CN105917199A - 电容式感测探针运动控制系统 - Google Patents

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Abstract

提供了各种方法和系统以控制探针朝容器中持有的流体移动。探针移向流体，以获取容器中流体的样本。为了获取样本，探针被致动以撞击流体表面并以预定距离通过流体表面。其结合了探针本身的电容式感测用来支持接近引擎，用于控制该探针的运动。该接近引擎基于电容测量，并且在某些情况下基于探针的位置信息而确定探针的速度。该接近引擎确保探针击中容器中的流体表面，以便获取样本，同时确保探针不会碰到容器的底部。

Description

电容式感测探针运动控制系统
优先权数据
本申请是要求于2014年1月28日提交、题为“CAPACITIVE SENSINGPROBE MOTION CONTROL SYSTEM”的美国非临时专利申请序列号14/165971的优先权的国际专利申请，其在此通过引用以其整体并入本文。
技术领域
所公开的技术涉及关于水位感测的控制系统，并且更具体地，涉及应用于水位感测的电容式感测的探针运动控制系统。
背景技术
水位感测器检测流动的物质(包括流体，浆液，颗粒材料和粉末)的水位。由于重力，流体和流化固体流动成为在他们的容器中基本处于静止(或其他物理边界)，而大多数散装固体倾斜与峰值成角度。被测定的物质可以是在容器内。水位测量可以是连续的或点值。连续的水位感测器测量在指定范围内的水位，并确定物质在某个地方的确切量，而点水位感测器仅指示该物质是否在感测点的上方或下方。通常后者检测过高或低的水位。
有许多物理和应用程序变量影响工业和商业流程的最佳水平监测方法的选择。选择标准可以包括以下的一种或多种：相(流体、固体或浆液)、温度、压力或真空、化学介质的介电常数、介质密度(比重)、搅拌(动作)、声或电噪声、振动、机械冲击、罐或箱大小和形状。应用约束也是重要的，其可以包括：价格、精度、外观、反应率、易于校准或编程、物理尺寸和仪器的安装、监测或控制连续或离散(点)水位。
发明内容
提供了各种方法和系统以控制朝向在容器中流体移动的探针。探针移向流体，以获取容器中流体的样本。为了获取样本，探针被致动以撞击流体表面并以预定的距离通过流体表面。其结合了探针本身的电容式感测用于支持接近引擎，用于控制该探针的运动。该接近引擎基于电容式测量确定探针的速度，并且在某些情况下，基于探针的位置信息。该接近引擎确保探针击中容器中的流体的表面，以便获取样本，同时确保探针不会碰到容器的底部。
附图说明
为了提供本公开内容的更完整理解和其特征和优点，结合附图参考下面的描述，其中，类似的参考数字表示相同的部件，其中：
图1示出根据本公开的一些实施例的高分辨率电容至数字转换器(CDC)的示例性实施方式；
图2示出根据本公开的一些实施例，在控制系统中利用高分辨率电容至数字转换器和运动控制引擎的示例性配置；
图3示出根据本公开的一些实施例的探针位置与电容的示例性曲线图(探针接近空试管)；
图4示出根据本公开的一些实施例的探针位置与电容的示例性曲线图(探针接近非空试管)；
图5示出根据本公开的一些实施例的探针和板之间的距离与电容(对于对应于三个探针的三个不同系列的数据，每个探针接近在三个不同流体水位的非空试管)的示例性曲线图；
图6示出根据本公开的一些实施例，探针和板之间的距离与基于空试管的数据标准化的电容的示例性曲线图(对于对应于三个探针的三个不同系列的数据，每个探针接近在三个不同流体水位的非空试管)；
图7示出根据本公开的一些实施例，探针和板之间的距离与在图6中所示的标准化数据集的电容变化的示例性曲线图(对于对应于三个探针的三个不同系列的数据，每个探针接近在三个不同流体水位的非空试管)；
图8示出根据本公开的一些实施例的读数与电容的示例性接近图；
图9示出根据本公开的一些实施例，一旦符合流体表面的探针位置与电容的示例性图；
