一种机械移液器的制作方法

1.本发明涉及实验室器材技术领域，具体地是涉及一种机械移液器。


背景技术：

2.移液器主要用于对液体进行移取、分配等操作，是实验室最常用的仪器设备之一，也是最有可能影响实验结果的仪器之一。目前常用的移液器主要是手动机械移液器，由于其价格便宜，使用简单，得到了广泛使用。机械移液器的实现原理是：通过旋转容量调节轮改变活塞行程进而实现移液容量的调整，活塞行程通过机构关联到机械计数轮读数，由于活塞行程与计数轮容量度数存在对应关系，当活塞行程改变的同时计数轮读数也跟随着改变。由于传统机械移液器本身全部由机械零件组成实现，不可避免的存在着如下缺点：
3.1.读数问题。其容量的读数由机械计数器提供，限制于机械移液器自身的体积，绝大部分机械计数器的窗口都比较小而且提供的数字0-9识别度低，导致用户对设定容量的读取不是太容易；
4.2.移液精度及校准问题。根据机械移液器的设计原理，其移液精准度对零件的精度、材料、装配、制造等等要求较高；虽然机械移液器也提供校准功能，但校准操作比较复杂，一般的操作过程如下：需要使用工具将计数轮与行程分离，使活塞杆与调节轮的联动取消后，调整机械计数器读数与实际移液体积一致，才能完成校准，并且只能提供一个校准点，因此无法满足全量程范围内高精准度的要求。
5.因此，本发明的发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种机械移液器，将机械结构与电子技术相结合，经微处理器数据计算以及校准处理，得到容量值，最后通过屏幕显示，进而具有更高容量调节精度，且容易操作，便于读取数值等。
7.本发明采用以下技术方案：
8.一种机械移液器，其包括移液器本体及设置在所述移液器本体下端的移液头，所述移液器本体内设置有用于调整活塞行程的容量调节组件，所述容量调节组件由所述移液器本体上端的容量调节旋钮驱动；所述移液器本体内设置有滑动变阻器，所述滑动变阻器的滑片由所述容量调节旋钮驱动，所述滑动变阻器的行程与所述容量调节组件的调节行程适配；所述移液器本体内还设置有微处理器，所述微处理器上设置有电信号转换模块，所述电信号转换模块将所述滑动变阻器的位置信号和所述移液器本体内的活塞行程信号转换成电子信号后，经微处理器计算得到设定容量值，并在所述移液器本体上的显示屏显示。
9.优选的，所述容量调节组件包括与移液器的容量调节旋钮同步转动的调节连动杆，所述调节连动杆为中空杆，移液器的活塞按压杆设置在所述调节连动杆内部并同轴设置，所述调节连动杆的外侧套设有调节筒，所述调节筒随所述调节连动杆同步转动，所述调节筒的外部套设有支撑筒，所述支撑筒固定在移液器的壳体内部，所述支撑筒的内腔中设
置有内螺纹，所述调节筒的外部设置有与所述内螺纹啮合的外螺纹；所述调节筒随所述容量调节旋钮转动的同时进行轴向移动，所述调节筒的下端驱动所述滑动变阻器的滑片移动以进行容量设定。
10.优选的，在所述调节筒的下端与所述活塞按压杆配合的位置处，在所述活塞按压杆上设置限位槽，所述限位槽内安装有活塞按压挡圈，所述活塞按压挡圈与所述调节筒的底部抵触。
11.优选的，所述机械移液器本体的内部设置有适于所述调节筒进行轴向移动的行程空间，所述行程空间的轴向长度大于所述滑动变阻器的滑片行程
12.优选的，所述移液器本体内设置有移液器排空组件，所述移液器排空组件适于将移液头内的液体完全排出；所述移液器排空组件设置在所述行程空间的底部。
13.优选的，所述移液器排空组件的底部设置有弹性垫，所述移液器排空组件的底部与所述行程空间的底部通过所述弹性垫弹性接触。
14.优选的，所述移液排空组件包括排空支座，所述排空支座与所述活塞按压杆同轴设置，所述排空支座安装在所述行程空间的底部，并嵌装在所述移液器本体的壳体的内侧，所述排空支座的侧边设置有至少两个向所述调节筒一侧延伸的行程导向臂，所述行程导向臂之间围合而成的空间内设置有第二复位弹簧，所述第二复位弹簧为螺旋弹簧，所述螺旋弹簧与所述活塞按压杆同轴设置，所述第二复位弹簧的下端固定连接在所述排空支座上，所述第二复位弹簧的上端连接有限位板，。
