一种新型电容式液面检测装置的制作方法

本实用新型涉及医疗器械中的液面检测设备技术领域，具体涉及一种新型电容式液面检测装置。

背景技术：

目前，全自动样本液体分析仪普遍采用吸液头来吸取样本或试剂。部分仪器的吸液头不具备液面检测功能。为了保证精确地吸取到足够的样本或试剂量，吸液头在吸取样本或试剂时，一般插入液面较深，存在以下弊端：

1) 粘附于针头液体较多，造成样本或试剂浪费，且可能造成吸液量有误差。

2) 清洗困难。特别是某些粘性较大的样本和试剂，难以通过传统的冲洗手段，将吸液头表面的试剂清洗干净，且吸取下一液体时，污染样本或试剂。

部分仪器具有液面检测功能，可能采用电阻法或者电容法。电阻法简单、成本低，但是需要增加一个与被移液体接触的电极，增大了交叉污染的机会，目前基本已被淘汰。

传统的电容法，是采用两个彼此绝缘又相距很近的导体组成一个电容器，在检测过程中根据吸液针电容的变化来感应液面，由于吸液针电容大小不一，在相同的充电时间以及供电情况下，易出现电容饱和，使吸液针接触液面前后电容大小不变，对检测结果造成影响。

因此，有必要设计一种新型电容式液面检测装置，以克服上述问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有的电容法普遍存在吸液针的电容检测结果不准确的问题。

本实用新型所采用的技术方案包括一种新型电容式液面检测装置，由恒流源电路、控制充放电电路、液面检测针、射极跟随器电路、A/D转换电路和检测输出模块组成，液面检测针分别连接恒流源电路和控制充放电电路，同时又作为输入电容连接至射极跟随器电路的输入；射极跟随器电路的输入端连接液面检测针，输出端连接A/D转换电路的输入口；A/D转换电路连接检测输出模块，检测输出模块输出液面检测针检测结果。

而且，所述恒流源电路，由二极管VD1、VD2、电阻R1、精密电阻R2、电容C1、C2以及三极管Q1组成；二级管VD1与VD2正向串联；电容C1与二级管VD1、VD2并联，两端连接VD1正极与VD2负极；二级管VD2负极与三极管Q1基极b连接，且通过下拉电阻R1接地；电阻R2一端与电源相连，另一端连接三极管Q1发射极e；电容C2与电阻R2并联；三极管Q1的基极b经下拉电阻R1接地，发射极e经电阻R2连接电源，集电极c连接液面检测针。

而且，所述控制充放电电路由三极管Q2、电阻R3、R4、R5以及二极管VD5组成，三极管Q2的基极b经电阻R3连接检测输出模块的输出口或外接的控制设备，且经下拉电阻R4接地；三极管Q2的发射极e接地；三极管Q2的集电极c，一方面经R5连接电源，另一方面通过一个反向的二级管VD5连接液面检测针。

而且，所述液面检测针与三极管Q1集电极c相连，且经反向二级管VD5连接Q2集电极c，同时经电阻R7连接射极跟随器的输入。

而且，所述射极跟随器电路，由运算放大器U1、二极管VD3、VD4、电阻R6、R7、R8、R9组成；

二级管VD4与VD3反向并联后，一端经电阻R7连接运算放大器U1同相输入，且与三极管Q1集电极c相连，另一端经下拉电阻R6接地，且连接U1反向输入，同时连接U1输出；

运算放大器U1的反向输入端，经下拉电阻R6接地，且与运算放大器U1的输出端连接；运算放大器U1的正向输入端，经电阻R7分别与液面检测针、恒流源电路中三极管Q1 集电极c、控制充放电电路中反向的二极管VD5相连；输出端一方面连接U1反向输入，同时经下拉电阻R6接地，另一方面，经电阻R8与下拉电阻R9接地，且经R8与A/D转换电路的输入口连接。

而且，所述A/D转换电路采用TLC2543C电路。

而且，检测输出模块采用MCU或FPGA。

而且，采用外接的客户端设备代替检测输出模块。

而且，所述客户端设备为计算机。

而且，设置多个液面检测针，分别设置相应的恒流源电路、控制充放电电路和射极跟随器电路，各射极跟随器电路的输出端分别连接A/D转换电路的相应输入口。

本实用新型所提出的这种液面检测装置是基于电容法的原理而设计的，其特点在于：

1）通过恒流源电路提供一个恒定的电流对液面检测针充电，并且通过控制充放电电路支持控制三极管Q2的基极b电平，工作时可以精确控制充放电时间，使得测量结果准确；且充放电时间可控，应用范围更广。

