CN102928049A - 一种液位探测方法及探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液位探测方法及探测系统，其中方法包括：当步进电机驱动探针接触到试管内试剂的液面时，通过电容传感器的输出电压值的变化值判定所述探针已经探测接触到所述液面；当所述探针接触到所述液面并且所述电容传感器的输出电压值的变化值大于预设阈值时，通过所述步进电机控制所述探针停止运动，并控制所述探针沿着所述试管向上运动以脱离所述液面；当电容传感器的输出电压值的变化值小于所述预设阈值时断定所述探针完全脱离所述液面。本发明实施例可最大限度减少探针挂液引起的携带污染，避免探针被堵塞。

Description

一种液位探测方法及探测系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种液位探测方法及探测系统。

背景技术

液位探测是自动酶免分析仪加样过程中的关键技术，它能保证探针迅速下降的时候，通过探测液面所在的位置及时判断样本杯或试剂瓶中是否有足够的样本可以进行检测，以保证吸到准确的液量而又不至于探的过深，得以最大限度减少探针的挂液现象引起的携带污染，尤其在使用原始管时，如果液位探测不够准确则会产生空吸，或者因为各样品管内液面和血凝块高度不定，导致探针扎入血凝块，而吸不到准确的血清需要量，最终会造成探针堵塞。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液位探测方法及探测系统，最大限度减少探针挂液引起的携带污染，避免探针被堵塞。

本发明实施例提供一种液位探测方法，包括：

当步进电机驱动探针接触到试管内试剂的液面时，通过所述电容传感器的输出电压值的变化值判定所述探针已经探测接触到所述液面；

当所述探针接触到所述液面并且所述电容传感器的输出电压值的变化值大于预设阈值时，通过所述步进电机控制所述探针停止运动，并控制所述探针沿着所述试管向上运动以脱离所述液面；

当电容传感器的输出电压值的变化值小于所述预设阈值时断定所述探针完全脱离所述液面。

本发明实施例还提供一种液位探测系统，包括：步进电机、数字信号处理模块、探针、电容传感器；其中，

当所述步进电机驱动所述探针接触到试管内试剂的液面时，所述数字信号处理模块通过所述电容传感器的输出电压值的变化值判定所述探针已经探测接触到所述液面；当所述探针接触到所述液面并且所述电容传感器的输出电压值的变化值大于预设阈值时，所述数字信号处理模块通过所述步进电机控制所述探针停止运动，并控制所述探针沿着所述试管向上运动以脱离所述液面；当电容传感器的输出电压值的变化值小于所述预设阈值时所述数字信号处理模块断定所述探针完全脱离所述液面。

本发明提供的液位探测方法及探测系统，通过电容传感器的输出电压值的变化量作为探针到达液面的探测标准，有效地消除了探针浸润现象引入的误差，从而使得探针能够准确地探测液位，进一步地最大限度地减少了探针挂液引起的携带污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的探针接触液面的示意图；

图2为本发明实施例中的探针脱离液面的示意图；

图3为本发明液位探测方法一个实施例的流程示意图；

图4为本发明液位探测方法又一个实施例的流程示意图；

图5为图4所示实施例中输出电压值经过滤波前的示意图；

图6为图4所示实施例中输出电压值经过滤波后的示意图；

图7为本发明液位探测系统一个实施例的结构示意图；

图8为本发明液位探测系统又一个实施例的结构示意图；

图9为对本发明实施例中的电容传感器进行重复性测试的结果示意图。

具体实施方式

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。

图1为本发明实施例中的探针接触液面的示意；如图1所示，探针11缓慢地接触液面12时，探针11的针尖与液面12并不是单点接触，而是样本液体沿着探针11的尖端上升，在针尖附近的液面高度高于其他部分的液面高度，这是由于探针11与样本有浸润现象而产生毛细管作用的结果。

图2为本发明实施例中的探针脱离液面的示意图，如图2所示，当缓慢地提升探针11时，虽然探针11的末端已经高于液面，由于液体和探针11之间附着力的作用，液体不能马上脱开探针，一直到附着力小于探针11带起的液体的重力，探针11才会脱开液面，此时探针11的位置已经高出液面达几毫米高度，确定探针11上提并脱离液体时离开液面的距离，该距离表征了浸润现象对测量精度的影响程度。

