液面檢測裝置及加樣系統的製作方法

2023-07-09 14:24:01

專利名稱：液面檢測裝置及加樣系統的製作方法
液面檢測裝置及加樣系統
技術領域：
本發明涉及一種加樣系統，尤其涉及加樣系統中的液面檢測裝置。背景技術：
在醫療領域中，經常需要用加樣系統實現檢測樣本和/或反應液的取樣和加樣。 在加樣系統中，採用液面檢測的方式進行採樣針的定位，即採樣針接觸到目標液面後，迅速 確認並停止運動，再執行下一任務。該功能由液面檢測裝置實現。液面檢測裝置將採樣針的電容變化轉換成電壓變化，並對此變化進行判斷，以確 定是否檢測到液面。實際操作中，因檢測的位置的具體條件不同，對採樣針的電容變化的影 響也不同，導致檢測的結果也有不同。例如，當採樣針進入導電環境(如金屬容器)時自身 電容變化較明顯，容易在該位置誤報液面；而對於塑料容器或液體量很少的條件下，採樣針 電容變化較弱，導致檢測的靈敏度下降，即使接觸液面也不易迅速產生結果。對於液面檢測 裝置，我們要求既能夠靈敏的檢測到液面，又必須在無液體環境下避免誤檢。而傳統的液面 檢測裝置難以兼顧此類要求，當系統需要在各種複雜環境檢測時，容易造成測試結果錯誤。

發明內容本發明要解決的主要技術問題是，提供一種能夠適應不同檢測環境的液面檢測裝 置，兼顧檢測系統的靈敏度與可靠性。根據本發明的一方面，提供一種液面檢測裝置，包括控制單元，用於根據採樣針 所處位置的環境信息輸出與所述環境信息對應的控制指令；放大單元，用於根據所述控制 指令設定增益；轉換單元，用於接收採樣針輸出的電容信號，經過變換後輸出對應的電壓信 號；所述放大單元接收所述電壓信號並將電壓信號按照設定的增益進行放大後輸出增益電 壓信號；控制單元接收所述增益電壓信號，根據所述增益電壓信號判斷採樣針是否接觸液 面。根據本發明的另一方面，提供一種液面檢測方法，包括判斷採樣針所處的環境；根據採樣針所處環境的環境信息設定增益；對來自於採樣針的液面信號按照設定的增益進行放大處理；根據增益後的液面信號判斷採樣針是否接觸到液面。同時，本發明還提供一種加樣系統，包括採樣針和所述的液面檢測裝置，採樣針 用於探測液面，並在接觸液面後產生變化的電容值，所述液面檢測裝置的轉換單元與採樣 針相連。

圖1為本發明一種實施例的電路圖；圖2為本發明一種實施例的流程圖3為本發明另一種實施例的電路圖；圖4為本發明又一種實施例的電路圖。
具體實施方式下面通過具體實施方式
結合附圖對本發明作進一步詳細說明。根據本發明，液面檢測裝置根據採樣針所處的環境來設定放大單元的增益倍數， 對來自於採樣針的液面信號按照設定的增益進行放大處理，然後根據增益後的液面信號判 斷採樣針是否接觸到液面。如果採樣針進入的環境對採樣針的電容的影響比較大，採樣針的電容變化會比較 明顯，則可適當調低放大單元的增益，在保證靈敏度的基礎上判斷採樣針是否檢測到液面， 避免在採樣針還沒有接觸到液面時卻產生檢測到液面的誤報。如果採樣針進入的環境對採 樣針的電容的影響比較小，採樣針的電容變化會比較弱，則可適當調高放大單元的增益，在 保證可靠性的基礎上判斷採樣針是否檢測到液面，避免實際上採樣針已接觸到了液面而系 統卻沒有判斷出來。從而液面檢測裝置通過設定與採樣針所處環境相對應的增益，可兼顧 檢測系統的靈敏度與可靠性，因此本液面檢測裝置可適應各種不同的檢測環境。請參考圖1，加樣系統包括採樣針10和液面檢測裝置20，其中採樣針10用於探測液面，並在接觸液面後產生變化的電容值。採樣針通常採用雙 套管型的結構，內外套管之間產生電容效應，可等效成一個電容。當採樣針接觸到液面時， 其等效電容值會產生變化。