CN100547362C - 探针液面检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种探针液面检测方法及装置，包括以下步骤：接收由吸液探针输出的电容值信号；根据电容值的变化输出与电容值相对应的电压信号；判断当前电压信号的电压值是否大于低阈值，如果是则计算相邻电压信号的斜率；判断该斜率是否大于斜率阈值，如果是则将第一液面标志计数器加1，如果不是则将第一液面标志计数器减1；判断第一液面标志计数器的值是否大于或等于第一设定值，如果是则输出接触液面指示信号。本发明不仅提高了检测的灵敏度，同时又增强了工作可靠性。

Description

探针液面检测装置及方法
【技术领域】
本发明涉及液面传感装置，特别是用于全自动生化分析仪在取样过程中检测样本液面的装置及方法。
【背景技术】
生化分析仪在分析体液时需要先取样，吸液探针在电机的带动下在试管中下行，当接触到液面时，为防止针管碰到试管底部和吸取到不需要的体液，电机必须停止，针管吸取体液后在电机的带动下上行返回。所以在生化分析时必须进行液面检测，在针管接触到液面时，需要输出接触液面指示信号给电机控制单元，以便控制电机停止。现有的全自动生化分析仪的液面检测技术主要包括电容变化型液面检测、压力传感型液面检测、无线发射接收型液面检测等。
电容变化型液面检测依靠吸液探针的电容变化来检测液面，具有灵敏度高、不影响吸样精度等特点，被广泛采用。专利US6107810中描述了一种电容变化型液面检测，吸液探针为单管针，接入到检测电路中，样本或试剂托盘接地，通过检测探针对大地之间的电容变化来达到液面检测的目的。该方法采用的是单管针，容易受到外界干扰，且对样本盘接地要求较高。
发明名称为“用于生化分析的液面检测装置”(专利号是CN02250812.0，公开日是2003年11月26日)的中国专利中公开了一种电容性液面检测，吸液探针采用了双层同轴探针结构，内、外针管为医用不锈钢制成，内、外针管相当于一电容的两电极，中间隔一层绝缘套管，当针尖接触液面时，两电极之间的介电常数发生变化，电容量就发生变化，由电容量的变化来达到液面检测的目的。
这种液面检测装置一般包括以下几部分：针管、振荡及分频电路、锁相环路、放大电路、比较电路和步进电机控制单元，针管的电容量的变化引起锁相环路的振荡频率发生变化，此变化变换成电平信号，经过放大器放大，放大后的信号经比较电路比较后输出信号到步进电机控制单元，控制电机停止转动，吸液探针即停止运动，吸样后返回，从而达到液面检测的目的。
但这种液面检测方案纯粹采用模拟电路实现，当前电压信号的电压值只要一大于设定阈值就立即输出接触液面指示信号，这种方案抗干扰能力差，容易受到干扰而发生误检测，从而导致对步进电机的控制出现误差，为了增加检测的可靠性，即抗干扰能力，只能通过提高比较电路的比较阈值来实现，但是单纯提高比较阈值一方面又会使检测灵敏度下降，另一方面要求试剂量和样本量较多。而随着全自动生化分析仪技术的发展和环保的要求，实验室正在使用越来越少的试剂量和样本量，对检测灵敏度提出了更高要求，然而，现有的液面检测方案尤其不适用于对少量液体的液面检测。
【发明内容】
本发明的主要目的就是为了解决上述问题，提供一种探针液面检测装置及方法，既适于测量试剂量和样本量较多的情况，又适于测量试剂量和样本量较少的情况，并且既能提高检测装置的抗干扰能力，又能提高检测的灵敏度。
本发明的次一目的就是提供一种探针液面检测装置及方法，根据试剂量和样本量的多少选择不同的液面检测方法，进一步提高检测装置的抗干扰能力。
