醫用離心機校準的理論和實踐

程 宏， 李 樸， 劉 穎， 朱 沙

(1. 遵義市產品質量檢驗檢測院，貴州 遵義 563000; 2. 中國測試技術研究院，四川 成都 610021)

0 引 言

醫用離心機是產生恒加速度的一類離心機，它是利用旋轉運動的離心力以及浮力密度的差異進行分離和提純生物樣品中各成分的處理裝置，廣泛應用于生物學、臨床醫學、檢驗醫學、生物化學等實驗室中。新冠肺炎疫情暴發以來，該類實驗裝置的計量校準工作得到空前重視。計量是科學技術的基礎和支撐，應該為醫用離心機這類疫情防控設備的準確可靠發揮量值保障作用。目前醫用離心機僅有幾個省推出了各自的校準規范，技術標準不統一，急需國家校準規范，因此有必要在這方面進行進一步的探索，促進國家規范的推出。

在如何校準醫用離心機方面，專業技術人員進行了大量探索和嘗試[1-2]，提出來許多好的方法，為正式發布醫用離心機校準規范提供了技術基礎和有益嘗試。現有方法，主要有光電原理測量轉速法和振動原理測量轉速法（以下簡稱光電法和振動法）。光電法是目前已發布離心機地方校準規范主要方法。醫用離心機基本都是帶蓋封閉型，上蓋有有機玻璃觀察窗和無觀察窗（以下簡稱有窗和無窗）兩種類型。基于光電轉速表測量原理，不能實現對無窗醫用離心機的閉蓋校準，而開蓋測量本身存在極大安全風險，實際校準中不建議采用。對于有窗的離心機，需要將反光貼貼于離心機轉動部分，轉速表通過觀察窗進行測量，受反射效果的影響，轉速表示值跳變較大，測量結果可靠性不高；而振動法測量轉速是基于轉子不平衡振動與轉子轉速相一致的原理，將測量傳感器置于醫用離心機機體表面，不需開蓋，通過分析和測量轉子的不平衡振動得到轉子轉速，這種原理的測速儀表也可稱為振動式轉速表。振動法相對于光電法，在醫用離心機的校準活動中，更具優勢，實踐證明也是一種行之有效的方法，它的主要難點在于不平衡振動頻率的準確測量，文獻[2]提出的應用最小條件系統識別法測量離心機的轉速方法，系統硬件復雜，相對于光電轉速法的0.1%或0.2%的測量精度，差距較大，因此應尋求一種更為有效的不平衡振動-轉子轉速算法。

1 振動式原理轉速測量

按照醫用離心機國家標準的要求，醫用離心機需要檢查測量的參數包括轉速、相對離心力、振動、溫度等，其中轉速是離心機的核心參數[3-7]，離心效果完全取決于轉速，因而這是必測參數。醫用離心機轉速校準，目前的技術方案標準器的選擇主要有光電式轉速表和振動式轉速表兩種方式。光電法如前所述具有較多的局限性，振動法最為關鍵的振動頻率的高精度測量，即高精度頻率估計算法的研究。高精度頻率估計算法，包括幅度比值法、相位差法、頻譜細化法和自相關輔助法，在分析算法原理及特點的基礎上，比較算法的性能，結合醫用離心機不平衡振動的特點，不平衡振動頻率與轉速一致，不平衡引起的振動頻率不高，結構引起的振動峰頻率較高，分布明顯，因此宜采用頻譜細化法。

1.1 振動式原理轉速測量系統設計

圖1為振動式原理測量醫用離心機轉速示意圖。它是由高靈敏度振動傳感器，經過適調放大、濾波，經A/D轉換成數字信號，無線發送至計算機或ARM等系統進行分析和處理，得到轉子不平衡振動頻率，進而得到轉子轉速。圖2為振動式原理轉速測量系統框圖。一般振動頻率的分析均采用傅里葉變換的原理。

圖1 振動式轉速表的測量醫用離心機轉速示意圖

圖2 振動式轉速表原理框圖

傳統的選帶頻率細化分析方法（簡稱為ZoomFFT），是一種基于復調制移頻的高分辨率傅里葉分析法[8]。其方法流程為：移頻——低通數字濾波——重抽樣——FFT及譜分析——頻率成分調整，存在計算量大和頻率成分調整復雜等問題，最大細化倍數一般不超過50倍，細化倍數越大，誤差越大。但是復解析帶通濾波器克服了傳統方法的局限性, 加快了分析速度，極大提高分析精度和細化倍數, 是一種更好實現的復調制細化分析方法，是適宜于細化振動頻率的方法。