15.优选的，所述限位板的与所述行程导向臂对应的位置设置有导向槽，所述行程导向臂部分或全部嵌入所述导向槽。
16.优选的，所述移液器本体的活塞腔的外侧套设有用于将移液头顶出的推头，所述推头与推头连杆的下端连接，所述推头连杆设置在所述壳体内侧，所述推头连杆的上端与推头按压帽连接，所述推头按压帽设置在所述壳体上端的一侧，所述壳体上端的内侧设置有用于将所述推头按压帽在按压后向上复位的第三复位弹簧。
17.优选的，所述移液器本体内设置有电池，所述电池与所述微处理器电连接以提供电量。
18.优选的，所述移液器本体的上端设置有活塞按压帽，所述活塞按压帽设置在活塞按压杆的上端；所述容量调节旋钮为圆筒形结构，所述活塞按压帽的下端置于所述容量调节旋钮的圆筒腔内。
19.采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：
20.本发明所述的机械移液器，提供友好的容量读数显示以及对设定容量精度的控制，能够通过微处理器进行校准操，由于容量的调节部分是由手动驱动滑动变阻器进行调节容量，滑动变阻器的滑片位置始终与调节活塞位置一一对应，因此能在断电后重新上时电无需校准即可使用。
附图说明
21.图1是本发明的机械移液器的剖视结构示意图；
22.图2是本发明的机械移液器去除移液头的主视结构示意图；
23.图3是本发明的容量调节组件与活塞按压帽、容量调节旋钮配合的结构示意图；
24.图4是图5的a部位局部放大图；
25.图5是本发明的移液器排空组件与活塞按压杆配合的结构示意图；
26.图6是本发明的容量调节组件沿轴向投影的剖视结构示意图；
27.图7是本发明的机械移液器容量调校的拟合曲线；
28.图8是本发明的机械移液器的电气原理图。
29.图中附图标记表示为：
30.100-机械移液器本体；101-行程空间；1-壳体；2-活塞按压帽；3-活塞按压杆；31-限位槽；32-活塞按压挡圈；33-排空支座；34-行程导向臂；35-限位板；36-导向槽；37-弹性垫；4-活塞；5-活塞腔；6-移液头；71-第一复位弹簧；72-第二复位弹簧；73-第三复位弹簧；8-容量调节旋钮；9-容量调节组件；91-调节连动杆；92-调节筒；920-外螺纹；921-凹槽；93-支撑筒；930-内螺纹；11-滑动变阻器；12-滑片；13-显示屏；15-推头；16-推头连杆；17-推头按压帽；18-屏幕唤醒按键；19-电池。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.参见图1-3，一种机械移液器，其包括移液器本体100及设置在所述移液器本体100下端的移液头6，所述移液器本体1内设置有用于调整活塞行程的容量调节组件9，所述容量调节组件9由所述移液器本体1上端的容量调节旋钮8驱动；所述移液器本体100内设置有滑动变阻器11，所述滑动变阻器11的滑片12由所述容量调节旋钮8驱动，所述滑动变阻器11的行程与所述容量调节组件9的调节行程适配；所述移液器本体100内还设置有微处理器(常规微处理芯片即可满足要求，如ti德州仪器的msp430低功耗单片机，图中未示出)，所述微处理器上设置有电信号转换模块，所述电信号转换模块将所述滑动变阻器11的位置信号和所述移液器本体100内的活塞行程信号转换成电子信号后，经微处理器计算得到设定容量值，并在所述移液器本体上的显示屏13显示。本发明的机械移液器采用手动调节与电子信号采集、显示的组合方式，克服了传统手动移液器调节精度低，操作不便，且读书不准的问题，并相对纯电子移液器具有明显的价格和成本优势，因此具有较好的市场空间，适合于实验室工作人员的大力普及应用。
