专利名称：液面检测装置及加样系统的制作方法
液面检测装置及加样系统
技术领域：
本发明涉及一种加样系统，尤其涉及加样系统中的液面检测装置。背景技术：
在医疗领域中，经常需要用加样系统实现检测样本和/或反应液的取样和加样。 在加样系统中，采用液面检测的方式进行采样针的定位，即采样针接触到目标液面后，迅速 确认并停止运动，再执行下一任务。该功能由液面检测装置实现。液面检测装置将采样针的电容变化转换成电压变化，并对此变化进行判断，以确 定是否检测到液面。实际操作中，因检测的位置的具体条件不同，对采样针的电容变化的影 响也不同，导致检测的结果也有不同。例如，当采样针进入导电环境(如金属容器)时自身 电容变化较明显，容易在该位置误报液面；而对于塑料容器或液体量很少的条件下，采样针 电容变化较弱，导致检测的灵敏度下降，即使接触液面也不易迅速产生结果。对于液面检测 装置，我们要求既能够灵敏的检测到液面，又必须在无液体环境下避免误检。而传统的液面 检测装置难以兼顾此类要求，当系统需要在各种复杂环境检测时，容易造成测试结果错误。
发明内容本发明要解决的主要技术问题是，提供一种能够适应不同检测环境的液面检测装 置，兼顾检测系统的灵敏度与可靠性。根据本发明的一方面，提供一种液面检测装置，包括控制单元，用于根据采样针 所处位置的环境信息输出与所述环境信息对应的控制指令；放大单元，用于根据所述控制 指令设定增益；转换单元，用于接收采样针输出的电容信号，经过变换后输出对应的电压信 号；所述放大单元接收所述电压信号并将电压信号按照设定的增益进行放大后输出增益电 压信号；控制单元接收所述增益电压信号，根据所述增益电压信号判断采样针是否接触液 面。根据本发明的另一方面，提供一种液面检测方法，包括判断采样针所处的环境；根据采样针所处环境的环境信息设定增益；对来自于采样针的液面信号按照设定的增益进行放大处理；根据增益后的液面信号判断采样针是否接触到液面。同时，本发明还提供一种加样系统，包括采样针和所述的液面检测装置，采样针 用于探测液面，并在接触液面后产生变化的电容值，所述液面检测装置的转换单元与采样 针相连。
图1为本发明一种实施例的电路图；图2为本发明一种实施例的流程图3为本发明另一种实施例的电路图；图4为本发明又一种实施例的电路图。
具体实施方式下面通过具体实施方式
结合附图对本发明作进一步详细说明。根据本发明，液面检测装置根据采样针所处的环境来设定放大单元的增益倍数， 对来自于采样针的液面信号按照设定的增益进行放大处理，然后根据增益后的液面信号判 断采样针是否接触到液面。如果采样针进入的环境对采样针的电容的影响比较大，采样针的电容变化会比较 明显，则可适当调低放大单元的增益，在保证灵敏度的基础上判断采样针是否检测到液面， 避免在采样针还没有接触到液面时却产生检测到液面的误报。如果采样针进入的环境对采 样针的电容的影响比较小，采样针的电容变化会比较弱，则可适当调高放大单元的增益，在 保证可靠性的基础上判断采样针是否检测到液面，避免实际上采样针已接触到了液面而系 统却没有判断出来。从而液面检测装置通过设定与采样针所处环境相对应的增益，可兼顾 检测系统的灵敏度与可靠性，因此本液面检测装置可适应各种不同的检测环境。请参考图1，加样系统包括采样针10和液面检测装置20，其中采样针10用于探测液面，并在接触液面后产生变化的电容值。采样针通常采用双 套管型的结构，内外套管之间产生电容效应，可等效成一个电容。当采样针接触到液面时， 其等效电容值会产生变化。如果将采样针和液面检测装置相连，可通过液面检测装置来检 测采样针的电容信号，通过对该电容信号进行监测，可判断出采样针是否接触到液面。因采样针输出的是电容，在通常的实施例中，先将电容转换成电压，可采用直接转 换的方式，也可采用间接转换的方式，例如将电容先转换为电流，再将电流转换成电压。在一种实施例中，液面检测装置20包括转换单元21、放大单元22和控制单元23， 控制单元23控制采样针10移动到某个位置，同时根据采样针10需要移动到目标位置的位 置信息来生成相应的控制指令并发送给放大单元22。放大单元22根据该控制指令调整增 益。在加样系统中，不同的位置具体情况不同，例如，该位置处于金属环境中，反应盘是金属 盘，或反应杯是金属杯都会使采样针进入该位置后处于金属环境中，再例如塑料容器或液 体量很少的条件。但要控制采样针移动到哪个位置控制单元是知道的，因此控制单元可根 据采样针移动的目标位置来控制放大单元的增益。转换单元21不断接收采样针10输出的 电容信号，经过变换后输出对应的电压信号。