如果將採樣針和液面檢測裝置相連，可通過液面檢測裝置來檢 測採樣針的電容信號，通過對該電容信號進行監測，可判斷出採樣針是否接觸到液面。因採樣針輸出的是電容，在通常的實施例中，先將電容轉換成電壓，可採用直接轉 換的方式，也可採用間接轉換的方式，例如將電容先轉換為電流，再將電流轉換成電壓。在一種實施例中，液面檢測裝置20包括轉換單元21、放大單元22和控制單元23， 控制單元23控制採樣針10移動到某個位置，同時根據採樣針10需要移動到目標位置的位 置信息來生成相應的控制指令並發送給放大單元22。放大單元22根據該控制指令調整增 益。在加樣系統中，不同的位置具體情況不同，例如，該位置處於金屬環境中，反應盤是金屬 盤，或反應杯是金屬杯都會使採樣針進入該位置後處於金屬環境中，再例如塑料容器或液 體量很少的條件。但要控制採樣針移動到哪個位置控制單元是知道的，因此控制單元可根 據採樣針移動的目標位置來控制放大單元的增益。轉換單元21不斷接收採樣針10輸出的 電容信號，經過變換後輸出對應的電壓信號。放大單元22接收轉換單元21輸出的電壓信 號並將電壓信號按照調整後的增益倍數進行放大。控制單元23接收放大單元22輸出的增 益電壓信號，將增益電壓信號與預設電壓閾值進行比較並判斷採樣針10是否接觸液面。控 制單元23可以是可直接對模擬信號進行採集、模數轉換處理的處理器；也可以是分立的一 個電路模塊，例如控制單元23可以包括採樣單元、A/D轉換單元和處理器的一個電路模塊。 控制單元23還可以根據增益電壓信號的斜率來判斷採樣針是否接觸到液面，例如將增益 電壓信號的斜率和閾值進行比較從而判斷採樣針是否接觸到液面。在本實施例中，放大單元22包括運算放大器A及其反饋電路，反饋電路用於將運 算放大器A輸出端信號反饋回反相輸入端，運算放大器A的增益與反饋電路的阻抗參數有 關，運算放大器A和反饋電路共同完成對輸入信號的放大。本實施例中，運算放大器A採用
5同相輸入組態，反饋電路包括反饋電阻Rf。轉換單元21輸出的電壓信號進入運算放大器A 的同相輸入端，運算放大器A的輸出端的反饋信號通過反饋電阻Rf、電阻R加到反相輸入 端，引入負反饋。為調整運算放大器A的增益，可將反饋電路與控制單元23的輸出端相連，控制單 元將根據採樣針10所處的位置的環境信息輸出相應的控制信號給反饋電路，反饋電路根 據控制指令調整反饋阻抗。本實施例中，反饋電阻Rf為數字電位器，其控制端接收控制單元23的輸出的控制 指令，控制滑動端滑動到相應的位置，為運算放大器A提供合適的反饋阻抗。本實施例中，反饋電阻Rf還可被電容或電感元件所替代，或反饋電阻Rf還可以和 電容或電感元件通過串聯、並聯或串並聯的方式一起構成反饋阻抗器，實現運算放大器的 反饋電路。液面檢測裝置檢測液面的方法如圖2所示，包括以下步驟在步驟S101中，在採樣針運動到目標位置之前，控制單元先根據預先的設計或用 戶的指令判斷採樣針需要移動到的目標位置，每個目標位置具有與其相對應的環境信息， 在本實施例中，環境信息包括位置信息。控制單元確定位置信息後執行步驟S102，向數字電 位器發送控制指令，指令內容包含採樣針所處位置對應的位置信息，然後執行步驟S103。在步驟S103中，數字電位器接受該指令後，按照要求進行阻值設置，即調整放大 電路的增益，然後執行步驟S104。在步驟S104中，設置完成後，採樣針再到指定位置進行檢測，採樣針產生的針電 容變化經過處理，在該調整後的增益條件下，得到對應的電壓變化，再由控制單元將增益後 的電壓與預設電壓閾值進行比較判斷，確認採樣針是否檢測到液面，然後執行步驟S105。在步驟S105中，控制單元將其判斷結果上傳，然後執行步驟S106，執行下一任務， 例如控制採樣針執行下一動作，例如吸樣。