33.参见图1，本机械移液器本体100包括移液器壳体1，所述移液器壳体1的上端设置有活塞按压帽2，所述活塞按压帽2的下端与活塞按压杆3的上端连接，所述活塞按压杆3的下端与活塞4的上端连接，所述活塞4设置在活塞腔5内，所述活塞腔5的下端与用于抽取液体的移液头6连接，所述活塞按压杆3设置在所述壳体1内部，所述活塞4上设置有用于将所述活塞4向上复位的第一复位弹簧71，所述容量调节旋钮8套设在所述活塞按压帽2外侧，所述容量调节组件9与所述容量调节旋钮8同步正向或反向转动，所述容量调节组件9根据所述容量调节旋钮8的转动情况，进而带动所述活塞按压杆3和所述活塞4向上或向下运动，以使所述活塞腔5调整至设定的移液容量行程。
34.参见图1、图3-6，本实施例的所述容量调节组件9包括与所述容量调节旋钮8同步
转动的调节连动杆91，所述调节连动杆91为中空杆，所述活塞按压杆3设置在所述调节连动杆91内部并同轴设置，所述调节连动杆91的外侧套设有调节筒92，所述调节筒92随所述调节连动杆91同步转动，所述调节筒92的外部套设有支撑筒93，所述支撑筒93固定在所述壳体1内部，所述支撑筒93的内腔中设置有内螺纹930，所述调节筒92的外部设置有与所述内螺纹930啮合的外螺纹920，所述滑动变阻器11的滑片12连接在所述调节筒92的下端外侧壁上。参见图1、图3-4，所述调节筒92的下端外侧设置有一圈环形的凹槽921，所述滑动变阻器11的滑片12的自由端嵌入所述凹槽内，所述调节筒920通过周向转动以进行轴向移动时，通过所述凹槽921驱动所述滑片12移动，进而实现对移液容量的设定。在所述调节筒92的下端与所述活塞按压杆3配合的位置处，所述活塞按压杆3上设置限位槽31，所述限位槽31内安装有活塞按压挡圈32，所述活塞按压挡圈32与所述调节筒92的底部抵触，所述容量调节旋钮8驱动所述调节筒92向下移动时，所述调节筒92向下抵触并压迫所述活塞按压挡圈32，驱动活塞按压杆3向下运动，进而驱动活塞4向下运动，以达到调整活塞腔5内移液量的目的。
35.本实施例的所述机械移液器本体100的内部设置有适于所述调节筒92进行轴向移动的行程空间101，所述行程空间101的轴向长度大于所述滑动变阻器11的滑片行程；在所述行程空间101的底部，设置有移液器排空组件，该移液器排空组件的上侧与所述调节筒92之间为移液容量调节行程；当移液容量设定完毕后，向下按压所述活塞按压帽2，进而驱动所述活塞按压杆3、活塞按压挡圈32、活塞4向下运动，当所述活塞按压挡圈32恰好抵触到所述移液器排空组件时，恰好达到设定的容量，然后将移液头浸入待移取液体中，松开活塞按压帽，在第一复位弹簧71的弹力作用向，活塞4及活塞按压杆3向上复位，活塞腔内由于活塞的向上复位形成负压，进而同时将液体吸入移液管内。在将吸入的液体排出至相关容器时，由于移液头的尖部存在毛细效应，若仍将活塞按压帽按压至活塞按压挡圈32与移液器排空组件接触，则此时难以完全将移取的液体完全排出。而设置移液器排空组件的目的即为增加一个排空行程，使得液体排出时能够进一步压缩移液器排空组件，进而活塞在设定容量的基础上能够进一步向下按压一定行程，以将活塞腔内的液体完全排出。
36.参见图1、图5，本实施例的所述移液器排空组件具体包括排空支座33，所述排空支座33与所述活塞按压杆3同轴设置，所述排空支座33安装在所述行程空间101的底部，并嵌装在壳体1的内侧，所述排空支座33的侧边设置有两个向所述调节筒92一侧竖直延伸的行程导向臂34，两个所述行程导向臂34之间围合成的空间内设置有第二复位弹簧72，所述第二复位弹簧72的压缩行程即为排空行程，所述第二复位弹簧72为螺旋弹簧，与所述活塞按压杆3同轴设置，所述第二复位弹簧72的下端固定连接在所述排空支座33上，所述第二复位弹簧72的上端连接有限位板35，在进行移液器组装校准时，将所述调节筒92向下运动至所述活塞按压挡圈32与所述限位板35的上表面接触；而所述活塞按压挡圈32与所述限位板35接触后进一步向下按压，并使所述第二复位弹簧受压收缩时，则进入排空行程。