图3为本发明液位探测方法一个实施例的流程示意图；如图3所示，本发明实施例具体包括如下步骤：

步骤301、当步进电机驱动探针接触到试管内试剂的液面时，通过电容传感器的输出电压值的变化值判定探针已经探测接触到液面；

步骤302、当探针接触到液面并且电容传感器的输出电压值的变化值大于预设阈值时，通过步进电机控制探针停止运动，并控制探针沿着试管向上运动以脱离液面；

步骤303、当电容传感器的输出电压值的变化值小于预设阈值时断定探针完全脱离液面。

本发明实施例提供的液位探测方法，通过电容传感器的输出电压值的变化量作为探针到达液面的探测标准，有效地消除了探针浸润现象引入的误差，从而使得探针能够准确地探测液位，进一步地最大限度地减少了探针挂液引起的携带污染。

图4为本发明液位探测方法又一个实施例的流程示意图，图5为图4所示实施例中输出电压值经过滤波前的示意图，图6为图4所示实施例中输出电压值经过滤波后的示意图；如图4所示，本发明实施例包括如下步骤：

步骤401、通过数字信号处理模块产生脉宽调制波从而为电容传感器提供设定频率的激励信号；

步骤402、当步进电机驱动探针接触到试管内试剂的液面时，根据电容传感器的输出电压值对应的采样数据序列中的零时刻序列构建探针在零时刻的灰色模型，得到零时刻对应的输出序列；

步骤403、对零时刻对应的输出序列进行一次累加从而生成序列累加后的序列；

步骤404、根据零时刻对应的输出序列和累加后的序列得到灰色微分方程；

步骤405、通过求解灰色微分方程得到滤波后的电容传感器的电压输出值；

步骤406、当探针接触到液面并且电容传感器的输出电压值的变化值大于预设阈值时，通过步进电机控制探针停止运动，并控制探针沿着试管向上运动以脱离液面；

步骤407、当电容传感器的输出电压值的变化值小于预设阈值时断定探针完全脱离所述液面；

步骤408、通过步进电机正反转的切换驱动探针再次沿着试管向下运动重复液面探测过程，使得探针在液面上下设定幅度范围内往复运动，从而动态测量所述液面的高度。

在上述步骤401中，通过数字信号处理模块输出设定频率的脉宽调制（PWM）波，为电容传感器提供设定频率的激励信号，该激励信号通过一系列的转化电路最终将激励信号逆变为固定幅值的直流电压信号，该直流电压信号可作为电容传感器的输出电压值；本发明实施例为了凸显本发明的主旨，因此将具体的转换电路省略，不再赘述。

在上述步骤402～步骤405中，在零时刻，电容传感器输出采样数据序列为设定项（例如前n项）作为本发明实施例中的零时刻对应的序列，通过零时刻对应的序列构建零时刻系统的灰色模型。通过灰色模型得出电容传感器在零时刻对应的输出序列为：

$y_0^{\left(0\right)}=\{y_0^{\left(0\right)}\left(1\right),y_0^{\left(0\right)}\left(2\right),\·\·\·,y_0^{\left(0\right)}\left(n\right)\}---(1-1)$

其中：

k=1，2，…，n，n为时刻的长度。

对零时刻对应的输出序列进行一次累加生成（1-accumulated generatingoperation，1-AGO）序列为：

$y_0^{\left(0\right)}=\{y_0^{\left(0\right)}\left(1\right),y_0^{\left(0\right)}\left(2\right),\·\·\·,y_0^{\left(0\right)}\left(n\right)\}---(1-2)$

式（1-2）中：

k=1，2，…，n。

灰色微分方程为：

$y_0^{\left(0\right)}\left(k\right)+a_0\left(\frac{1}{2}(y_0^{\left(1\right)}\left(k\right)+y_0^{\left(1\right)}(k-1))\right)=b_0---(1-3)$

