一种加样针结构电容法液位探测方法和装置与流程

本发明涉及精密仪器检测技术领域，具体涉及微量加样的液位探测和控制。

背景技术：

液位检测是全自动临床分析仪器加样过程中的一项关键技术。基于加样针结构的液位传感器能够对样品杯或试剂瓶中的剩余液量进行检测，一方面可以避免缺液导致的空吸现象影响生物化学反应的检验结果；另一方面能够控制加样针探入液面的深度，最大限度减少加样针挂液现象引起的携带污染。而液位检测的灵敏性和精度是决定其工作性能重要指标。

电容法液位检测技术由于传感器结构简单、分辨率高，在生物医疗仪器中得到广泛应用。生化分析仪、酶免分析仪等临床分析仪器中常采用c/v(电容/电压)转换法进行液位传感器的电容测量。该方法将待测电容量转换为模拟电压量，信号采集、处理过程易受各种噪声可以及电机运动干扰，从而影响其测量结果。本发明采用c/t(电容/周期)转换法将电容量转换为数字脉冲周期来进行测量，增强了信号的抗干扰能力，使检测结果更加稳定、可靠，从而实现了高灵敏性和高精度的液位检测。

技术实现要素：

本发明提出了一种加样针结构电容法液位探测装置，包括加样针、试剂瓶、金属槽、步进电机、齿轮齿条、槽型光耦，其特征在于：所述步进电机固定于加样臂上，驱动所述加样针上下运动；所述加样针等效于一个金属电极，它与所述试剂瓶下的接地金属槽构成了电容传感器；当所述加样针进入液体时，介质发生改变，改变所述加样针与所述金属槽之间的电容值；液面接触瞬间，读取所述步进电机运行步数，获取液位高度。

本发明还提出了一种加样针结构电容法液位探测方法，包括：把c/t转换法用于加样针结构液位传感器的电容检测，能够对液面接触瞬间的电容变化进行准确测定，再结合步进电机运动控制，实现高灵敏性和高精度的液位检测。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出了根据本发明的探针式电容传感器结构示意图；

图2示出了根据本发明的施密特触发器构成的多谐振荡器。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明提供一种液位探测方法和装置，把c/t转换法用于加样针结构液位传感器的电容检测，能够对液面接触瞬间的电容变化进行准确测定，再结合步进电机运动控制，实现高灵敏性和高精度的液位检测。。

技术方案：

使用电容法实现液位测量，首先要构建电容传感器。探针式电容传感器结构如图1所示，主要由金属管加样针、试剂瓶、金属槽、步进电机、齿轮齿条、槽型光耦等部分构成。

步进电机固定于加样臂上，驱动加样针上下运动。加样针上的挡片至针尖距离为l。挡片和加样臂上的槽型光耦确定针尖初始位置。加样针尖自初始位置运动的距离记为s，它与电机运行步数呈正比。初始位置至针尖下降最大深度之间距离为h，初始位置至液面之间距离为s，液面至加样针尖下降最大深度之间距离定义为液位高度h，则h＝h-s。

探针式电容传感器采用单端接地接法：加样针等效于一个金属电极，它与试剂瓶下的接地金属槽构成了电容传感器。此传感器基于金属电极的近场效应工作，加样针接触液面之前，它与金属槽构成的电容器中间介质为空气、液体和试剂瓶；当加样针进入液体时，介质发生改变，因此加样针与金属槽之间的电容值发生变化。对于这种单端接地的加样针式电容传感器，无论是液面接触之前还是之后，加样针与介质接触面的变化对电容的影响微乎其微，而液面接触瞬间导电介质变化对电容的影响起到主要作用，且变化显著，可作为加样针接触液面的判断依据。

液面接触瞬间，读取电机运行步数即可换算出液位高度h。对于液面高度的检测，采用步进电机运动系统进行测定，相比使用电容传感器进行液位连续测量具有更高的精度和线性度。

加样针运动过程中传感器的电容变化使用c/t转换法进行检测。本发明采用施密特触发器构成的多谐振荡器实现c/t转换，转换原理如图2所示。

施密特触发器的输入信号电压增加和减小过程中引起输出信号跳变的阈值电压不同，分别如图2所示vt+和vt-，因此也称滞回比较器。由于rc电路充放电效应和施密特触发器的滞回效应，图2所示多谐振荡器电路中施密特触发器输入信号在两个阈值电压之间以指数规律振荡变化，输出信号为固定周期的方波脉冲。通常，cmos型施密特触发器的输出高低电平分别为voh≈vdd，vol≈0，则由图2所示波形可得电路的振荡周期为：

由式(1)可知，输出信号的周期t与电阻r和待测电容c正比，选取合适的电阻r可调节输出信号周期，使其在系统测量范围内。

该方法把电容传感器作为振荡器的一部分实现自激振荡，因而无需额外的激励信号，电路结构简单；输出为幅值恒定而周期变化的数字脉冲信号，无需采取信号放大、滤波等措施，且增强了信号传输过程中抗干扰能力；另外，由于信号频率很高，可以在很短的周期内完成一次测量，因而具有较高的响应速度。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

技术特征：

技术总结
一种加样针结构电容法液位探测装置，包括加样针、试剂瓶、金属槽、步进电机、齿轮齿条、槽型光耦，其特征在于：所述步进电机固定于加样臂上，驱动所述加样针上下运动；所述加样针等效于一个金属电极，它与所述试剂瓶下的接地金属槽构成了电容传感器；当所述加样针进入液体时，介质发生改变，改变所述加样针与所述金属槽之间的电容值；液面接触瞬间，读取所述步进电机运行步数，获取液位高度。

技术研发人员：娄小平;路和生;贺庆;董明利;祝连庆;刘超;郭阳宽
受保护的技术使用者：北京信息科技大学
技术研发日：2017.03.20
技术公布日：2017.07.04