再根據要求，按上述步驟調整數字電位器設置，實現對檢測環境的自適應。下面以一特殊檢測環境說明液面檢測裝置的工作過程針對系統要求的特殊檢測環境的特點，如圖1所示，例如處於緊密金屬包圍的反 應杯50或液體死體積要求非常小的容器60等(死體積為系統所能正常檢測的最小液體體 積，在該體積以下值時，系統將不能保證正常的檢測與吸樣，例如系統要求某容器的死體 積為50ul，而系統要求的單次吸樣量為10ul，則在60ul以上樣本量時，均能保證支持最少 一次的正常測試任務，而60ul以下樣本量時，則不保證測試結果正確)，控制單元23向放大 單元22發送增益控制指令26，對數字電位器Rf進行阻值設置，從而確定該條件下的電路 增益；設置完成後，採樣針10到該目標位置執行任務，電容_電壓轉換單元21將採樣針10 感應的電容變化24轉換成電壓變化25輸出，該電壓變化經可控增益放大單元22處理後， 得到待分析的模擬信號27，再經過控制單元23分析判斷，最終確定是否檢測到液面，並將 判斷結果28上傳。系統要求採樣針在反應杯(反應盤為金屬材料)中無任何液體時不能發生誤報， 且能夠正常檢測到杯中120ul以上的液體。因採樣針容易受金屬環境影響，進入其中針電 容將發生顯著變化，因此在該處需降低增益，以減少較大的針電容變化對應的電壓變化。 通過實驗及計算，在該處採用上述方法，由控制單元設置數字電位器阻值為總阻值的0. 32倍，對應增益約為4. 1，可滿足上述要求。同時系統要求的各種樣本死體積量非常小，例如一 種特殊形狀容器，僅為20ul，因此在該處需提高增益，放大較小的針電容變化對應的電壓變 化，設置數字電位器阻值為總阻值的0. 85倍，對應增益約為11，也可滿足要求。對於系統同 時要求的其他檢測環境，均可採用同樣方法實現。在上述檢測流程中，檢測位置及環境由系統設計決定，對應的各位置電路增益，即 數字電位器阻值由測量及計算獲得，並可根據要求靈活調整。本實施例中採用數字電位器的方式實現運算放大器的增益調整，通過調整檢測信 號的增益實現各種檢測環境、各種檢測位置的自適應，同時兼顧了靈敏度和可靠性。在另一實施例中，如圖1所示，加樣系統還包括搖臂40，搖臂40固定在搖杆30上， 搖杆30可垂直移動和旋轉，搖臂40在搖杆30的帶動下，實現垂直移動和水平旋轉。採樣 針10設置在搖臂40上，在搖臂40的帶動下可到達目標位置。液面檢測裝置20設置在搖 臂40的腔體內，便於保護電路，並方便與採樣針的連接，採樣針10和液面檢測裝置20的連 接線距離短，可避免不必要的幹擾和失真。在另外的實施例中，運算放大器A的反饋電路還可通過其它電路形式實現。例如， 在如圖3所示的實施例中，反饋電路包括串聯在所述運算放大器A輸出端和反相輸入端之 間的模擬多路開關S及串聯在每路上的電阻，如圖3所示，有三路開關，每路連接一電阻，即 電阻Rl、R2、R3。模擬多路開關S的控制端與控制單元23的輸出端相連，用於根據控制指 令在多個電阻(例如電阻R1、R2、R3)之間進行切換。根據需要，可將模擬多路開關S與運 算放大器A的反相輸入端相連、電阻與運算放大器A的輸出端相連，如圖3所示，也可將模 擬多路開關S與運算放大器A的輸出端相連、而電阻與運算放大器A的反相輸入端相連。電阻Rl、R2、R3的阻值可根據需要設計。在如圖4所示的實施例中，反饋電路包括串聯在所述運算放大器A的輸出端和反 相輸入端之間的至少一個半導體開關Q和與所述半導體開關Q串聯的電阻R5，所述半導體 開關Q的控制端與控制單元23的輸出端相連，用於根據所述控制指令在導通和關斷狀態之 間進行切換，以控制電阻R5是否接入到反饋電路中，從而調整放大單元的增益。