图10示出根据本公开的一些实施例，由向容器移动探针的控制系统可使用方法的示例性流程图；
图11示出根据本公开的一些实施例的位置信息对电容测量的示例性幂级数函数估计；和
图12A-B示出根据本公开的一些实施例的可用来控制系统的两个示例性电容至数字转换器，用于测量电容。
具体实施方式
理解电容式感测
电容式感测是基于电容耦合的技术。电容式感测器可检测电容感测器附近的材料的特性，诸如电介质混合物的特性。该材料可以是导电的和/或具有不同于其周围的介电。电容性感测用于许多不同类型的感测器，包括那些以检测和测量接近度、位置或位移、湿度、流体水位和加速度。电容式感测已成为如更受欢迎，用于检测电容变化的电容式感测器变得更加精确和可靠。例如，电容感测器用于许多设备，诸如膝上型触控板、数字音频播放器、计算机显示器、移动电话、移动设备、平板电脑等。由于他们的通用性、可靠性和耐用性以及相对于机械开关降低的成本，设计工程师继续选择电容式感测器。本发明着重于如何使用电容感测，用于控制探针朝容器中的流体表面移动，并且在一些情况下，如何确定容器中的流体的水位。
电容感测系统通常提供在包括两个充分导电物体的系统中的电容器，即，导电性“板”。特别是，电容式感测器可以测量在一个或多个这些导电物体的表面上的电荷，以确定电容器的电容。电容将提供在两个导电物体之间形成的电容器中的电介质混合物的一些指示。这些充分导电物体中的一个或两个可以是电极(例如，使用充分导电材料形成的)，其中该电极被激发源刺激以产生电场。这些充分导电物体中的一个或两个可由电容式感测器(例如，通过电容至数字转换器(CDC))读取，以确定充分导电物体上的表面电荷量，其中该表面电荷测量，即电容测量，提供由系统形成的电容器的两个“板”之间的电容的指示。
图1示出根据本公开的一些实施例的用于电容感测系统的高分辨率电容至数字转换器(CDC)的示例性实现。CDC与电容器CSENSOR接口，即，具有检测电极的电容。电容器的板之一被连接到激励源，它提供了在电容器CSENSOR的电压V。由激发源提供的电压V(除了方波激励信号，可以提供任何合适的波形)依次提供荷输入到电容器。CDC测量感测电极上的表面电荷Q。因为Q具有与电容C和电压V的直接关系，表面电荷的测量从而提供了电容测量。CDC可以连续采样通过CSENSOR的电荷。
在一些实施例中，测量被提供给积分器，用于量化的比较器和数字滤波器(组合可依赖于CDC的具体实现)。一般地，输出提供数字信号，其表示由电容式感测器所进行的电容测量。然后该数字信号可以被提供给处理器，用于进一步处理。
在试管或容器中水位检测的不同方法
诊断仪器必须与小容器流体工作，诸如测试管、试管和试剂瓶。流体水位必须是已知的，用于(移动)探针和容器之间的适当接口，用于吸样(即，获取刚在流体的表面下方的样本)。通常情况下，诊断仪器可需要1毫米精度和小于0.5mm的分辨率。这些系统的挑战包括保持高速的移动探针、环境敏感性、一致性、复杂性和成本。
容器的一种类型是试管，其是圆形或正方形横截面的小管，一端密封，由塑料、玻璃或熔凝石英(为UV光)制成并设计以容纳用于光谱实验的样本。一次性塑料试管通常用于快光谱测定法，其中，速度比高精度更重要。
诊断仪器可以经常移动大量试管，同时探针或多个探针以相对快的速度采样每个试管。探针典型地包括中空管，具有尖头用于通过该管的中空部分提起流体的样本。探针允许流体样本的精确量被提升/吸出容器。探针最好位于或基本上接近流体的表面下的规定深度，以最大化容器中现有样本的使用(样本足够但不会太大)。出于这个原因，准确的水位感测和探针的控制是对于提供有效的吸样系统是很重要的。
一般而言，许多机制可用来测量流体水位。超声波，雷达和激光的解决方案是可能的，但也是非常昂贵的。试管内诊断(IVD)系统可以采用射频(RF)信号，以确定相对于流体表面的探针位置。这个系统已知是相当嘈杂的。它是一个EMI发射，这可能是一个问题。这也是从外界电磁辐射干扰非常敏感。