为实现上述目的，本发明提出一种探针液面检测装置，包括：吸液探针，用于吸取被测液体并输出其自身电容；转换模块，用于接收吸液探针输出的电容值，并输出与电容值相对应的模拟电压信号；A/D转换器，用于将模拟电压信号转换为数字电压信号；信号处理模块，用于对接收的数字电压信号进行处理，输出接触液面指示信号；所述信号处理模块包括：第一判断单元，用于接收数字电压信号，判断当前电压信号的电压值是否大于低阈值，并在当前电压信号的电压值大于低阈值时输出第一控制信号；斜率计算单元，用于在接收到第一控制信号后开始计算相邻电压信号的斜率；斜率判断单元，用于接收斜率计算单元输出的斜率，判断该斜率是否大于斜率阈值，如果是则输出第二控制信号，如果不是则输出第三控制信号；第一液面标志计数器，用于响应斜率判断单元的输出，在接收到第二控制信号时加1，在接收到第三控制信号时减1；第二判断单元，用于判断第一液面标志计数器的值是否大于或等于第一设定值，并在第一液面标志计数器的值大于或等于第一设定值时输出接触液面指示信号。
本发明的进一步改进是：所述信号处理模块还包括第二液面标志计数器和第三判断单元，所述第一判断单元还用于判断当前电压信号的电压值是否大于或等于高阈值，如果是则输出第四控制信号，如果不是则输出第五控制信号；所述第二液面标志计数器响应第一判断单元的输出，在接收到第四控制信号时加1，在接收到第五控制信号时减1；所述第三判断单元用于判断第二液面标志计数器的值是否大于或等于第二设定值，并在第二液面标志计数器的值大于或等于第二设定值时输出接触液面指示信号。
所述第一判断单元还用于在当前电压信号的电压值大于或等于高阈值时输出第六控制信号至斜率计算单元，所述斜率计算单元在接收到第六控制信号后停止计算斜率。
为实现上述目的，本发明还提出一种探针液面检测方法，包括斜率检测步骤，所述斜率检测步骤包括以下步骤：
A1、接收由吸液探针输出的电容值；
B1、根据电容值的变化输出与电容值相对应的电压信号；
C1、判断当前电压信号的电压值是否大于低阈值，如果是则执行步骤D1；
D1、计算相邻电压信号的斜率；
E1、判断该斜率是否大于斜率阈值，如果是则将第一液面标志计数器加1，如果不是则将第一液面标志计数器减1；
F1、判断第一液面标志计数器的值是否大于或等于第一设定值，如果是则执行步骤G1；
G1、输出接触液面指示信号。
其中，所述步骤D1包括以下步骤：
D11、按照设定的采样间隔采样电压值；
D12、将当前电压信号的电压值与其前一个电压信号的电压值比较计算当前电压信号的斜率。
所述采样间隔可调。
其中所述第一设定值为5。
本发明的进一步改进是：还包括以下步骤：判断是否出现其电压值大于高阈值的电压信号，如果是则执行幅度检测步骤，所述幅度检测步骤包括以下步骤；
H1、判断当前电压信号的电压值是否大于或等于高阈值，如果是则执行步骤I1，如果不是则将第二液面标志计数器减1；
I1、将第二液面标志计数器加1；
J1、判断第二液面标志计数器的值是否大于或等于第二设定值，如果是则执行步骤K1；
K1、输出接触液面指示信号。
其中，所述第二设定值为3。
在出现其电压值大于高阈值的电压信号后停止斜率检测步骤。
本发明的有益效果是：1)本发明采用检测信号斜率的方法来判断针管是否到达液面，在电压信号的电压值大于一个设定的阈值时即开始斜率比较，该阈值可以设置的比较低，可以设置为针管刚接触到液面时的电压值，所以本发明的检测灵敏度高。同时本发明采用有多个斜率大于设定的斜率阈值时才输出接触液面指示信号，控制电机停止，所以避免了干扰引起的斜率突变，提高了检测装置的抗干扰性。2)在被检测的液体量少时，应用斜率来检测液面，在被检测的液体量多时，应用信号的幅度来检测液面，在不同的情况下采用最适合的方法，同时提高了检测的灵敏度和抗干扰性。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1为生化分析仪中液面检测装置示意图；
图2为本发明液面检测装置的电路方框图；
图3为检测液体量多的模拟液面检测信号幅度-时间波形图；
图4为检测少量液体液面的模拟液面检测信号幅度-时间波形图；
图5为本发明斜率检测方法流程图；
图6为本发明幅度检测方法流程图；
图7为信号处理模块的结构方框图。
【具体实施方式】