半導體開關Q和電阻R5組成的串聯電路還可以與連接在運算放大器A的輸出端 和反相輸入端之間的電阻R4並聯，通過控制半導體開關Q的開、關狀態，進行阻值的切換， 如開關管打開，為原電阻並聯一個其他電阻，使阻值減小。本領域技術人員可以根據所選擇的半導體開關Q的類型來具體設計半導體開關Q 與外圍電路的連接。本實施例中的反饋電路可以包括多個並聯的開關電路。上述實施例中，運算放大器還可以根據實際情況採用反相輸入組態。運算放大器 也可以被其他的放大器件所替代，例如三極體等，即放大單元包括放大器及其外圍電路，選 擇外圍電路中任一個可影響放大器的放大倍數的電阻作為可變電阻，該可變電阻接受控制 單元的控制，可進行阻值調節。上述實施例中，提到不同的位置可能具有不同的情況，在實際檢測中，同一位置在 不同時間也可能具有不同的情況，例如不同時間的溫度或溼度可能不同。不同的溫度或溼 度對採樣針的電容變化也有不同影響，為使液面檢測裝置適應不同的溫度或溼度，在一種 實施例中，液面檢測裝置還包括溫度傳感器，溫度傳感器的輸出端耦合到控制單元，控制單元根據溫度傳感器檢測的溫度信息輸出控制指令給放大單元，調整放大單元的增益，此時 產生控制指令所根據的環境信息包括溫度信息，控制指令中包括與溫度傳感器檢測的溫度 相對應的參數。也可以使控制單元同時根據位置信息和溫度信息來產生控制指令，這種情 況下，環境信息包括位置信息和溫度信息，放大單元根據採樣針所處的位置和當前環境溫 度來調整增益。同理，液面檢測裝置還可以包括溼度傳感器，溼度傳感器的輸出端耦合到控制單 元，控制單元根據溼度傳感器檢測的溼度信息輸出控制指令給放大單元，調整放大單元的 增益，此時產生控制指令所根據的環境信息包括溼度信息，控制指令中包括與溼度傳感器 檢測的溼度相對應的參數。也可以使控制單元同時根據位置信息和溼度信息來產生控制指 令，這種情況下，環境信息包括位置信息和溼度信息，放大單元根據採樣針所處的位置和當 前環境溼度來調整增益。根據上述描述，本領域技術人員還可以根據需要使環境信息中同時包括位置信 息、溫度信息和溼度信息，放大單元根據採樣針所處的位置和當前環境溫度、溼度來調整增
frff. o在又一實施例中，液面檢測裝置採用調節增益和變換電壓閾值的方法實現對採樣 針所處的環境的自適應。即在上述實施例的基礎上，控制單元還根據環境信息選擇更適合 的預設電壓閾值。液面檢測裝置採用調整後的增益對電壓進行放大，再將增益電壓和根據 環境信息選擇的電壓閾值進行比較，從而判斷採樣是否檢測到液面。在本實施例中，控制單 元不僅可以控制增益，同時還可以控制判斷條件，如電壓閾值等，將增益與判斷條件兩者綜 合控制，更靈活地使液面檢測裝置兼顧靈敏度和可靠性，實現自適應。綜上所述，在檢測液面過程中，不同位置和環境對檢測的要求不同，為了兼顧檢測 系統的靈敏度與可靠性，在每個特定位置設計相互獨立的電路參數，並可採用軟體命令的 方式進行選擇，使整個系統能夠同時滿足各種嚴格的要求，且可擴展適應位置的數量。以上內容是結合具體的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發 明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫 離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護 範圍。
8
權利要求
一種液面檢測裝置，其特徵在於包括控制單元，用於根據採樣針所處位置的環境信息輸出與所述環境信息對應的控制指令；放大單元，用於根據所述控制指令設定增益；轉換單元，用於接收採樣針輸出的電容信號，經過變換後輸出對應的電壓信號；所述放大單元接收所述電壓信號並將電壓信號按照設定的增益進行放大後輸出增益電壓信號；控制單元接收所述增益電壓信號，根據所述增益電壓信號判斷採樣針是否接觸液面。