水位感测中电容感测的一个实施包括：将多个感测器置于罐之内或之外的离散水位，以检测离散水位(例如，满罐、罐空和其它固定的流体水位)。这个实现对于尺寸相当大和永久(不易一次性的)的容器和其中低分辨率水位测量是可以容忍的应用是实用的。对于其中使用试管或类似的测试样本容器的应用，试管一个接一个就位，探针比较容易对于给定的试管对齐，或对于在试管一侧的电容式感测器探针对于给定的试管对齐。另外，虽然该方法用于确定绝对填充量是优异的，而没有精确的电机控制，确定相对于流体表面的探针位置是非常困难的。
在水位感测中电容感测的另一实现包括：将两个导电探针置于由容器保持的流体(其长度从容器的顶部向容器的底部延伸)，以监视水位的变化。如果导电探针可以保持在容器中静止并在流体水位监视操作的全部过程中淹没在流体中，该实现是实用的。由于在诊断设备设置中的污染问题，在流体里面放置该探针是不实际的。探针需要每次试验后被丢弃或清洁。
控制系统中改进的电容式感测
控制系统的一个目的是使用运动控制引擎以足够的速度移动探针，同时具有探针位置相对于流体表面的足够的测量精度，以预测在容器中的即将接触流体表面。采用电容-数字转换器(CDC)，控制系统(例如，包括接近引擎)从电容式感测器获取电容测量作为输入。使用电容测量和可选的运动控制引擎的探针的位置信息，具有控制系统的接近引擎的处理器可发送信号到运动控制引擎(或传送指示运动控制引擎发送数据的数据)，以适当地移动探针朝容器中的流体表面，并一旦探针击中流体表面停止探针。
采用电容式感测优于RF电平感测解决方案，因为电容式感应不受到EMI敏感性的影响，CDC的代尔塔-西格玛调制趋于过滤了这一点。CDC也可过滤掉电源线频率的干扰。
改进的感测电容
在本公开中，进行电容测量的电容器包括两个端子/平板：导电板，其位于保持流体的容器的下方，和移动探针本身。激励信号被施加到电容器的一个端子/板，另一端/板连接到电容-数字转换器(CDC)的输入。无论哪个端子连接到激励信号或CDC输入，所测量的电容可以是相同的。所测量的电容的绝对值可取决于板和探针的形状因子，电介质的构成，从探针到板的距离，和其他环境因素。注意，该电介质可包括空气，流体，和用于保持所述流体(按顺序从探针到板的试管下方)的试管。当探针接近板时，该控制系统利用该介质混合性质的改变。
在它的最简单的形式中，电容器可以被描述为两个平行板，它们之间具有介电材料。电容的值随着板尺寸，一个板相对于另一个的取向，以及介电常数等因素而改变。通过利用这些变量，电容感测器可以测量不常用电容器的电容的变化值，以确定相对于流体表面的探针位置。
在控制系统中设置用于电容式感测器的电容器是独特的、非平凡的。本发明利用装置，其中电容感测器的电容的两个“板”是通过向容器中的流体移动探针和容器下方的导电板形成。通过并入探针本身用于电容测量，并在探针下方提供相对非侵入性的导电板，该设置有利地降低了机械系统的复杂性。并入探针本身作为电容器的极板也可有利地允许进行更好的测量，其可更直接反映探针到流体表面的相对距离。
移动探针可以是高度导电的(例如，用金属制成)或足够的导电性(例如，用塑料或复合物制造，使得所述探针可以是一次性的)。容器下方的导电板可以用任何合适的导电材料制成。导电板的形状和尺寸可以根据应用而变化。优选地，导电板容器的底部的尺寸和形状相匹配。
改进的控制系统
本公开的控制系统基于输入向容器移动探针，包括电容感测器的电容测量(例如，涉及CDC)以及从电机控制引擎探针的可选位置信息。该控制系统可输出信号，用于控制运动控制引擎，用于移动探针。在这个控制系统中，电容测量和位置信息可被认为是用于调节运动控制引擎的反馈信息。
图2表示根据本公开的一些实施例，在控制系统中利用两个高分辨率电容-数字转换器以及运动控制引擎的示例性配置。该控制系统200包括其上具有接近引擎202的处理器，电容-数字转换器(CDC)204，运动控制引擎206，和存储器208。控制系统200被配置为控制探针210朝向(以及远离)容器214中的流体212移动。流体212可具有流体表面216。