其中：a0和b0为灰色微分方程的待定系数。

通过求解灰色微分方程对应的白化微分方程，得到灰色微分式（1-4）的解为：

${\hat{y}}_0^{\left(1\right)}\left(k\right)=(y_0^{\left(0\right)}\left(1\right)-\frac{b_0}{a_0})e^{-a(k-1)}+\frac{b_0}{a_0}---(1-4)$

其中，式（1-4）中，k=1，2，…，n。

对灰色微分分式进行累减，生成灰色微分方程对应的灰色模型序列：

${\hat{y}}_0(k+1)={\hat{y}}_0^{\left(1\right)}(k+1)-{\hat{y}}_0^{\left(1\right)}\left(k\right)---(1-5)$

其中，式（1-5）中的

即为滤波后的电容传感器的输出电压值。

如图5和图6所示，为电容传感器的输出电压值的采样值经过滤波前后的波形。图5中的滤波前的波形中包含大量的毛刺，图6中的滤波后的波形平滑，并且基本不包含噪声；由此可知，通过上述步骤402～步骤405，由于电路运行过程中的电磁干扰以及步进电机的运动引入噪声等因素的存在，电容传感器的输出电压）中包含有大量噪声，大量噪声的存在对于探针是否接触到液面的判定会有很大影响，并且浸润现象引起的电容传感器的输出电压值的微小波动幅值也被淹没。而本发明实施例通过步骤402～步骤405对输出电压值的采样结果进行了处理，有效减小了电容传感器输出电压值的毛刺、干扰等无效信号，从而能够保证电容传感器的输出电压值的变化值的实时性，从而可以对电容传感器的输出电压值的变化值进行及时的判断。

在上述步骤406和步骤407中，探针在液面上动态跟踪，探针向下运动进行液面探测，当探针接触到液面并且电容传感器的输出电压值的变化值大于预设阈值时，则数字信号处理模块通过控制步进电机立即停止驱动探针运动，然后驱动步进电机驱动探针沿着试管向上运动以准备脱离液面。当电容传感器的输出电压值的变化值小于预设阈值时即断定探针完全脱离液面，数字信号处理模块通过控制步进电机驱动探针再次沿着试管向下运动重复液面探测过程。

在上述步骤408中，数字信号处理模块控制步进电机正反转的快速切换来减小探针单向运动的惯性，并且控制步进电机沿着试管上下运动的距离相同从而使步进电机向上运动和向下运动的单向运动惯性相抵消，从而消除电机运动惯性对液位探测的影响。此外，数字信号处理模块控制步进电机正反转的快速切换，还克服了探针从距离液面不同高度处接近液面进行液位检测时，由于探针的惯性而造成探针的插入深度不同的影响。

本发明实施例提供的液位探测方法，通过电容传感器的输出电压值的变化量作为探针到达液面的探测标准，有效地消除了探针浸润现象引入的误差，从而使得探针能够准确地探测液位，进一步地最大限度地减少了探针挂液引起的携带污染。

图7为本发明液位探测系统一个实施例的结构示意图，本发明实施例可以执行图3所示实施例的方法流程；如图7所示，本发明实施例包括：步进电机71、数字信号处理模块72、探针73、电容传感器74。其中，盛放试剂的试管放置在金属工作台上，探针73设置在加样尖的端部，电容传感器74与探针73可以设置成一体。本发明实施例为了形象起见，将电容传感器74和探针73分别标号。

当步进电机71驱动探针73接触到试管内试剂的液面时，数字信号处理模块72通过电容传感器74的输出电压值的变化值判定探针73已经探测接触到液面；当探针73接触到液面并且电容传感器74的输出电压值的变化值大于预设阈值时，数字信号处理模块72通过步进电机71控制探针73停止运动，并控制探针73沿着试管向上运动以脱离液面；当电容传感器74的输出电压值的变化值小于预设阈值时数字信号处理模块72断定探针73完全脱离液面。

本发明实施例提供的液位探测系统，通过电容传感器的输出电压值的变化量作为探针到达液面的探测标准，有效地消除了探针浸润现象引入的误差，从而使得探针能够准确地探测液位，进一步地最大限度地减少了探针挂液引起的携带污染。