37.参见图5，本实施例的所述限位板35与所述行程导向臂对应的位置设置有导向槽36，所述行程导向臂34部分嵌入所述导向槽内，进而实现限位板能够在所述行程导向臂的引导下进行上下移动。
38.由于在组装过程中难免存在因工艺问题导致的结构性误差，进而对移液容量调节产生误差，为了进一步减小误差，提高移液精度，在所述排空支座33的底部设置有一弹性垫37，所述弹性垫37的优选o形密封圈，在按压活塞按压帽进行移液时，可通过活塞按压挡圈
32对限位板施加正常的操作力度，进而实现对结构误差的弥补，达到进一步提高移液精度的目的。本实施例的所述滑动变阻器11与所述微处理器电连接，所述微处理器根据所述滑动变阻器11的电阻变化将设定的移液容量显示在所述壳体1外侧的显示屏13上；所述微处理器、所述滑动变阻器11由电池19供电。本实施例的带显示屏的机械移液器的活塞行程与滑动变阻器阻值之间存在线性关系，经微处理器将电阻值转换为电压值，再经微处理器上的adc模数转换器得到数字量通过微处理器的软件进行数据拟合处理，进而得到设定容量，最后通过显示屏显示。本实施例的手动移液器设定容量精度较高，读取示数方便，极大地方便了操作者使用。
39.参见图1，本实施例中，所述活塞腔5的外侧套设有用于将移液头6顶出的推头15，所述推头15与推头连杆16的下端连接，所述推头连杆16设置在所述壳体1内，所述推头连杆16的上端与推头按压帽17连接，所述推头按压帽17设置在所述壳体1上端的一侧，所述壳体1内侧设置有用于将所述推头按压帽17在按压后向上复位的第三复位弹簧73。
40.为了达到节省电量并便于观察和操作的目的，在壳体1的外侧设置有屏幕唤醒按键18，移液器在设定时间内误操作时，即微处理器自行关闭显示屏，而若要快速查看显示屏上的参数，则直接按压屏幕唤醒按键18即可。
41.本实施例的所述活塞按压帽2设置在活塞按压杆3的上端；所述容量调节旋钮8为圆筒形结构，所述活塞按压帽2的下端置于所述容量调节旋钮8的圆筒腔内，并适于沿容量调节旋钮8的内腔进行上、下按压动作。
42.本实施例的机械移液器在旋转容量调节旋钮时将带动容量调节组件旋转，进而带动滑动变阻器上的滑块位移，由于容量调节行程与变阻器阻值之间存在线性关系，经模拟采样电路将电阻值转换为电压值，再经12位adc模数转换器得到数字量通过微处理器的进行数据校准处理，进而得到设定容量，最后通过显示屏显示。
43.本实施例的所述电源为设置在所述壳体1内部的电池19或电池组，在其他实施例中也可以通过导线外接电源。
44.参见图7，结构设计及硬件电路设计原理说明：假设滑动变阻器总电阻为r，滑动变阻器总行程为lr，微处理器的adc参考电源与滑动变阻器的电源为同一经过稳压滤波的电压源vref，adc为微处理器内部集成，分辨率为12位(12位adc，参考电压为vref，这也意味着当adc输入信号电压为vref时，adc数值为2
12
(4096))，滑动变阻器的滑片至参考地gnd之间电阻为r1，对应的分压值以及滑片滑动行程为u1和l1；滑片至电压源vref之间的电阻为r2，对应的分压值以及滑片滑动行程为u2和l2，显然，u1+u2＝vref，r＝r1+r2，lr＝l1+l2，r1/r＝l1/lr；根据结构设计，当通过容量调节旋钮增大设定移液容量时，活塞行程增大同时带动滑动变阻器滑片往上走，使得电阻r1减小，u1也减小；当减小设定移液容量时，活塞行程减小同时带动滑片往下走，电阻r1增大，u1也增大；显然，滑片位置与活塞行程具有相关联，通过获取u1的值可获得活塞的行程位置，现将u1经电压跟随器进行阻抗变换后输出至单片机adc管脚，由单片机进行数据处理，得到数字量为n1，进而获得设定容量。
45.为进一步说明计算过程，现定义移液器结构各参数如下：活塞横截面积为s，单位：mm2；活塞当前行程为l，单位：mm；设定容量为v，v＝s*l，单位：mm3，其中最大容量为vmax，最小容量为vmin，在最大容量和最小容量下，对应的最大行程为lmax；对应的最小行程为lmin，显然，最理想的结构设计是当调节容量值最大vmax时，电阻r1为0，当调节容量值最小