用于将电容器的电容测量(即，指示探测器210和容器下方的导电板224之间的电容218的测量值)转换成数字信号的CDC 204可以包括改性的Δ-Σ模数转换器(ADC)。Δ-ΣADC基于电荷平衡结构，其中有相比于参考电压的未知输入电压。每个输入，未知和参考，在相同的电容上充电，使两者比较。当ADC用作CDC，此结构稍有改变。在这种情况下，该装置提供了已知激励信号，其可以(1)经由同轴电缆连接220到CDC到探针而提供到探针，或(2)经由同轴电缆连接226到CDC而提供到导电板224。由于输入是目前已知的，电荷平衡结构用于确定相对于已知参照电容的未知输入电容的值。在实践中，这种方法可用于辨别阿托法拉(AF，或10^-18法拉)数量级上的电容差异。
该接近引擎202(实施其上或作为一个或多个处理器，和/或通过一个或多个处理器上执行的指令提供，其中指令被存储在存储器208)耦合到CDC 204的输出，并且被配置成从CDC 204接收指示电容218测量的电容测量。在某些情况下，测量可以由CDC 204存储在存储器208，并可以由接近引擎202访问(或者可通过接近引擎202读取)。该接近引擎202可以使用测量来确定用于控制运动控制引擎206的信号。接近引擎202可以发送信号到运动控制引擎206，以向流体和/或容器移动探针。传送信号到运动控制引擎可包括：由该接近引擎202存储该信号在存储器208(或数据)，并且使运动控制引擎206可访问信号，以调整探针210的移动(或指示探针210移动一定的距离和/或以一定的速度)。
运动控制引擎206被配置为根据一定距离(例如，固定步骤)，或根据一定速度(例如，根据在存储器208表示距离或速度的数据)移动探针。探针的位置信息和其朝向容器移动可由运动控制引擎206确定和提供。例如，位置信息可以从在距离近的运动得到。在另一实例中，位置信息可以从在一段时间的过去速度得到。在某些情况下，对于步进电机，位置信息可以通过发送给马达用于旋转一定度数的脉冲数量而得。度的角运动可以被转换为直线距离，并提供了探针的位置信息。运动控制引擎206可写位置信息到存储器208，并且可以提供给该接近引擎202，用于处理位置信息。值得注意的是，位置信息不需要用于控制系统的正确操作，但也可以用作反馈信息，以协助或改进控制系统。进一步指出，由电机控制引擎提供的位置信息只提供探针的位置估计，并且可能并不总是很准确或精确。
表征电介质混合
因为探针的运动控制是基于电容测量和任选的相对于导电板的探针的位置信息，首先必须了解电介质组合的特性，以预测探针何时将达到流体表面。基于流体本身和在应用中使用的容器，介质混合物的特征可以有所不同，因为流体与容器本身的差异可影响电容读数。此外，电容测量本身可以依赖于探针和导电板。
当探针接近板(在某些情况下，当探针的位置信息或数据增加或减少)时，电容增大。这种变化的性质已被观察到幂级数函数(二次)。但幂级数的系数在探针的路径中流体中的存在下变化。由于流体具有比空气更大的介电常数，当流体变得探针和板块之间的电介质的更高比例，电容更迅速地增大。当探针接近非常接近流体表面，所测量的电容值加速。这可用于确定邻近流体表面(即，到流体表面的相对距离，或者探针如何接近流体表面)。此外，如果用户可以表征系统无流体存在，有可能以这样的方式标准化测量数据：它仅仅反映电介质组合，并具体而言该混合物对流体的影响。该系统可经配置以确定流体表面的实际水位/位置。
基准数据：空试管
图3示出根据本公开的一些实施例的探针位置与电容的示例性曲线图(探针接近空试管)。该数据示出了被配置为向空试管移到约90毫米的探针。0毫米对应于起始位置，90mm对应于更接近空试管和空试管下方的导电板的结束位置。当探针移向空试管和空试管下方的导电板更近，探针位置值增加。根据设置，规模和可能的位置的值可以不同。