本发明的液面检测装置包括：吸液探针、检测电路及针管运动控制机构。吸液探针可以为双层吸液探针或单管针，所述的检测电路中包括一锁相环集成电路、带通滤波电路、放大电路、A/D转换、CPU等；双层吸液探针相当于一个电容器，包括导电外针管和导电内针管以及中间绝缘层，导电外针管引出的导线接地，并与检测电路的地相连，导电内针管引出的导线接锁相环集成电路中压控振荡器应连接振荡电容的那个引脚，与锁相环集成电路内的VCO(压控振荡器)的振荡电容一起决定VCO的振荡频率。针管运动控制机构包括步进电机、齿轮、同步带以及控制单元，主要是控制吸液探针的运动。
液面检测装置如图1所示，包括吸液探针3、检测电路5、装液体的容器2、固定容器2的托盘1和吸液探针运动控制机构，吸液探针运动控制机构又包括电机7、针臂4、控制单元6等，其中针臂4用来固定吸液探针3。控制单元6控制电机7使得吸液探针3完成启动、垂直运动和停止等动作，当吸液探针3的针尖触及容器2的液面时，探针电容值将突然增大，检测电路5把电容变化信息转换为电信号，并输出到控制单元6，控制单元6立刻发指令停止吸液探针3的运动，然后开始其它动作，如吸液并返回。
液面检测电路如图2所示，包括吸液探针3、转换模块、A/D转换器13和信号处理模块14。转换模块用于接收吸液探针输出的电容值，并输出与电容值相对应的模拟电压信号，包括振荡及分频电路8和锁相环集成电路9。吸液探针3为双层针管，导电外针管3a引出的导线接地，并与检测电路的地相连，导电内针管3b引出的导线连接锁相环集成电路9中压控振荡器应连接振荡电容的那个引脚，压控振荡器输出振荡信号A给锁相环集成电路9内部的鉴相器，另一个来自振荡及分频电路8的参考信号B也输入到锁相环集成电路9内部的鉴相器。当吸液探针3未接触到液面时，这两个振荡信号A和B的频率相同，锁相环集成电路9的输出为一较低电位；当吸液探针3向下运动接触到液面时，其电容值突然增大，压控振荡器输出信号A的频率亦随之变化，由于两振荡信号A和B的频率不同，锁相环集成电路9输出电位也升高，这个增高的电位经低通滤波电路10和高通滤波电路11滤波、经运算放大器12放大后输入到A/D转换器13进行模数变换，并由信号处理模块(如单片机)14进行软件判断，输出接触液面指示信号到控制单元6，控制电机7停止转动，吸液探针3即停止运动，吸样后返回。
在原有检测性能基础上，为了尽可能提高工作可靠性和检测灵敏度，本发明将液面检测信号转换为数字信号，进行了数字抗干扰处理。
图3、图4是模拟探针由上往下垂直运动到接触液面的过程中液面检测信号(即图2中运算放大器12的输出信号C)，显然，模拟液面检测信号幅度是逐渐增大的。设置两个幅度阈值，低阈值Vl，高阈值Vh。To表示探针接触液面时刻，显然此时信号有一个突变，然后逐渐增大，一段时间后在Tl时刻信号幅度为Vl，再经时延Δt后信号幅度增大到Vh，最后信号在Te时刻达到饱和。当检测的液体量比较多时，模拟液面检测信号变化如图3所示，信号幅度上升比较快，在很短时间内就增大到了高阈值Vh。而当检测盛有少量液体容器的液面时，比如80uL、100uL等，由于探针电容对少量液体的敏感度下降，探针电容的变化量将减小很多，因此在接触液面后，模拟液面检测信号幅度较小，且信号斜率也相对较小，即模拟液面检测信号幅度由初始值增大到Vl的时延Δt1与由Vl增大到Vh的时延Δt均较大，信号波形如图4所示，在Te时刻信号幅度达到最大，但比相对图3中的最大幅度小很多。
本发明的一个优选实施例是对于液体量少的情况采用斜率检测方法，对于液体量多的情况采用幅度检测方法，其具体实施方法是：设置了两个幅度阈值Vl与Vh，和一个斜率阈值Sp，当液面检测信号幅度大于低阈值Vl且小于高阈值Vh时，执行斜率检测步骤，当液面检测信号幅度大于高阈值Vh时，停止斜率检测步骤并执行幅度检测步骤。
斜率检测步骤的流程图如图5所示，包括以下以下步骤：
在步骤S2，对运算放大器12的输出信号C进行采样，将该采样信号转换为数字信号，采样间隔为ΔT，然后执行步骤S4；
