密閉式醫用離心機的轉速計量檢測系統

黎 虹，李 光，付曉云，叢培田

（1.沈陽工學院基礎課部，遼寧 撫順 113122；2.沈陽計量測試院，遼寧 沈陽 110179；3.沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

密閉式醫用離心機的轉速計量檢測系統

黎 虹1，李 光2，付曉云3，叢培田3

（1.沈陽工學院基礎課部，遼寧 撫順 113122；2.沈陽計量測試院，遼寧 沈陽 110179；3.沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

針對當前密閉式醫用離心機轉速的計量檢測難題，首次提出基于測振原理的密閉式醫用離心機轉速計量檢測系統。該系統由測振傳感器、信號調理電路、數據采集器和上位機測速系統組成，測振傳感器實時測量密閉式醫用離心機的振動信號，信號調理電路將振動信號放大、跟蹤、濾波，數據采集器對信號高速采集然后通過USB傳輸到上位機測速系統，并基于最小條件的識別理論進行擬合、分析和處理。通過實驗表明：基于測振原理和最小條件系統識別法的轉速檢測系統達到各種密閉式醫用離心機轉速的計量校準要求，該系統具有檢測準確度高、自動化程度高、穩定性好和檢測方便等優點，有很好的推廣前景。

密閉式醫用離心機；轉速；測振；自動跟蹤濾波器；最小條件；計量

0 引 言

醫用高速離心機主要用于對生物細胞和人體血液等物質進行離心沉降處理，將生物細胞、生物大分子和血漿等微小顆粒進行沉降，達到將待處理溶液提純、濃縮和分離的目的。醫用離心機轉速的準確測量對檢驗結果有非常重要的影響，因此精確測量其轉速具有十分現實的意義。

傳統的轉速測量方法都需要在醫用離心機內安裝傳感器，安裝過程復雜，而且不同類型的醫用離心機安裝方法各異。查閱國內外的研究文獻，實現密閉式醫用離心機的轉速測量主要有光電式和磁電式2種轉速測量方法。趙毅峰等[1]提出了采用光電式轉速表來測量醫用離心機的轉速，該方法在離心機的任意轉動臂上粘貼有反射標記，并在強制開蓋的狀態下測量離心機的轉速。該方法需拆解密閉式離心機進行測量，測量過程受光線強度以及轉速表靈敏度的限制很大[2]。因此，此種方法存在很大的安全隱患，且測量準確度和穩定性都較差。湖南大學提出了采用磁電式傳感器來測量醫用離心機的轉速，該方法在醫用離心機的內壁上粘貼有磁體，在離心機轉動軸的試管內裝有霍爾傳感器，使用霍爾傳感器來檢測脈沖數和時間，進一步計算醫用離心機的轉速[3]。但此種方法不便于安裝，且抗干擾能力較差，轉速測量不是特別準確。

因此基于現場的檢測需求，本文提出了一種基于測振原理的密閉式醫用離心機的轉速計量檢測系統，并引入了最小條件系統識別法，僅需將測振傳感器固定在離心機的外殼上即可實現對轉速的準確測量，有效地解決了以往密閉式醫用離心機轉速測量的缺陷。

1 密閉式醫用離心機的轉速計量檢測系統總體方案設計

密閉式醫用離心機的轉速計量檢測系統主要包括密閉離心機、測振傳感器、信號調理電路、數據采集器和上位機系統，如圖1所示。將待測密閉離心機放置于水平面上，在離心機的轉臂內對稱位置放入不同質量的試管，測振傳感器通過強磁鐵吸附到離心機的外殼上，測振傳感器實時地采集醫用離心機的振動信號，并將該振動信號進行適當的處理轉化為易于采集的電壓信號[4]，數據采集器對該電壓信號進行高速采集，通過USB通信傳輸到上位機系統，并基于最小條件的識別理論進行擬合、分析和處理，計算離心機的振動頻率[5-6]，由信號的固有頻率和轉速之間的關系，計算出離心機轉速。