放大单元22接收转换单元21输出的电压信 号并将电压信号按照调整后的增益倍数进行放大。控制单元23接收放大单元22输出的增 益电压信号，将增益电压信号与预设电压阈值进行比较并判断采样针10是否接触液面。控 制单元23可以是可直接对模拟信号进行采集、模数转换处理的处理器；也可以是分立的一 个电路模块，例如控制单元23可以包括采样单元、A/D转换单元和处理器的一个电路模块。 控制单元23还可以根据增益电压信号的斜率来判断采样针是否接触到液面，例如将增益 电压信号的斜率和阈值进行比较从而判断采样针是否接触到液面。在本实施例中，放大单元22包括运算放大器A及其反馈电路，反馈电路用于将运 算放大器A输出端信号反馈回反相输入端，运算放大器A的增益与反馈电路的阻抗参数有 关，运算放大器A和反馈电路共同完成对输入信号的放大。本实施例中，运算放大器A采用
5同相输入组态，反馈电路包括反馈电阻Rf。转换单元21输出的电压信号进入运算放大器A 的同相输入端，运算放大器A的输出端的反馈信号通过反馈电阻Rf、电阻R加到反相输入 端，引入负反馈。为调整运算放大器A的增益，可将反馈电路与控制单元23的输出端相连，控制单 元将根据采样针10所处的位置的环境信息输出相应的控制信号给反馈电路，反馈电路根 据控制指令调整反馈阻抗。本实施例中，反馈电阻Rf为数字电位器，其控制端接收控制单元23的输出的控制 指令，控制滑动端滑动到相应的位置，为运算放大器A提供合适的反馈阻抗。本实施例中，反馈电阻Rf还可被电容或电感元件所替代，或反馈电阻Rf还可以和 电容或电感元件通过串联、并联或串并联的方式一起构成反馈阻抗器，实现运算放大器的 反馈电路。液面检测装置检测液面的方法如图2所示，包括以下步骤在步骤S101中，在采样针运动到目标位置之前，控制单元先根据预先的设计或用 户的指令判断采样针需要移动到的目标位置，每个目标位置具有与其相对应的环境信息， 在本实施例中，环境信息包括位置信息。控制单元确定位置信息后执行步骤S102，向数字电 位器发送控制指令，指令内容包含采样针所处位置对应的位置信息，然后执行步骤S103。在步骤S103中，数字电位器接受该指令后，按照要求进行阻值设置，即调整放大 电路的增益，然后执行步骤S104。在步骤S104中，设置完成后，采样针再到指定位置进行检测，采样针产生的针电 容变化经过处理，在该调整后的增益条件下，得到对应的电压变化，再由控制单元将增益后 的电压与预设电压阈值进行比较判断，确认采样针是否检测到液面，然后执行步骤S105。在步骤S105中，控制单元将其判断结果上传，然后执行步骤S106，执行下一任务， 例如控制采样针执行下一动作，例如吸样。再根据要求，按上述步骤调整数字电位器设置，实现对检测环境的自适应。下面以一特殊检测环境说明液面检测装置的工作过程针对系统要求的特殊检测环境的特点，如图1所示，例如处于紧密金属包围的反 应杯50或液体死体积要求非常小的容器60等(死体积为系统所能正常检测的最小液体体 积，在该体积以下值时，系统将不能保证正常的检测与吸样，例如系统要求某容器的死体 积为50ul，而系统要求的单次吸样量为10ul，则在60ul以上样本量时，均能保证支持最少 一次的正常测试任务，而60ul以下样本量时，则不保证测试结果正确)，控制单元23向放大 单元22发送增益控制指令26，对数字电位器Rf进行阻值设置，从而确定该条件下的电路 增益；设置完成后，采样针10到该目标位置执行任务，电容_电压转换单元21将采样针10 感应的电容变化24转换成电压变化25输出，该电压变化经可控增益放大单元22处理后， 得到待分析的模拟信号27，再经过控制单元23分析判断，最终确定是否检测到液面，并将 判断结果28上传。系统要求采样针在反应杯(反应盘为金属材料)中无任何液体时不能发生误报， 且能够正常检测到杯中120ul以上的液体。因采样针容易受金属环境影响，进入其中针电 容将发生显著变化，因此在该处需降低增益，以减少较大的针电容变化对应的电压变化。 通过实验及计算，在该处采用上述方法，由控制单元设置数字电位器阻值为总阻值的0. 32倍，对应增益约为4. 1，可满足上述要求。同时系统要求的各种样本死体积量非常小，例如一 种特殊形状容器，仅为20ul，因此在该处需提高增益，放大较小的针电容变化对应的电压变 化，设置数字电位器阻值为总阻值的0. 85倍，对应增益约为11，也可满足要求。对于系统同 时要求的其他检测环境，均可采用同样方法实现。