在步骤S4，判断当前的取样信号的电压幅度是否大于预先设定的低阈值Vl，如果是则执行步骤S6，如果不是则执行步骤S18；
在步骤S6，计算相邻两个采样值的斜率，判断该斜率是否大于预先设定的斜率阈值Sp，如果是则执行步骤S10，如果不是则执行步骤S8；
在步骤S10，将第一液面标志计数器flag_near的值加1(第一液面标志计数器flag_near的值在每次开机开始测试时或输出接触液面指示信号后将被清零)，然后执行步骤S14；
在步骤S8，判断第一液面标志计数器flag_near的值是否大于0，如果是则执行步骤S12，如果不是则结束该次计算，开始下一个采样值的判断；
在步骤S12，将第一液面标志计数器flag_near的值减1，以消除突变信号，如果前面信号为符合斜率判断条件的信号，而该信号为不符合斜率判断条件的信号，则说明前面信号可能是干扰，所以将第一液面标志计数器flag_near的值减1，以使该干扰信号不妨碍后面的判断；
在步骤S14，判断第一液面标志计数器flag_near的值是否大于或等于第一设定值b，第一设定值b根据经验设定，b不能太小(例如小于3)，太小容易导致判断错误，也不能太大(例如大于10)，如果太大，吸液探针插入液面较深，易造成交叉污染，甚至当吸液探针下行到垂直极限位置时，接触液面指示信号仍未输出，就会误报没有液体，所以第一设定值b一般取为5。如果第一液面标志计数器flag near的值大于或等于第一设定值b，则表示吸液探针接触到了液面，则执行步骤S16，如果第一液面标志计数器flag_near的值小于第一设定值b，则结束该次计算，开始下一个采样值的判断；
在步骤S16，输出接触液面指示信号至电机控制单元，以控制电机停止，以便使吸液探针停止下行，同时将flag_near的值清零。执行完后即结束该次计算，等待下一次液面检测。
斜率检测方法适于检测少量液体液面，由于液面检测信号需要较长时间才能增大到高阈值Vh，但会在较短时间增大到Vl，而且虽然此时液面检测信号幅度较小，但仍然会逐渐增大，因此通过检测信号斜率的方法来进行检测。每隔ΔT时间保存一个采样值，在连续b+1个值中两两计算斜率，如果均大于斜率阈值Sp，则表示探针接触到了液面，并输出接触液面指示信号给控制单元，同时也设置了接触液面标志计数器，每当斜率大于斜率阈值Sp时，则标志计数器加1，否则减1。正常情况下，当模拟液面检测信号幅度大于低阈值Vl后，仅需要5倍ΔT的时间(当b＝5时)，就能输出指示信号给控制单元6。由于低阈值Vl可以取较低的值，所以提高了检测的灵敏度，同时采用多个采样值得斜率大于斜率阈值后才输出接触液面指示信号，提高了检测的抗干扰性，即提高了检测的可靠性。
调整采样间隔ΔT到一个合适的值，就能有效提高检测灵敏度。采样间隔ΔT为一个经验值，与电机的速度、板卡的采样率等参数有关。
幅度检测步骤的流程图如图6所示，包括以下步骤：
在步骤S40，根据采样的电压信号的电压值，判断当前电压值是否大于或等于高阈值Vh，如果是则执行步骤S46，如果不是则执行步骤S42；
在步骤S42，判断第二液面标志计数器flag的值是否大于0，如果是则执行步骤S44，如果不是则结束该次计算，开始下一个采样值的判断；
在步骤S44，将第二液面标志计数器flag的值减1，以消除突变信号，如果前面信号为大于或等于高阈值Vh的信号，而当前信号为小于高阈值Vh的信号，则说明前面信号可能是干扰，所以将第二液面标志计数器flag的值减1，以使该干扰信号不妨碍后面的判断；
在步骤S46，将第二液面标志计数器flag的值加1(第二液面标志计数器flag的值在每次开机开始测试时或输出接触液面指示信号后将被清零)，然后执行步骤S48；
