基于電容探測的智能液面探測技術

張智河，黃菊英

首都醫科大學 生物醫學工程學院，北京 100069

0 前言

液面探測系統是自動化學發光免疫分析測控系統的重要組成部分[1]，用于控制采樣針探入液體的深度，從而最大限度減少掛滴，使自動加樣過程穩定可靠。電容式液面探測技術[2]原理簡單、成本低、易于實現，是應用最為廣泛的液面探測方法。本文主要通過對電容式液面探測技術進行改進，闡述提高液面探測系統靈敏度、降低最少探液量以保持系統長期穩定工作，降低其維護成本的方法。

1 電容式液面探測原理

金屬采樣針通過空間環境與電路系統形成空間分布電容，利用時基電路產生脈寬調制輸出[3-4]，當采樣針與導電溶液接觸時增加了空間分布電容，輸出脈寬變大，檢出此事件就可探測到液面接觸信息。基本原理，見圖1。R1、R2、采樣針與時基電路構成單穩態觸發電路，當外部觸發時開始充電，輸出高電平，當充電到VCC/3輸出反轉為低電平。脈沖周期由外部觸發控制，觸發頻率一般在20～100 kHz，觸發周期以略大于探測到液面最大空間分布電容情況時的最大脈寬為佳，由最大探液量及應用環境決定。

圖1 液面探測單穩態觸發振蕩電路

2 檢測方法

脈寬調制信息經二階低通濾波器轉化為準直流電平，當探測到液面時電平躍變升高，躍變電平與參考電平輸入比較器得到液面探測脈沖信息圖。具體電路，見圖2。由U2A線性放大提供略大于本底電平的參考電平，由于遲滯電路有一定的延時和帶寬，使得比較電路在未探測到液面時輸出低電平，探測到液面時在一段時間內輸出高電平。

圖2 二階低通濾波、遲滯、比較輸出電路

3 智能化設計

用時基電路提供觸發源，結合上述電路可以實現全硬件電路的液面探測系統，但液面探測脈沖在小液量時不易被捕獲，易受干擾，不能實現穩定可靠的探測。圖2中由遲滯電路提供的參考電平在實際應用中需要反復調試，且由于季節、氣候變化，可調電阻觸點老化等原因參考電平不能一直保持穩定，往往每隔兩三個月需要人工調節一次，這無形中增加了維護成本。

引入單片機控制液面探測[5-6]可以有效提高探測質量。原理框圖，見圖3。由單片機輸出一路PWM信號提供穩定的觸發頻率，觸發信號自圖1中2腳輸入，當低于VCC/3時，觸發器置位，3腳輸出高電平，同時放電開關管關閉，單穩態觸發器進入充電過程。為不影響脈寬調制，選取低電平時短PWM信號作為觸發信號。

圖3 液面探測電路原理框圖

根據檢測原理，穩定的參考電平不應因是否探測到液面而發生變化。可通過單片機輸出另一路PWM信號經二階低通濾波器生成直流參考電平，并經A/D轉換對其進行實時監測，通過自適應算法自動調節占寬比使其輸出與設定值一致的穩定參考電平，探測精度要求高時需要經D/A轉換來提供穩定可控的參考電平。液面探測模擬電路，見圖4。

由外部控制本底信息采集，本底采集時間為0.2 s，經A/D轉換（ADC）、256個數據循環池滑動平均得到平均值，在此基礎上加一個增量作為參考電平值，此增量的大小決定了探測的靈敏度，通過2個單片機引腳調節該增量并自動存儲到單片機EEPROM中。系統中A/D、D/A轉換分別為10位精度IC。表1為在測量點AINF處本底和各種液體容量的模數轉換值與數字萬用表實測電壓值的關系。

圖4 液面探測模擬電路

表1 探液容量與模數轉換、實測電壓關系

探測到液面時的比較輸出是一個穩定的高電平。為提高探測的抗干擾能力，單片機實時跟蹤比較輸出：當跟蹤到持續的高電平信號時輸出信號；當跟蹤到脈沖干擾信號時單片機通過判斷持續時間予以刪除，這是提高小液量探測靈敏度的關鍵。100 μL液面探測示波器檢測結果，見圖5。

圖5 100μL液面探測示波器檢測圖

4 結論

依據電容式探測原理，經智能化處理后的液面探測系統的靈敏度得到了大幅度提高，最小探液量可達100 μL，優于預期最小探液量（150 μL），有效提高了試劑最大使用量，降低了樣本的需求量。此設計方案已應用于臨床檢測的某自動化學發光免疫分析儀中。

[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.

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