在上述检测流程中，检测位置及环境由系统设计决定，对应的各位置电路增益，即 数字电位器阻值由测量及计算获得，并可根据要求灵活调整。本实施例中采用数字电位器的方式实现运算放大器的增益调整，通过调整检测信 号的增益实现各种检测环境、各种检测位置的自适应，同时兼顾了灵敏度和可靠性。在另一实施例中，如图1所示，加样系统还包括摇臂40，摇臂40固定在摇杆30上， 摇杆30可垂直移动和旋转，摇臂40在摇杆30的带动下，实现垂直移动和水平旋转。采样 针10设置在摇臂40上，在摇臂40的带动下可到达目标位置。液面检测装置20设置在摇 臂40的腔体内，便于保护电路，并方便与采样针的连接，采样针10和液面检测装置20的连 接线距离短，可避免不必要的干扰和失真。在另外的实施例中，运算放大器A的反馈电路还可通过其它电路形式实现。例如， 在如图3所示的实施例中，反馈电路包括串联在所述运算放大器A输出端和反相输入端之 间的模拟多路开关S及串联在每路上的电阻，如图3所示，有三路开关，每路连接一电阻，即 电阻Rl、R2、R3。模拟多路开关S的控制端与控制单元23的输出端相连，用于根据控制指 令在多个电阻(例如电阻R1、R2、R3)之间进行切换。根据需要，可将模拟多路开关S与运 算放大器A的反相输入端相连、电阻与运算放大器A的输出端相连，如图3所示，也可将模 拟多路开关S与运算放大器A的输出端相连、而电阻与运算放大器A的反相输入端相连。电阻Rl、R2、R3的阻值可根据需要设计。在如图4所示的实施例中，反馈电路包括串联在所述运算放大器A的输出端和反 相输入端之间的至少一个半导体开关Q和与所述半导体开关Q串联的电阻R5，所述半导体 开关Q的控制端与控制单元23的输出端相连，用于根据所述控制指令在导通和关断状态之 间进行切换，以控制电阻R5是否接入到反馈电路中，从而调整放大单元的增益。半导体开关Q和电阻R5组成的串联电路还可以与连接在运算放大器A的输出端 和反相输入端之间的电阻R4并联，通过控制半导体开关Q的开、关状态，进行阻值的切换， 如开关管打开，为原电阻并联一个其他电阻，使阻值减小。本领域技术人员可以根据所选择的半导体开关Q的类型来具体设计半导体开关Q 与外围电路的连接。本实施例中的反馈电路可以包括多个并联的开关电路。上述实施例中，运算放大器还可以根据实际情况采用反相输入组态。运算放大器 也可以被其他的放大器件所替代，例如三极管等，即放大单元包括放大器及其外围电路，选 择外围电路中任一个可影响放大器的放大倍数的电阻作为可变电阻，该可变电阻接受控制 单元的控制，可进行阻值调节。上述实施例中，提到不同的位置可能具有不同的情况，在实际检测中，同一位置在 不同时间也可能具有不同的情况，例如不同时间的温度或湿度可能不同。不同的温度或湿 度对采样针的电容变化也有不同影响，为使液面检测装置适应不同的温度或湿度，在一种 实施例中，液面检测装置还包括温度传感器，温度传感器的输出端耦合到控制单元，控制单元根据温度传感器检测的温度信息输出控制指令给放大单元，调整放大单元的增益，此时 产生控制指令所根据的环境信息包括温度信息，控制指令中包括与温度传感器检测的温度 相对应的参数。也可以使控制单元同时根据位置信息和温度信息来产生控制指令，这种情 况下，环境信息包括位置信息和温度信息，放大单元根据采样针所处的位置和当前环境温 度来调整增益。同理，液面检测装置还可以包括湿度传感器，湿度传感器的输出端耦合到控制单 元，控制单元根据湿度传感器检测的湿度信息输出控制指令给放大单元，调整放大单元的 增益，此时产生控制指令所根据的环境信息包括湿度信息，控制指令中包括与湿度传感器 检测的湿度相对应的参数。也可以使控制单元同时根据位置信息和湿度信息来产生控制指 令，这种情况下，环境信息包括位置信息和湿度信息，放大单元根据采样针所处的位置和当 前环境湿度来调整增益。根据上述描述，本领域技术人员还可以根据需要使环境信息中同时包括位置信 息、温度信息和湿度信息，放大单元根据采样针所处的位置和当前环境温度、湿度来调整增
frff. o在又一实施例中，液面检测装置采用调节增益和变换电压阈值的方法实现对采样 针所处的环境的自适应。即在上述实施例的基础上，控制单元还根据环境信息选择更适合 的预设电压阈值。液面检测装置采用调整后的增益对电压进行放大，再将增益电压和根据 环境信息选择的电压阈值进行比较，从而判断采样是否检测到液面。在本实施例中，控制单 元不仅可以控制增益，同时还可以控制判断条件，如电压阈值等，将增益与判断条件两者综 合控制，更灵活地使液面检测装置兼顾灵敏度和可靠性，实现自适应。综上所述，在检测液面过程中，不同位置和环境对检测的要求不同，为了兼顾检测 系统的灵敏度与可靠性，在每个特定位置设计相互独立的电路参数，并可采用软件命令的 方式进行选择，使整个系统能够同时满足各种严格的要求，且可扩展适应位置的数量。以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发 明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护 范围。