在步骤S48，判断第二液面标志计数器flag的值是否大于或等于第二设定值a，第二设定值a根据经验设定，一般取为3。如果第二液面标志计数器flag的值大于或等于第二设定值a，第二液面标志计数器flag的值大于或等于第二设定值a则表示吸液探针接触到了液面，则执行步骤S50，如果第二液面标志计数器flag的值小于第二设定值a，则结束该次计算，开始下一个采样值的判断；
在步骤S50，输出接触液面指示信号至电机控制单元，以控制电机停止，以便使吸液探针停止下行，同时将第二液面标志计数器flag的值清零。执行完后即结束该次计算，等待下一次液面检测。
幅度检测方法适于检测液体量多的液面，在吸液探针接触液面后，信号幅度在很短时间内就增大到了高阈值Vh，此时停止斜率检测步骤，开始幅度检测步骤。连续a个采样值都大于高阈值Vh，则表示探针接触到了液面，并输出接触液面指示信号给控制单元，如果前两个采样值大于高阈值Vh但第三个采样值小于高阈值Vh，则接触液面标志计数器减1，继续判断下一个值，如果还小于高阈值Vh，则标志计数器再减1，而大于高阈值Vh则标志计数器加1，当标志计数器等于a时，表示探针接触到了液面。由于设置了接触液面标志计数器“flag”，如当前采样值大于或等于高阈值Vh计数器就加1，连续a次采样值均大于或等于高阈值Vh或“flag”等于a就表示探针接触到了液面，这样就有效地增强了抗干扰能力。而现有技术中当前值只要一大于比较阈值就立即输出接触液面指示信号，这样容易受到干扰，发生误检测，因此比较阈值不可能设置太低。相比以前的技术，本发明的幅度检测方法因增加了抗干扰处理，所以可把高阈值Vh设置为较低的值，这样将大大提高检测的灵敏度。
如图7所示为实现上述方法的装置，如图7中所示的部分为图2中的信号处理模块14的具体电路结构，即信号处理模块14包括第一判断单元、斜率计算单元、斜率判断单元、第一液面标志计数器、第二判断单元、第二液面标志计数器和第三判断单元。第一判断单元接收由A/D转换器输出的数字电压信号，判断当前电压信号的电压值是否大于低阈值Vl，当当前电压信号的电压值大于低阈值Vl时输出第一控制信号至斜率计算单元，斜率计算单元在接收到第一控制信号后开始计算相邻电压信号的斜率，斜率判断单元接收斜率计算单元输出的斜率，判断该斜率是否大于斜率阈值Sp，如果是则输出第二控制信号至第一液面标志计数器，控制其加1，如果不是则输出第三控制信号至第一液面标志计数器，控制其减1。第二判断单元不断判断第一液面标志计数器的值是否大于或等于第一设定值b，在第一液面标志计数器的值大于或等于第一设定值b时输出接触液面指示信号至电机控制单元。
当第一判断单元判断当前电压信号的电压值大于或等于高阈值时输出第四控制信号至第二液面标志计数器，并且同时输出第六控制信号至斜率计算单元，斜率计算单元在接收到第六控制信号后停止计算斜率。第二液面标志计数器在接收到第四控制信号时加1。之后第一判断单元在判断当前电压信号的电压值小于高阈值时输出第五控制信号至第二液面标志计数器，第二液面标志计数器在接收到第五控制信号时减1。第三判断单元不断判断第二液面标志计数器的值是否大于或等于第二设定值a，当第二液面标志计数器的值大于或等于第二设定值a时输出接触液面指示信号至电机控制单元。
基于上述分析，斜率检测方法同样适于检测液体量多的液面，所以本发明的另一实施例是只包括斜率检测步骤。
综上所述，本发明不仅提高了检测的灵敏度，同时又增强了工作可靠性，即增强了抗干扰能力。

Claims (10)

1.一种探针液面检测装置，包括：
吸液探针，用于吸取被测液体并输出其自身电容；
转换模块，用于接收吸液探针输出的电容值，并输出与电容值相对应的模拟电压信号；其特征在于还包括：
A/D转换器，用于将模拟电压信号转换为数字电压信号；
信号处理模块，用于对接收的数字电压信号进行处理，输出接触液面指示信号；所述信号处理模块包括：
第一判断单元，用于接收数字电压信号，判断当前电压信号的电压值是否大于低阈值，并在当前电压信号的电压值大于低阈值时输出第一控制信号；
斜率计算单元，用于在接收到第一控制信号后开始计算相邻电压信号的斜率；