2）可以扩充多路检测针，实现多路液面检测，即通过相同的电路，连接同一个A/D转换器，使用时可通过检测输出模块或外接的客户端提供控制，实现多液面检测针检测。

因此，本实用新型所提出的液面检测装置电路结构简单、灵敏度高，测量精确、应用范围广，支持精确控制充放电时间，适用于不同的电容大小的液面检测针，性价比高，可扩展性好，具有重要的市场价值和良好的行业前景。

附图说明

图1为本实用新型实施例一提供的新型电容式液面检测装置电路图。

图2为图1的细节图之一。

图3为图1的细节图之二。

图4为使用本实用新型实施例一提供的新型电容式液面检测装置时MCU/FPGA的输入输出时序波形例图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型技术方案进行具体描述。

如图1、2、3所示，本实用新型实施例一提供一种新型电容式液面检测装置，所述检测装置由恒流源电路、控制充放电电路、液面检测针、射极跟随器电路、A/D转换电路、检测输出模块组成。液面检测针分别连接恒流源电路和控制充放电电路，同时又作为输入电容连接至射极跟随器电路的输入；射极跟随器电路的输入端连接液面检测针，输出端连接A/D转换电路的输入口；A/D转换电路连接检测输出模块，检测输出模块输出液面检测针检测结果。

进一步地：

所述恒流源电路，由二极管VD1、VD2、电阻R1、精密电阻R2、电容C1、C2以及三极管Q1组成，用于提供一个恒定的电流来给液面检测针充电。二级管VD1，正极接电源，负极与VD2正极相连，即VD1与VD2正向串联；电容C1与两二级管并联，两端连接VD1正极与VD2负极；VD2负极与Q1基极b连接，且通过下拉电阻R1接地；R2一端与电源相连，另一端连接Q1发射极e；C2与R2并联，两端分别连接电源与Q1发射极e；Q1基极b经下拉电阻R1接地，发射极e经R2连接电源，集电极c连接液面检测针。其工作原理如下：两个串联的正向二极管VD1、VD2为三极管Q1的基极b提供一个稳定电压，由于R2采用一个精密电阻，不易受温度等因素的影响，故三极管Q1基极电流恒定，又因为三极管放大倍数一定，所以给液面检测针充电的集电极电流恒定。

所述控制充放电电路，由三极管Q2、电阻R3、R4、R5以及二极管VD5组成。具体实施时，可以由外接的控制设备提供控制充放电电路的控制源，或者采用内置的充放电控制信号，实施例采用检测输出模块集成提供充放电控制信号。Q2基极b经R3连接外接的控制设备或者MCU/FPGA的PA5，集电极c通过一个反向二极管VD5连接液面检测针，用于控制液面探测针的充放电时间。具体地，三极管Q2，基极b经电阻R3连接MCU/FPGA的PA5输出口，且经下拉电阻R4接地；发射极e接地；集电极c，一方面经R5连接电源，另一方面通过一个反向二级管VD5连接液面检测针。其工作原理如下：由MCU/FPGA引脚PA5控制三极管Q2基极电平，PA5为高时，三极管导通，实现放电功能；反之，三极管Q2截止，再加上二极管VD5的反向截止特性，实现恒流源电路的充电功能。通过控制PA5电平跳转时间，来控制液面探测针的充放电时间。现有技术中，可能造成液面检测针接触液面前后电容值（饱和电容值）相同，本实用新型提供专用的控制充放电电路，当液面检测针电容较小时，可适当减少充电时间，避免电容饱和，影响检测结果。

所述液面检测针，连接恒流源电路和控制充放电电路，同时又作为输入电容，连接至射极跟随器电路的输入。所述液面检测针，与Q1集电极c相连，即连接恒流源电路，且经反向二级管VD5连接Q2集电极c，即连接控制充放电电路，同时经电阻R7连接运算放大器U1的输入，即作为射极跟随器的输入。

所述射极跟随器电路，采用放大倍数为1的运算放大器U1，全反馈输出信号；采用二极管VD3、VD4，对运算放大器形成保护作用，采用下拉电阻R6、R9，将不确定的信号钳位在低电平，采用电阻R7、R8，保护电路。其输入端连接液面检测针，即将电容作为输入；输出端连接A/D转换电路，实施例为TLC2543C的AIN口（图中以AIN4为例），通过DATA INPUT口从外部输入的控制数据，决定下一个有效AIN口。具体地，所述射极跟随器电路，由运算放大器U1、二极管VD3、VD4、电阻R6、R7、R8、R9组成。二级管VD4与VD3反向并联，即VD4正极连接VD3负极，负极连接VD3正极；两二级管反向并联后，一端经电阻R7连接U1同相输入，且与Q1集电极c相连，另一端经下拉电阻R6接地，且连接U1反向输入，同时连接U1输出。运算放大器U1反向输入端，经下拉电阻R6接地，且与U1输出端连接；正向输入端，经R7分别与液面检测针、恒流源电路中Q1 集电极c、控制充放电电路中反向二极管VD5相连；输出端一方面连接U1反向输入，同时经下拉电阻R6接地，另一方面，经电阻R8与下拉电阻R9接地，且经R8与TLC2543C AIN口连接。