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权利要求
一种液面检测装置，其特征在于包括控制单元，用于根据采样针所处位置的环境信息输出与所述环境信息对应的控制指令；放大单元，用于根据所述控制指令设定增益；转换单元，用于接收采样针输出的电容信号，经过变换后输出对应的电压信号；所述放大单元接收所述电压信号并将电压信号按照设定的增益进行放大后输出增益电压信号；控制单元接收所述增益电压信号，根据所述增益电压信号判断采样针是否接触液面。
2.如权利要求1所述的液面检测装置，其特征在于，所述放大单元包括运算放大器和 用于将所述运算放大器输出端信号反馈回反相输入端的反馈电路；所述反馈电路与控制单 元的输出端相连，用于接收所述控制指令并根据所述控制指令调整反馈阻抗。
3.如权利要求2所述的液面检测装置，其特征在于，所述反馈电路包括串联在所述运 算放大器输出端和反相输入端之间的反馈阻抗器，所述反馈阻抗器包括数字电位器、可变 电容和可变电感中的至少一种，且根据所述控制指令调整阻抗值。
4.如权利要求2所述的液面检测装置，其特征在于，所述反馈电路包括串联在所述运 算放大器输出端和反相输入端之间的模拟多路开关及串联在每路上的电阻，所述模拟多路 开关的控制端与控制单元的输出端相连，用于根据所述控制指令在多个电阻之间进行切 换。
5.如权利要求2所述的液面检测装置，其特征在于，所述反馈电路包括串联在所述运 算放大器输出端和反相输入端之间的至少一个半导体开关和与所述半导体开关串联的电 阻，所述半导体开关的控制端与控制单元的输出端相连，用于根据所述控制指令在导通和 关断状态之间进行切换。
6.如权利要求1至5中任一项所述的液面检测装置，其特征在于，所述环境信息包括采 样针所处位置的位置信息、温度信息和湿度信息中的至少一个。
7.如权利要求6所述的液面检测装置，其特征在于，所述液面检测装置还包括温度传 感器，所述温度传感器的输出端耦合到所述控制单元；或所述液面检测装置还包括湿度传 感器，所述湿度传感器的输出端耦合到所述控制单元。
8.如权利要求1至5中任一项所述的液面检测装置，其特征在于，所述控制单元根据环 境信息选择对应的预设电压阈值，并将增益电压信号与预设电压阈值进行比较以判断采样 针是否接触液面。
9.一种液面检测方法，其特征在于包括判断采样针所处的环境；根据采样针所处环境的环境信息设定增益；对来自于采样针的液面信号按照设定的增益进行放大处理；根据增益后的液面信号判断采样针是否接触到液面。
10.如权利要求9所述的液面检测方法，其特征在于，在所述设定增益的步骤中，通过 调整运算放大器的反馈电路的阻抗实现增益的调整。
11.一种加样系统，包括采样针；其特征在于，所述加样系统还包括权1至8中任一项所述的液面检测装置，所述液面检测装置的转换单元与采样针相连。
12.如权利要求11所述的加样系统，其特征在于，所述加样系统还包括摇臂，所述采样 针设置在摇臂上，所述液面检测装置设置在摇臂的腔体内。
全文摘要
本发明公开了一种液面检测装置及其方法，包括控制单元，用于根据采样针所处位置的环境信息输出与所述环境信息对应的控制指令；放大单元，用于根据所述控制指令设定增益；转换单元，用于接收采样针输出的电容信号，经过变换后输出对应的电压信号；所述放大单元接收所述电压信号并将电压信号按照设定的增益进行放大后输出增益电压信号；控制单元接收所述增益电压信号，将增益电压信号与预设电压阈值进行比较并判断采样针是否接触液面。本发明还公开了一种加样系统。本发明能够兼顾检测系统的灵敏度与可靠性，可适应各种不同的检测环境。
文档编号G01F23/26GK101858770SQ20091010657
公开日2010年10月13日 申请日期2009年4月9日 优先权日2009年4月9日
发明者杜鹏, 翁彦雯, 陈跃平 申请人:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司