斜率判断单元，用于接收斜率计算单元输出的斜率，判断该斜率是否大于斜率阈值，如果是则输出第二控制信号，如果不是则输出第三控制信号；
第一液面标志计数器，用于响应斜率判断单元的输出，在接收到第二控制信号时加1，在接收到第三控制信号时减1；
第二判断单元，用于判断第一液面标志计数器的值是否大于或等于第一设定值，并在第一液面标志计数器的值大于或等于第一设定值时输出接触液面指示信号。
2.如权利要求1所述的探针液面检测装置，其特征在于：所述信号处理模块还包括第二液面标志计数器和第三判断单元，所述第一判断单元还用于判断所述当前电压信号的电压值是否大于或等于高阈值，如果是则输出第四控制信号，如果不是则输出第五控制信号；所述第二液面标志计数器响应第一判断单元的输出，在接收到第四控制信号时加1，在接收到第五控制信号时减1；所述第三判断单元用于判断第二液面标志计数器的值是否大于或等于第二设定值，并在第二液面标志计数器的值大于或等于第二设定值时输出接触液面指示信号。
3.如权利要求2所述的探针液面检测装置，其特征在于：所述第一判断单元还用于在所述当前电压信号的电压值大于或等于高阈值时输出第六控制信号至斜率计算单元，所述斜率计算单元在接收到第六控制信号后停止计算斜率。
4.一种探针液面检测方法，其特征在于包括斜率检测步骤，所述斜率检测步骤包括以下步骤：
A1、接收由吸液探针输出的电容值；
B1、根据电容值的变化输出与电容值相对应的电压信号；
C1、判断当前电压信号的电压值是否大于低阈值，如果是则执行步骤D1；
D1、计算相邻电压信号的斜率；
E1、判断该斜率是否大于斜率阈值，如果是则将第一液面标志计数器加1，如果不是则将第一液面标志计数器减1；
F1、判断第一液面标志计数器的值是否大于或等于第一设定值，如果是则执行步骤G1；
G1、输出接触液面指示信号。
5.如权利要求4所述的探针液面检测方法，其特征在于：所述步骤D1包括以下步骤：
D11、按照设定的采样间隔采样电压值；
D12、将所述当前电压信号的电压值与其前一个电压信号的电压值比较计算当前电压信号的斜率。
6.如权利要求5所述的探针液面检测方法，其特征在于：所述采样间隔可调。
7.如权利要求5所述的探针液面检测方法，其特征在于：所述第一设定值为5。
8.如权利要求4至7中任一项所述的探针液面检测方法，其特征在于：还包括以下步骤：判断是否出现其电压值大于高阈值的电压信号，如果是则执行幅度检测步骤，所述幅度检测步骤包括以下步骤；
H1、判断当前电压信号的电压值是否大于或等于高阈值，如果是则执行步骤I1，如果不是则将第二液面标志计数器减1；
I1、将第二液面标志计数器加1；
J1、判断第二液面标志计数器的值是否大于或等于第二设定值，如果是则执行步骤K1；
K1、输出接触液面指示信号。
9.如权利要求8所述的探针液面检测方法，其特征在于：所述第二设定值为3。
10.如权利要求8所述的探针液面检测方法，其特征在于：在出现其电压值大于高阈值的电压信号后停止斜率检测步骤。
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Assignee: Shenzhen Mindray Animal Medical Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN MINDRAY BIO-MEDICAL ELECTRONICS Co.,Ltd.

Contract record no.: X2022440020009

Denomination of invention: Probe liquid level detection device and method

Granted publication date: 20091007

License type: Common License

Record date: 20220804