当探针接近空容器，电容随着探针和空试管之间的距离减小。一般来说，电容反比于两个电容板之间的距离。当该距离越小，电容也更大。因此，图3中所示的数据集示出了随着探针接近空试管时电容增长(即，探针的位置信息/测量增加)。虽然不是主要的贡献，当探针朝向空试管接近并稍微有助于电容的增加，空试管作为电介质混合的部分的比例增加。此外，数据显示：当探针越来越接近到空试管，斜率上升。如果位置信息是已知的，在其中试管非空以除去试管对电容测量的影响的设置中，此基准数据可用于标准化电容测量。
功率系列模型和不连续性：非空试管
图4示出根据本公开的一些实施例的探针位置与电容的示例性曲线图(探针接近非空试管)。在这个例子中，试管在其中保持流体，流体水位在探针的位置信息方面测定在约76.1毫米。从图中，特征可以相对于所述流体/探针关系注意。一旦探针已与流体接触，电容曲线存在不连续性。大的跳跃之后的测定值显示为接触之前测定的值的倍数。进一步指出，当探针通过流体移动，所测量的值的变化很少。不连续性是如此之大，预定电容的阈值(或某一其它合适触发准则)可用于检查不连续性(指示该探针击中流体表面，或者该探针很可能已经触及容器中的流体表面)。由于该控制系统的目的是在已知的小的距离向流体插入探针，此行为是重要的控制系统，因为它可用于确定探针何时应该停止朝向试管下方的导电板移动。
示例：三种不同流体水位的电容值
图5示出根据本公开的一些实施例的探针和板之间的距离与电容(对于对应于三个探针的三个不同系列的数据，每个探针接近在三个不同流体水位的非空试管)的示例性曲线图。随着探针与导电板之间的距离减小(即，探针位置信息值增加)，则电容增加，如图4的曲线图观察。显示三个系列数据的该图示出电容相关于流体水位的差异。在不同的流体水位和探针位置信息的已知数据可用于根据由已知数据显示出的传播确定确切的流体水位。它可以表明：在探针和导电板之间的相等距离，电容对于更满的试管是最高的(例如，具有在77.1毫米的流体水位)，电容对于较不满的试管更低(例如，具有85.2毫米的流体水位)，并且电容对于甚至更少填充的试管是最低的(例如，具有在89.2毫米的流体水位)。
示例：三种不同流体水位的电容值
图6示出根据本公开的一些实施例，探针和板之间的距离与基于空试管的数据标准化的电容的示例性曲线图(对于对应于三个探针的三个不同系列的数据，每个探针接近在三个不同流体水位的非空试管)。本公开内容的范围内的标准化可以包括：基于具有相同的探针的位置信息的空试管观察的相应电容值而减去或除以测量/生电容值。通过标准化数据，观察到差异或扩散，由此标准电容值对于下部的流体水位显着变小。如图所示的曲线图，规格化的电容测量在77.1毫米(较满)的流体水位最高，在85.2毫米的流体水位(较不满)较低，在89.2毫米(最不满)的流体水位最低。这可用于确定流体表面是否是非常接近试管的底部是有用的，因此必须小心不要驱动探针通过底部。如见于图6中，曲线之间的传播是显而易见(比图5中所示的原始数据更明显)，因此可以用作在各种流体水位和探针位置信息的已知数据，以根据传播以确定确切的流体水位。它进一步指出，对于标准化数据，曲线的斜率也比原始数据的斜率较大。斜率的更剧烈变化可是比较有用/有益于设置斜坡的阈值或改变电容变化与位置变化的估计斜率。
示例：三种不同的流体水位，电容值相关于探针位置的斜率
图7示出根据本公开的一些实施例，探针和板之间的距离与在图6中所示的标准化数据集的电容变化的示例性曲线图(对于对应于三个探针的三个不同系列的数据，每个探针接近在三个不同流体水位的非空试管)。除了使用电容测量的原始值，控制系统可以另外或替代地利用斜率的增加，即电容变化对探针位置的变化，以控制探针对流体的运动。斜率允许控制系统来预测探针如何接近流体表面并检测电容的不连续以检测探针是否命中流体表面。如在图中看到地，预定的斜率阈值(或某一其它合适触发准则)可用于确定探针是否达到接近容器中的流体表面。
