设有安装腔三。其中安装腔三的里侧设置连接发射器的氦氖激光器。安装腔二的里侧依次设有半波片一和声光调制器。安装腔二一端有漏斗形的腔体，腔体和安装腔三直接连通。安装腔三的底端插接有风冷机构。调控腔的里侧依次设有反射镜一、反射镜二、半波片二和透镜一。其中，反射镜一和半波片二都位于调控腔的顶部并和调控腔的内壁转动连接，半波片二设在透镜一和反射镜一之间，反射镜二位于调控腔的中部位置。调控腔内壁的底部设有出气槽，其中出气槽的里侧设置透镜二和光电接收器。光电接收器安设于一个支架上，支架固定在出气槽的内侧，出气槽的底端插接着滤网一。调控腔远离安装腔二的一端设有连通槽。壳体位于半波片二附近的位置安设水平盖，壳体远离连通槽的位置对应安放着检测柱体。利用检测柱体和连动套的使用，使检测柱体与离心机内部的转筒连动，进而可以在离心机的外侧检测柱体的转动情况，且检测柱体的半径是已知的，不需要知晓转筒的内径便可对转筒的转速进行检测，从而大大方便了检测结构的计算。通过测量检测柱体的转速，实现对离心机内的转筒转速进行非接触式测量，然后以测得的转速为依据对离心机内的转筒的转速进行校准。

安装腔二的底端预留沟通外界的安装口，安装腔二的安装口接有密封板。风冷机构包括风冷座、驱动电机、气流发生槽、过滤网一和风扇叶片。其中，风冷座的内侧设有气流发生槽，气流发生槽的底端设有过滤网一，风冷座的里侧安设驱动电机，驱动电机的旋杆连接有风扇叶片。安装腔二内侧靠近声光调制器的位置设有斜置的导气片。风冷机构产生气流依次通过安装腔三、安装腔二和调控腔，从出气槽处排出，使安装腔三、安装腔二、出气槽和调控腔内的结构得到冷却。气流发生槽的里侧安设若干个干燥球，干燥球的里侧有碳粉颗粒和氯化钙颗粒，干燥器上部有若干个小孔洞，小孔洞的直径为0.03～0.05 mm。碳粉颗粒和氯化钙颗粒可使进入调控腔内的空气得到净化和干燥。

壳体的一端设置有铰接座，铰接座上铰接水平盖，铰接座的一端固定连接着止位杆，止位杆水平安设。其中水平盖靠近铰接座的一端开设有卡接槽，卡接槽和止位杆可变动连接，另一端设置有限位杆，水平盖的一侧安设着水平承接板，水平承接板的一端开设有限位槽，限位槽和限位杆使用滑动连接，限位杆的形状为梯形柱，限位杆上安设着检测柱体。水平承接板为离心机、检测柱体提供稳定的水平平台，使离心机和检测柱体能够被快速、稳定地放置。透镜一安设于安装座的内侧，安装座的外侧设有橡胶密封圈，安装座的顶端设有滑块，调控腔的顶端设有滑动道，滑动道的内侧和滑块活动连接。壳体的里侧设置有伺服电机，伺服电机的旋杆固定连接丝杆，丝杆的外侧和滑块螺纹连接。丝杆和滑块配合可使透镜一和调控腔的相对位置进行调节。

3检测方法

激光多普勒转速校准装置采用差动激光多普勒原理，设检测柱体切线方向的速度为V。1级和0级线路的频率分别为F1和F1+F2。F2为声光调制器的调制频率，经过透镜一后的夹角为A，它们与切线方向的夹角分别为a1和a2，观测方向与切线方向的夹角为a3。

測量光路采用了差动激光多普勒原理，发射器输出激光进入40 MHz声光调制器后，由于反常布拉格衍射输出频率相差40 MHz且强度大致相同，振动方向相互垂直的0级和1级衍射光，在1级衍射光光路中加入半波片二，调节方位使其快轴与1级衍射光的振动方向成45°，使其偏振方向改变90°，从而使两束光的偏振方向相互平行；调节反射镜一使两束光平行，1级和0级两束光经过透镜一时偏转，汇聚到正在转动的检测柱体的表面，再用透镜一和反射镜二来收集此表面散射的部分差拍光信号，并用透镜二将此差拍信号汇聚到光电接收器的光敏面上；光电接收器产生的电压信号先通过硬件电路进行预处理，两级放大电路进行信号放大，然后通过带通滤波器滤波之后，与从声光调制器出来的光对比运算。

信号一起进入相敏检波电路，使包含物体运动的多普勒频移信号与40 MHz的声光调制器频率分离，最后通过低通滤波器滤波。从硬件电路出来的信号进入数据采集卡，通过LabVIEW软件编写的程序进行数据采集和处理，最后得到测量结果。

4结束语

本研究拟采用激光多普勒效应测量离心机的转速，采用微型激光测振传感器测量离心机振动频率，编制专用上位机软件进行数据采集和实时分析，进而实现医用离心机转速的非接触式测量。该装置可以解决所有种类离心机转速的高精度测量。同时，该装置的研制和测量方法的设计对于超高速医用离心机规范的实施具有积极的作用，满足行业对超高速医用离心机的日常质量检测维护以及校准需求，减少了检测误差。

【参考文献】

[1]陈伟豪.医用离心机的基本结构原理及常见故障分析[J].中国医疗器械信息，2011，17（7）：62-64.

[2]程宏，李朴，刘颖，等.医用离心机校准的理论和实践[J].中国测试，2022，48（11）：133-137.

[3]杨馥源.探究实验室医用离心机的转速校准[J].品牌与标准化，2022（4）：54-56.

[4]杨馥源.医用离心机不同转速测量法的比较分析[J].品牌与标准化，2022（3）：115-117.

[5]石喜玲，孙运强.磁电式双转速传感器测量技术研究[J].仪表技术，2007（12）：59-61.

[6]于扬扬，雷鹏.基于红外技术的离心机转速检测装置的设计[J].现代工业经济和信息化，2022，12（6）：67-68，89.

[7]张秦，易大志，胡楚征，等.基于振频分析的医用离心机转速测量技术方法研究[J].中国检验检测，2022，30（4）：20-22.

[8]贺芳琪.激光测振仪校准装置的设计与应用[D].杭州：中国计量大学，2016.

[9]王豹亭.零差激光测振技术的研究[D].成都：电子科技大学，2011.

【作者简介】

孙恒群，男，1973年出生，高级工程师，研究方向为化学计量。通讯作者：张秀俊，男，1970年出生，高级工程师，研究方向为医学计量，邮箱：xiujun8099@163.com。

（编辑：李加鹏）