vmin时，电阻r1为r。
46.电阻r1上电压信号u1为：u1＝r1/r*vref，因此adc转换后的数字量n1＝4096*u1/vref＝r1/r*4096；根据上述滑动变阻器的原理r1/r＝l1/lr，可得l1/lr＝n1/4096；因此通过单片机(也即微处理器)采样获得的数字量n1可获得滑动变阻器滑片位于整个滑动变阻器上的位置，根据结构设计，滑片位置与活塞位置一一对应，因此通过获得滑片位置即可获得活塞位置，进而获得设定容量。例如：当结构设计为活塞位置最大lmax时，l1为0，活塞位置则为l-l1，则设定容量为v＝s*(l-l1)＝s*(l-n1/4096*lr)；其中s、l、lr都为确定量，n1可通过单片机获得，因此在理论上只要通过微处理器获得n1值即可得到设定容量v。
47.但是实际上由于所有的机械零件、传感器、adc数模转换器、电源以及装配过程等诸多误差的存在，使得仅仅通过软件进行理论计算得到的容量与真实的容量值是存在偏差的，因此本发明采用了传感器及微电子技术，使得校准变得非常方便，而且可通过微处理器的内嵌软件进行多点校准，极大的提高了移液器的精准度，这是传统手动机械移液器所无法比拟的，当然通过采用更高分辨率的adc转换器，可进一步提高测量精度，使得移液精度将远远高于行业的精度要求；校准实际操作如下：
48.1.进入校准模式。通过长按按键或者pc通信命令等特定方式，进入校准模式，移液器显示屏上可单独显示：校准模式。
49.2.采集校准点数据并保存。对于一把没有经过标定的移液器，则初始化的情况下，可以按照获取的adc值根据理论设计得到设定容量并显示，或者如果是已经校准过的移液器，则可使用现有的校准数据显示。此时根据iso_8655-6_2002en标准下的校准操作，通过操作容量调节轮达到校准点，此时微处理器获取当前adc数值，对移取的液体进行称重计量得到实际移液体积，通过将实际移液体积输入微处理器内，此完成一个点的校准操作，根据需要可依次按照上述方法获得多个容量校准数据；很显然数据点越多，经软件拟合后精度越高；一般情况下，我们都采用3点校准，采集完成后，将校准数据保存内flash内并退出校准模式。
50.3.拟合计算以及容量显示。微处理器通过当前计数值以及校准数据，进行拟合校准算法处理，即可得到精准的设定容量。现通过一个实例进行说明；本实例采用的滑动变阻器为日本alps公司的rdc1022a05，单片机adc分辨率为12位，校准移液器容量范围为100～1000ul，结构设计为设定容量最大(1000ul)时，电阻r1为0；经上述校准操作，得到校准数据如下所示：
51.设定容量实际adc值实际容量1000ul10998ul550ul2048552ul100ul409699ul
52.拟合的曲线如图8所示，根据拟合曲线以及单片机采样得到的adc值，即可获得设定容量，如当单片机adc采样得到3000时，可得到设定容量v为(3000-2048)/(4096-2048)＝(552-v)/(552-99),得到v为341.4ul，当然，可采用更多的线性已经多次方程等算法进行拟合，上述仅仅是算法之一。
53.由于滑动变阻器的滑片位置始终与调节活塞位置一一对应，因此在电池断电等需要进行系统重启的情况，均无需进行任何复位操作。
54.本发明所述机械移液器，提供友好的容量读数显示以及对设定容量精度的控制，友好的校准操作以及误触提醒功能；其通过高精度adc模数转换器对位置传感器提供的活塞行程信号采样并转换为数字信号，经微处理器计算以及标定数据的拟合算法，可得到极高的设定容量值并通过显示屏显示。同时，由于滑动变阻器为绝对值类型的传感器，即使移液器断电或者软件复位后，通过获取当前adc值得到设定容量，无需任何附加的操作，即可实现开机正常使用。
55.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。