斜率可以不同方式被确定(或估计)。斜率可以通过在适当的位置信息的变化除以电容的变化来确定。但是，位置信息并不总是可用。因此，该斜坡可以在运行期间估计，简单地基于在电容测量的连续读数(改变非常快，以规则/周期性间隔，而探针在读取之间或多或少的相同距离移动)，或附近的电容读取在非常短的时间间隔进行(例如，当探针移动时的几毫秒内)之间的电容变化进行。当进行电容读取时，当探针基本恒定的速度移动，一个示例性系统可以83赫兹一样快在读取之间非常短的时间间隔得到电容测量。当探针以基本上恒定的速度移动，在一个示例性系统中的测量结果可具有50ms以上的间隔，而对于另一个示例性系统的时间间隔可以是5毫秒或更小。
示例：接近曲线图
图8示出根据本公开的一些实施例的读数与电容的示例性接近图。这种接近曲线图说明电容以周期性的间隔在不同的读取的行为(不过，所述探针如何快速朝容器移动未示出)。所示的接近轮廓显示使用修改后的指数移动平均如何过滤数据。任何类型的合适过滤器(例如，其它移动平均过滤器，或平滑功能)可用于在操作期间过滤数据，以在电容测量过滤掉噪声。第一组读取(例如，1-23)表明电容的快速上升，这是移动平均在一开始追赶的假象，而不是在实际原始电容测量急剧增加的结果。最后一组过滤数据的读取表现几乎是垂直线(例如，793向上)，急剧增加的电容，它表示原始电容测量实际的跳跃。
示例：基于电容式读数水平测定
图9示出根据本公开的一些实施例，一旦符合流体表面的探针位置与电容的示例性图。该图说明，当控制系统检测到探针已达到流体表面的电容测量，当标准化时，可用于推断流体水平(示出了可在图7中看到的传播)。并非简单地检测该探针靠近流体水平，可使用标准化数据的该图来确定液位的绝对高度。这使得控制系统检测流体水平何时对于获取进一步的样品变得过低，并如果愿望是对试管重复进行则避免驱动探针太靠近杯的底部。可替换地，如果位置击中预定位置阈值以避免驾驶探针太靠近杯的底部，位置信息(如果有)可被用作单独或额外的检查以停止探针。
接近方法
图10示出根据本公开的一些实施例，由向容器移动探针的控制系统可使用方法的示例性流程图。该示例性方法1000提供了探针朝容器中的流体的表面移动，同时进行电容测量以及可选的位置信息。此方法允许将探针朝向流体表面尽快移动，但当探针靠拢到流体表面时减慢探针。一旦撞击流体表面或达到流体表面下方的预定距离，该方法也停止探针。
在该图中示出了用于控制向在其中具有流体的容器的探针移动的方法。探针可以已经以第一速度移动，例如在每第二个X毫米)(框1002)。该接近引擎可以(可选地)从电机控制引擎接收位置信息(框1004)，以及从电容-数字转换器(CDC)电容测量接收(框1006)。这些步骤的顺序可以不同。这是可能的，这取决于数据带宽，位置信息不可用而电容测量可用，或当位置信息可用而电容测量不可用。
该接近引擎可以检查电容测量是否超过预定的电容阈值(检查1008)。若电容测量值超过(或符合或超过)预定的电容阈值，则确定所述探针很可能已经击中流体表面。因此，该接近引擎会导致探针停止移动(框1010)。这将允许探针表面刺透后很快停止(例如，取决于系统配置参数，表面下方少至0.05-0.25mm)。如果电容测量没有超过预定的电容阈值，则该方法继续。
该接近引擎可以检查电容测量的相对于位置信息的斜率是否超过(或符合或超过)预定斜率阈值(检查1012)，这可表明该探针达到接近在所述流体的表面容器(例如，5-10毫米从流体表面，或甚至更小距离，例如从流体表面离开1-2mm，取决于测量的准确度和速度)。如果电容测量相对于位置信息的斜率超过预定的斜率阈值，该接近引擎导致探测通过以第二速度(例如，Y毫米/秒)移动所述探针以减速(框1014)。如果电容测量相对于位置信息没有超过所述预定的阈值斜率，该方法继续，以及例如循环回到框1004。
为了说明方法，以下段落描述用于控制向其中具有流体的容器移动探针的示例性方法。该方法包括：在接近引擎从电容传感器接收第一电容测量，其中，所述第一电容测量指示探针和容器下方的导电板之间的电容。有利地，该接近引擎可以从电容测量推断出探针到流体表面的接近程度。基于该电容测量，该接近引擎可确定适当移动探针的第一速度，和该接近引擎可以发送第一信号到运动控制引擎，用于以第一速度将探针朝容器移动。例如，根据不同的电容测量，该接近引擎可以在朝向容器中的流体加快或减慢探针。