图8为本发明液位探测系统又一个实施例的结构示意图，本发明实施例可以执行图3和图4所示实施例的方法流程；如图8所示，步进电机81、数字信号处理模块82、探针83、电容传感器84。其中，盛放试剂的试管放置在金属工作台上，探针83设置在加样尖的端部，电容传感器84与探针83可以设置成一体。本发明实施例为了形象起见，将电容传感器84和探针83分别标号。

当步进电机81驱动探针83接触到试管内试剂的液面时，数字信号处理模块82通过电容传感器84的输出电压值的变化值判定探针83已经探测接触到液面；当探针83接触到液面并且电容传感器84的输出电压值的变化值大于预设阈值时，数字信号处理模块82通过步进电机81控制探针83停止运动，并控制探针83沿着试管向上运动以脱离液面；当电容传感器84的输出电压值的变化值小于预设阈值时数字信号处理模块82断定探针83完全脱离液面。

进一步地，数字信号处理模块82还可以包括：构建单元821、累加单元822、第一计算单元823、第二计算单元824以及脉冲生成单元825；其中，构建单元821根据所述电容传感器的输出电压值对应的采样数据序列中的零时刻序列构建所述探针在零时刻的灰色模型，得到零时刻对应的输出序列；累加单元822对所述零时刻对应的输出序列进行一次累加从而生成序列累加后的序列；第一计算单元823根据所述零时刻对应的输出序列和所述累加后的序列计算得到灰色微分方程；第二计算单元824通过求解所述灰色微分方程得到滤波后的电容传感器的电压输出值。

脉冲生成单元825产生脉宽调制波从而为电容传感器84提供固定频率的激励信号。

进一步地，第二计算单元824还可以包括：第一计算子单元和累减子单元；其中第一计算子单元，用于通过求解所述灰色微分方程对应的白化微分方程，得到所述灰色微分方程的灰色微分式；累减子单元，用于对所述灰色微分式进行累减，生成所述灰色微分方程对应的灰色模型序列；所述灰色模型序列即为所述电容传感器滤波后的输出电压值。

进一步地，所述数字信号处理模块还用于通过控制所述步进电机正反转的切换，从而使得所述步进电机驱动所述探针再次沿着试管向下运动重复液面探测过程，使得所述探针在所述液面上下设定幅度范围内往复运动，从而动态测量所述液面的高度。

本发明实施例提供的液位探测系统，通过电容传感器的输出电压值的变化量作为探针到达液面的探测标准，有效地消除了探针浸润现象引入的误差，从而使得探针能够准确地探测液位，进一步地最大限度地减少了探针挂液引起的携带污染。

为了更清楚地理解本发明实施例的技术方案所带来的有益技术效果，通过对本发明实施例提供的技术方案进行重复性测试，得出图9所示的对本发明实施例中的电容传感器进行重复性测试的结果示意图，探针接触到液面之前数字信号处理模块已经开始采样，并将前50个采样点的平均值作为电容传感器在零时刻对应的输出电压值。电容传感器的输出值和起始值之间的差值即为电容传感器的输出电压值的变化值。进行30次液位测量的电容传感器输出波形如图9所示，通过对30次测量曲线的观察分析，可以看出：控制步进电机运动距离，使得探针每次进入液体的深度相同，电容传感器的输出电压值均是从1.47伏（V）降到0.99V，并且当电容传感器的输出电压值从起始值变化0.1V时，所需的采样点数均为10个。在每次测量中电容传感器的输出电压值的变化值0.1V对应步进电机进入液体的深度相同，具有良好的重复性。

综上，本发明实施例通过电容传感器的输出电压值的变化量作为探针到达液面的探测标准，有效地消除了探针浸润现象引入的误差，从而使得探针能够准确地探测液位，进一步地最大限度地减少了探针挂液引起的携带污染，保证了酶免分析仪中加样量的准确性；通过对采样结果中的噪声进行滤波，提高了电容传感器输出结果的准确性，为电容传感器输出值变化量的准确判断提供保证。此外，电容传感器的输出电压值的变化量可以通过在设计电路时的具体参数选择最佳变化量作为探针到达液面的探测标准，从而有效地消除浸润现象引入的误差；通过使用探针式电容传感器实现了对液位的动态探测，因此提高了探测液位的准确性，并且最大限度减少探针挂液引起的携带污染。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种液位探测方法，其特征在于，所述方法包括：