2.如權利要求1所述的液面檢測裝置，其特徵在於，所述放大單元包括運算放大器和 用於將所述運算放大器輸出端信號反饋回反相輸入端的反饋電路；所述反饋電路與控制單 元的輸出端相連，用於接收所述控制指令並根據所述控制指令調整反饋阻抗。
3.如權利要求2所述的液面檢測裝置，其特徵在於，所述反饋電路包括串聯在所述運 算放大器輸出端和反相輸入端之間的反饋阻抗器，所述反饋阻抗器包括數字電位器、可變 電容和可變電感中的至少一種，且根據所述控制指令調整阻抗值。
4.如權利要求2所述的液面檢測裝置，其特徵在於，所述反饋電路包括串聯在所述運 算放大器輸出端和反相輸入端之間的模擬多路開關及串聯在每路上的電阻，所述模擬多路 開關的控制端與控制單元的輸出端相連，用於根據所述控制指令在多個電阻之間進行切 換。
5.如權利要求2所述的液面檢測裝置，其特徵在於，所述反饋電路包括串聯在所述運 算放大器輸出端和反相輸入端之間的至少一個半導體開關和與所述半導體開關串聯的電 阻，所述半導體開關的控制端與控制單元的輸出端相連，用於根據所述控制指令在導通和 關斷狀態之間進行切換。
6.如權利要求1至5中任一項所述的液面檢測裝置，其特徵在於，所述環境信息包括採 樣針所處位置的位置信息、溫度信息和溼度信息中的至少一個。
7.如權利要求6所述的液面檢測裝置，其特徵在於，所述液面檢測裝置還包括溫度傳 感器，所述溫度傳感器的輸出端耦合到所述控制單元；或所述液面檢測裝置還包括溼度傳 感器，所述溼度傳感器的輸出端耦合到所述控制單元。
8.如權利要求1至5中任一項所述的液面檢測裝置，其特徵在於，所述控制單元根據環 境信息選擇對應的預設電壓閾值，並將增益電壓信號與預設電壓閾值進行比較以判斷採樣 針是否接觸液面。
9.一種液面檢測方法，其特徵在於包括判斷採樣針所處的環境；根據採樣針所處環境的環境信息設定增益；對來自於採樣針的液面信號按照設定的增益進行放大處理；根據增益後的液面信號判斷採樣針是否接觸到液面。
10.如權利要求9所述的液面檢測方法，其特徵在於，在所述設定增益的步驟中，通過 調整運算放大器的反饋電路的阻抗實現增益的調整。
11.一種加樣系統，包括採樣針；其特徵在於，所述加樣系統還包括權1至8中任一項所述的液面檢測裝置，所述液面檢測裝置的轉換單元與採樣針相連。
12.如權利要求11所述的加樣系統，其特徵在於，所述加樣系統還包括搖臂，所述採樣 針設置在搖臂上，所述液面檢測裝置設置在搖臂的腔體內。
全文摘要
本發明公開了一種液面檢測裝置及其方法，包括控制單元，用於根據採樣針所處位置的環境信息輸出與所述環境信息對應的控制指令；放大單元，用於根據所述控制指令設定增益；轉換單元，用於接收採樣針輸出的電容信號，經過變換後輸出對應的電壓信號；所述放大單元接收所述電壓信號並將電壓信號按照設定的增益進行放大後輸出增益電壓信號；控制單元接收所述增益電壓信號，將增益電壓信號與預設電壓閾值進行比較並判斷採樣針是否接觸液面。本發明還公開了一種加樣系統。本發明能夠兼顧檢測系統的靈敏度與可靠性，可適應各種不同的檢測環境。
文檔編號G01F23/26GK101858770SQ20091010657
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月9日 優先權日2009年4月9日
發明者杜鵬, 翁彥雯, 陳躍平 申請人:深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司