2 硬件系統的設計

2.1 測振傳感器

本系統采用北京京儀北方儀器儀表有限公司的YD-8壓電式加速度傳感器作為測振傳感器。該傳感器能夠提供較寬的頻率范圍和較好電荷靈敏度，軸向電荷靈敏度：0.23～0.56 pC/（m·s-2），頻率響應：1～40kHz，最大可測加速度：5 000 m/s2，最小可測加速度：0.5m/s2，電容：560pF，適合在離心機上進行振動監測。

2.2 信號調理電路

信號調理電路主要由電荷放大器、信號放大器和自動跟蹤濾波器組成。其基本原理為測振傳感器拾取離心機的振動信號，并將其轉換成與振動相關的電荷量，電荷放大器負責將電荷量轉變為可以測量的電壓信號，該信號經信號放大器和自動跟蹤濾波器后調理成易于識別和檢測的信號，便于數據采集器進行數據采集。

由于檢測現場不僅存在著離心機轉動的振動信號，還存在轉子、軸承、基礎結構及其環境等的影響因素，這些影響因素都給醫用離心機的轉速測量帶來了影響，所以必須將干擾和噪聲信號過濾掉。目前常規的手段是用低通濾波器將噪聲去除掉，但是低通濾波器的截止頻率是固定的，不會隨著振動頻率的改變而自動發生改變，因此在本系統中采用自動跟蹤濾波器進行處理，來實時跟蹤離心機轉速的變化[7]。

圖1 密閉式醫用離心機的轉速計量檢測系統

自動跟蹤濾波器主要由狀態變量濾波器、鎖相倍頻器和開關電阻濾波器組成。首先鎖相倍頻器對被跟蹤的離心機振動頻率信號進行128倍頻，開關電阻濾波通過頻率來控制電阻，實現了開關電阻濾波器的中心頻率與離心機振動頻率保持一致，達到了醫用離心機的頻率自動跟蹤的目的。本文采用雙二階自動跟蹤帶通濾波器濾波技術，并且配合N分路梳狀濾波器電路，不但實現了對任意轉速振動信號的精密窄帶濾波，提高了信噪比，而且還具有處理速度快、檢測準確度高等優點。

2.3 數據采集器

本系統的數據采集器是一種基于USB總線的高速高精度同步數據采集器，可直接插在計算機的USB接口上。由8路16位高精度同步AD進行設計，對模擬信號進行測量，可在單端模式和差分模式下轉換，總采樣率達400kHz，每通道具有實時采集、實時繪畫數據曲線圖、實時保存數據的功能。

3 應用最小條件系統識別法測量離心機的轉速

醫用離心機在旋轉過程中產生的振動信號是正弦函數，因此可以建立數學模型[8-9]為

在離心機轉臂內的對稱位置放入不同質量的試管而產生初始不平衡量，它在高速旋轉過程中會產生離心力，此離心力在圓周旋轉運動作用下激勵離心機產生正弦運動，醫用離心機振動曲線如圖2所示。

在醫用離心機的轉速計量測試中，數據采集器采樣得到振動信號為xn（n=0，1，2，…，N-1），將x（t）進行離散化處理[10]得：

應用最小條件系統識別法進行逐點的依次逼近和數據采集，此時可以得到相應的采樣序列。根據醫用離心機的設定頻率估算振動信號的幅值A0、振動信號的頻率ωd和初始相位φ0，再將估算出的A0、ωd、φ0代到離散化處理的公式中，然后將估算值的兩側范圍內取出一組值，并與標準振動信號做差方和運算[11-12]：

差方和運算對各個特征系數（A0、ωd和φ0）為零的條件來求解特征系數值，求解過程如下：

1）首先根據醫用離心機的設定轉速對采集到的數據進行預估，找到此時的一個最大值，將其作為振動信號的初始點x0，令A0=x0，φ0=90°，尋找過零點計算振蕩周期Td，從而得出ωd。

2）將其中的特征系數在估計值兩側進行小量等間隔細化，并將結果帶入式（3）中，此時會得到Mx最小值，其對應的ωd值作為替換該參數的修正值。

3）按照步驟2）進行多次循環，一般循環的次數為5次，最終循環得到的結果接近于最小條件的真值A0、ωd。

轉速計量檢測系統擬合的曲線如圖3所示，圖中為循環一次時轉速測量過程中頻率擬合過程的曲線。多次循環過程后，只有當擬合的特征系數（A0、ωd、φ0）與數據采集器得到的數據幾乎相等時，Mx為最小值，此時的Mx最小值所對應的頻率即為離心機的振動頻率。通過信號的固有頻率和轉速之間的關系，從而計算出離心機的轉速。