实施例中，A/D转换电路采用TLC2543C电路，A/D转换表示模数转换。所述TLC2543C电路，由TLC2543C A/D转换芯片等组成。A/D转换芯片，AIN口（本实施例为AIN4）一方面经电阻R9接地，另一方面经R8与射极跟随器电路的运算放大器U1输出相连；EOC、CLK、DATA INPUT、DATA OUT 、CS口分别连接MCU/FPGA的PA0～PA4。所述TLC2543C电路，输入端AIN4连接射极跟随器输出；输入端CS片选，电平由高变低时，A/D转换器芯片内部计数器复位，时序转换开始，由低变高，CLK、DATA INPUT 禁止，DATA OUT处于高阻抗状态，时序转换结束，当用于多个液面检测针时，一个时序即所有液面检测针检测一次的过程；输入端CLK，接收MCU/FPGA发送的12个串行时钟信号，在每个时钟信号的上升沿，DATA INPUT端输入控制字，DATA OUT端输出串行数据。对于EOC口，在输入串行数据的最后一个时钟周期的下降沿，即开始A/D转换时，EOC脚电平变低，直至转换结束，电平变高。

实施例一中，检测输出模块采用微处理器MCU或FPGA电路，例如STM32单片机和EP3C25。图1中所述MCU/FPGA电路，由MCU或FPAG芯片组成。MCU/FPGA的PA0～PA4分别连接TLC2543C芯片的EOC、CLK、DATA INPUT、DATA OUT、CS；PA5经电阻R3连接控制充放电电路中Q2基极b。

使用液面检测装置时，其检测电路通过检测电容变化反应出的电压值，再通过TLC2543C将电压值转换为数字量来体现的，MCU/FPGA只需要判断A/D转换器的DATA OUT输出数据，即可输出判断液面检测针是否接触到了液面的结果。且同样适用于多个液面检测针情况，即通过相同的电路（每个液面检测针分别设置相应的恒流源电路、控制充放电电路和射极跟随器电路），分别连接同一个A/D转换器（各射极跟随器电路可分别接AIN0~ AIN8，实际接入可根据液面检测针的数量和A/D转换器端口数量调整），可通过MCU/FPGA控制，实现多液面检测针检测。简单可靠，性价比高，实用性强。

具体实施时，本领域技术人员可参考芯片说明书，采用现有电路技术进行配置使用，设置检测过程等工作方式，本实用新型只提供并要求保护硬件结构的改进。

建议采用的工作时序的输入输出关系时序波形如图4所示，可通过MCU/FPGA电路进行设置。输入口PA0连接TLC2543C的EOC转换结束端，EOC电平由高变低时，转换开始；EOC电平由低变高时，转换结束。输出口PA1连接TLC2543C芯片的CLK，输出12个串行时钟信号，在时钟信号的上升沿时，MCU/FPGA将控制字一位一位地传输给DATA INPUT口，同时，从DATA OUT口接收上一次周期转换的A/D数据。输出口PA2连接DATA INPUT数据输入端，输出控制数据。输入口PA3连接DATA OUT数据输出口，接收上一个周期转换的A/D数据，即MCU/FPGA可通过读取DATA OUT口的数据，判断液面检测针是否接触了液面。输出口PA4，连接TLC2543C的CS片选端，当输出电平由高变低时，A/D转换器芯片内部计数器复位，时序转换开始，当输出电平由低变高时，CLK、DATA INPUT 禁止，DATA OUT处于高阻抗状态，时序转换结束。输出口PA5，通过控制充放电电路与液面检测针连接，且输出低电平时，三极管Q2截止，电路处于充电状态，反之，则处于放电状态。

实施例二：一种新型电容式液面检测装置，所述检测装置由恒流源电路、控制充放电电路、液面检测针、射极跟随器电路、A/D转换电路组成，各电路具体实现同实施例一。具体实施时，厂商可提供这种简化的新型电容式液面检测装置，供用户自行外接使用。液面检测针分别连接恒流源电路和控制充放电电路，同时又作为输入电容连接至射极跟随器电路的输入；射极跟随器电路的输入端连接液面检测针，输出端连接A/D转换电路的输入口；A/D转换电路外接客户端设备（例如计算机等），客户端设备输出液面检测针检测结果。

以上所述仅为本实用新型装置的优选实施例，并不用于限制本实用新型。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。