当步进电机驱动探针接触到试管内试剂的液面时，通过电容传感器的输出电压值的变化值判定所述探针已经探测接触到所述液面；

当所述探针接触到所述液面并且所述电容传感器的输出电压值的变化值大于预设阈值时，通过所述步进电机控制所述探针停止运动，并控制所述探针沿着所述试管向上运动以脱离所述液面；

当电容传感器的输出电压值的变化值小于所述预设阈值时断定所述探针完全脱离所述液面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过数字信号处理模块产生脉宽调制波从而为所述电容传感器提供设定频率的激励信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述电容传感器的输出电压值的变化值判定探针已经探测接触到液面的步骤包括：

根据所述电容传感器的输出电压值对应的采样数据序列中的零时刻序列构建所述探针在零时刻的灰色模型，得到零时刻对应的输出序列；

对所述零时刻对应的输出序列进行一次累加从而生成序列累加后的序列；

根据所述零时刻对应的输出序列和所述累加后的序列得到灰色微分方程；

通过求解所述灰色微分方程得到滤波后的电容传感器的电压输出值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过求解所述灰色微分方程得到滤波后的电容传感器的电压输出值的步骤包括：

通过求解所述灰色微分方程对应的白化微分方程，得到所述灰色微分方程的灰色微分式；

对所述灰色微分式进行累减，生成所述灰色微分方程对应的灰色模型序列；所述灰色模型序列即为滤波后的所述电容传感器的输出电压值。

5.根据权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，所述当电容传感器的输出电压值的变化值小于所述预设阈值时断定所述探针完全脱离液面之后还包括：

通过所述步进电机正反转的切换驱动所述探针再次沿着试管向下运动重复液面探测过程，使得所述探针在所述液面上下设定幅度范围内往复运动，从而动态测量所述液面的高度。

6.一种液位探测系统，其特征在于，所述系统包括：步进电机、数字信号处理模块、探针、电容传感器；其中，

当所述步进电机驱动所述探针接触到试管内试剂的液面时，所述数字信号处理模块通过所述电容传感器的输出电压值的变化值判定所述探针已经探测接触到所述液面；当所述探针接触到所述液面并且所述电容传感器的输出电压值的变化值大于预设阈值时，所述数字信号处理模块通过所述步进电机控制所述探针停止运动，并控制所述探针沿着所述试管向上运动以脱离所述液面；当电容传感器的输出电压值的变化值小于所述预设阈值时所述数字信号处理模块断定所述探针完全脱离所述液面。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数字信号处理模块包括：

脉冲生成单元，用于产生脉宽调制波从而为所述电容传感器提供固定频率的激励信号。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数字信号处理模块包括：

构建单元，用于根据所述电容传感器的输出电压值对应的采样数据序列中的零时刻序列构建所述探针在零时刻的灰色模型，得到零时刻对应的输出序列；

累加单元，用于对所述零时刻对应的输出序列进行一次累加从而生成序列累加后的序列；

第一计算单元，用于根据所述零时刻对应的输出序列和所述累加后的序列计算得到灰色微分方程；

第二计算单元，用于通过求解所述灰色微分方程得到滤波后的电容传感器的电压输出值。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第二计算单元包括：

第一计算子单元，用于通过求解所述灰色微分方程对应的白化微分方程，得到所述灰色微分方程的灰色微分式；

累减子单元，用于对所述灰色微分式进行累减，生成所述灰色微分方程对应的灰色模型序列；所述灰色模型序列即为所述电容传感器滤波后的输出电压值。

10.根据权利要求6～9任一所述的系统，其特征在于，所述数字信号处理模块还用于通过控制所述步进电机正反转的切换，从而使得所述步进电机驱动所述探针再次沿着试管向下运动重复液面探测过程，使得所述探针在所述液面上下设定幅度范围内往复运动，从而动态测量所述液面的高度。

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