振動式原理測量轉速是對轉子不平衡振動頻率的分析測量來實現，將依據復解析帶通濾波器的原理，轉頻附近選帶頻率細化，實現轉子轉速的高精度測量。

1.2 復解析帶通濾波器的復調制細化譜分析方法

帶通寬為 ω2-ω1的解析濾波器的理想幅頻特性如圖3所示，其中π對應采樣頻率的 一半，為帶通的中心頻率。其沖擊響應為

圖3 復解析帶通濾波器理想幅頻特性

h1(k)是圖4所示的低通濾波器的沖擊響應函數，其沖擊響應函數為

圖4 移頻前濾波器幅頻特性

復解析帶通濾波器的沖激響應是一復數序列，實部為偶對稱, 虛部為奇對稱, 實際使用時只計算一半序列, 通常需加一半的Ηanning窗以改善帶通的平坦度和止帶的波紋效應。實際應用中復解析帶通濾波器可將濾波與選抽結合起來，提高計算效率。實信號經過濾波后，就成為頻率在帶通以內的復解析信號。復解析帶通濾波器負頻率部分響應為零，因此FFT 后省去了頻率調整過程，只需要將譜分析的頻率成分按順序顯示即可。

在醫用離心機轉頻頻率分析和測量方法研究中，采用了復解析帶通濾波器的復調制細化譜分析方法分析和測量轉子的不平衡振動，進而得到轉子轉速的高精度測量方法。數字振動傳感器吸合于醫用離心機蓋板或側面板，采集振動數據，通過WiFi發送，WiFi信號可用平板電腦/手機/計算機接收數據，接收到1 024個數據后使用FFT快速判別振動峰的分布，確定轉子轉速的大致頻率區間，同時繼續接收數據，1 024個數據和后續數據一起，采用復調制細化譜分析算法，細化1 000倍，準確得到轉子轉速。

軟件流程如圖5所示，其中的N為一段FFT分析點數，D為譜細化倍數，M為復調制濾波器的半階數。圖6為軟件運行界面，實現了轉速、振動、相對離心力、溫度等YY/T 0657—2017《醫用離心機》[4]國家標準要求參數的測量。

圖5 軟件流程圖

圖6 軟件運行界面

2 測試實驗及分析

2.1 振動式轉速表在標準轉速裝置上的實驗驗證

選擇萬分之一的計量部門校準轉速表的標準轉速裝置作為實驗驗證對象，將振動式轉速表吸附于標準轉速裝置變速箱的表面。開啟標準轉速裝置至設定轉速，待顯示穩定后讀取振動式原理測量的轉速，數據記錄如表1所示。

表1 標準轉速臺試驗記錄

驗證測試結果表明，振動式原理測量轉速可以達到±0.1%的相對測量誤差，與光電式轉速表的測量精度相一致。低轉速的情況下，由于由標準轉速裝置轉子不平衡產生的不平衡振動較小，不易得到轉速測量結果，需要加大不平衡振動，實現低轉速的測量。

為考核振動式轉速表的測量重復性，在標準轉速臺上振動式轉速表作10次重復測量，選取3 000 r/min點作儀器的測量重復性考核，實驗結果如表2所示。

表2 振動式轉速表10次重復測量數據

實驗結果的標準差由Beseel公式

2.2 振動式轉速表在醫用離心機裝置上的實驗驗證

同時使用振動式原理和光電式原理對同一醫用離心機轉速測量進行實驗對比驗證。選取四川蜀都儀器有限公司生產的LG-25M型高速、TD-5Z型低速醫用離心機作測試驗證，轉速覆蓋300～25 000 r/min。將醫用離心機放置于水平面上，振動式轉速表吸附于醫用離心機的上蓋或側面，啟動醫用離心機校準的App程序，無線連接校準器，將設定的離心機轉速輸入到測試界面，系統自動進行轉速判讀和分析，顯示離心機的實際轉速。在醫用離心機轉子上貼上反光標貼，通過醫用離心機觀察孔用光電式原理測量醫用離心機的實際轉速。振動與光電式測量醫用離心機轉速的對比實驗數據見表3。

表3 醫用離心機振動法與光電法轉速測量對比實驗數據

從測量數據看，振動法和光電法能達到同等測量精度，而且振動法相對來講操作更簡單，測量數據穩定，光電式對光過程冗長，數據跳變大。對于醫用離心機低轉速的校準時，只需在試管架一側放置一個空試管，添加一個不平衡量，振動法就能準確測量其轉速。

3 結束語

醫用離心機校準需求是在新冠肺炎疫情大流行和對醫療設備加強監管的背景下，對計量技術部門提出的新要求，經過大量的實踐和理論探索，相關的校準方法日趨成熟。基于振動原理的振動式轉速表國家校準規范，已在國家市場監管總局立項，該規范的制定，將為振動式轉速表應用于校準醫用離心機轉速的量值溯源活動提供技術規范的支持。