圖2 離心機振動曲線圖

4 系統測試實驗及分析

首先將密閉式離心機放置于水平面上，在離心機的轉臂內對稱位置放入不同質量的試管，對稱位置配重質量差遵循以下原則：配重質量差不能過大，否則會因振動過大而損壞離心機；配重質量差也不能過小，否則會因振動過小而檢測不到振動信息。因此，應根據具體型號的離心機通過實驗和經驗的方式來找到合適的配重質量差。然后將測振傳感器通過強磁鐵固定在密閉式離心機的側面外殼上，啟動密閉式醫用離心機的轉速計量檢測系統并進入到系統設置界面，將設定的離心機轉速輸入到系統的頻率預置值[13]，系統自動進行運算和分析，最終得到離心機的轉速。

表1列出了湖南湘儀公司的密閉式離心機在1 000，4 000，7 000，10 000 r/min 工況下采用本系統獲得的轉速值，得到的轉速誤差均不超過1%，保證了準確度的要求，從而進一步驗證了本系統測得轉速的準確性。通過對美國索福、日本日立、湖南湘儀、安徽中科中佳、北京時代北利等國內外具有影響力的醫用離心機進行反復實驗，進一步驗證了該系統對不同型號的醫用離心機均適用的特點。實測表明在轉速100～20000r/min范圍內的任一轉速下進行測量，各項指標均達到檢測要求，并且測量準確度高、穩定可靠、自動化程度高，具有很強的實際應用價值。

圖3 轉速計量檢測系統擬合的曲線圖

表1 離心機轉速測量值

5 結束語

本文以密閉式醫用離心機的轉速為研究對象，從醫用離心機的檢測需求入手，以測振傳感器、自動跟蹤濾波器、最小條件的系統識別理論為研究重點，經數據采集器對信號進行采集后送入到上位機系統。本文通過測振的方式來實現密閉式醫用離心機轉速測量是國內首創，實現了在不拆解和保持離心機原始狀態下對其進行轉速檢測，解決了密閉式醫用離心機轉速的計量校準難題。該檢測系統采用自動跟蹤濾波器作為硬件核心，基于最小條件的系統識別理論進行擬合、分析和處理作為軟件核心，實現了自動化檢測，同時避免了人工操作的誤差，提高了轉速測量結果的準確性，具有良好的科學性和實用性。

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（編輯：商丹丹）

Speed measurement test system of closed medical centrifuges

LI Hong1， LI Guang2， FU Xiaoyun3， CONG Peitian3
（1.Basic Course Department，Shenyang Institute of Technology，Fushun 113122，China；2.Shenyang Metrology and Testing Institute，Shenyang 110179，China；3.School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110168，China）

In view of current speed measurement difficulty of closed medical centrifuges，a speed measurement system based on the principle of vibration is proposed.The system consists of vibration sensors， signal conditioning circuit， data acquisition unit and PC speed measuring system.The vibration sensors measure the real-time vibration signals of the closed medical centrifuges， the signal conditioning circuit amplifies， tracks and filters the vibration signals， the data acquisition unit collects the signals at a high speed and transmits them to PC speed measuring system via USB， and finally the PC speed measuring system conducts fitting， analysis and processing based on the recognition theory of minimum conditions.Experimental results show thatthe speed measurementsystem based on the principle ofvibration and the minimum conditions system identification method can meet the speed measurement requirements of various closed medical centrifuges， and the system has the advantages of high accuracy， high degree of automation， good stability and convenient measurement， with a good prospect of promotion.

closed medical centrifuges； speed； vibration； automatic tracking filter； minimum conditions；metrology

A

1674-5124（2017）11-0070-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.014

2017-01-18；

2017-03-05

國家質量監督檢驗檢疫總局科技計劃項目（2014QK105）

黎 虹（1981-），女，遼寧沈陽市人，教授，碩士，主要從事控制理論與測控系統的研究。