在某些实施例中，该方法可进一步包括接收来自运动控制引擎的第一位置信息，其中，第一位置测量指示探针相对于所述导电板的位置。可进一步基于第一位置信息确定第一速度。例如，位置信息可以标准化，斜率确定用于减慢探针和/或电平确定，以防止探针在下一吸样走得太远到试管。
在某些实施例中，该方法可进一步包括：如果第一电容测量值超过预定电容阈值，第一速度为零以停止向容器移动探针。这使得接近引擎一旦检测电容测量的不连续则停止探针的运动，因为预定电容阈值表示该探针很可能已经击中容器内流体的表面。
在一些实施例中，该方法可以进一步包括：接近引擎接收来自电容传感器的第二电容测量和第三电容测量。第二电容测量和第三电容测量各自表示探针和容器下方的导电板之间形成的电容。电容测量(即，进行连续读的电容测量或很短的时间间隔内的电容测量)使得估计电容测量相对于位置信息的斜率(即使位置信息不可用)。为了确定斜率，该接近引擎确定(或计算)第二电容测量和第三电容测量之间的电容变化。基于读之间电容的变化，斜率可以估算。
在一些实施例中，该接近引擎从运动控制引擎接收第二位置信息和第三位置信息，其中，所述第二位置信息和第三位置信息分别表示相对于所述导电板的探针的位置。第二和第三电容测量和位置信息使所述电容测量相对于位置信息的斜率被确定(而不是仅由电容测量估计)。为了确定斜率，该接近引擎确定(或计算)第二电容测量和第三电容测量之间的电容变化，并确定第二位置信息和第三位置信息之间位置的变化。基于这两个变化，可确定斜率。
斜率可以影响该探针应移动的速度。因此，该接近引擎可以发射第二信号到运动控制引擎，用于以第二速度朝容器移动探针，其中所述第二速度是基于斜率(或估计斜率)确定的。如果斜率(或估计斜率)超过预定的斜率阈值，所述第二速度被设定为比所述第一速度更慢，以减缓所述探针的运动。这一条件可表明该探针达到接近容器中的流体的表面。
在某些情况下，电容传感器，用或在电容-数字转换器工作，被配置为测量所述探针和具有包括空气，在容器中的流体和容器的电介质混合物中的导电板之间的电容(从探针到导电板的顺序)。如果基准测量是可用的(例如，诸如图3中所示的数据)，该基准数据可用于提供容器对电容的贡献的模型。图11示出根据本公开的一些实施例的位置信息对电容测量的示例性功率拟合估计。具体地讲，示出示例性幂级数拟合基准电容测量(例如，逆转x电源配合)，其可用于基于观察到的位置信息内插基准电容测量。利用该模型，第一电容测量、第二电容测量和/或第三电容测量可以基于幂级数被标准化，其表示包括与从探针向空容器移动得到的电容测量的位置信息的测量数据的函数。有利的是，当探针移近到流体表面，标准化电容测量的斜率变化比在原始电容测量的斜率变化更为明显。这使得该系统具有更健壮的预定斜率阈值(或某一其它触发准则)，用于准确地确定或查明探针何时非常接近流体表面。
配置端子、接地和激励源
图12A-B示出根据本公开的一些实施例的可用来控制系统的两个示例性电容至数字转换器，用于测量电容。在图12A中，所示的系统对应于采用浮动电容传感器的CDC的示例性框图，其中被感测电容器的两个终端/板从地面被隔离。在图12B中，该系统示出对应于使用单端或差分电容传感器的CDC的示例性框图，其中电容器的一个端子/板被感测连接到地。
值得注意，公开的这些方法和系统在此使用这两种类型的CDC。选择哪个终端/板以激发和从终端/板读取(即，探针或容器下方的导电板)可以取决于应用。一般来说，浮动双端的电容传感器可以是更敏感(可以获得更好的电容测量)，高于单端电容性传感器。对于复杂性的原因，如果期望更简单的设计，应用可代替使用单端电容式传感器(例如，以避免信号连接到探针和导电板)。
在一个实施例中，电容传感器(CDC)被配置成通过提供激发源到探针和从导电板读第一电容测量而获取第一电容测量。在另一个实施例中，电容传感器(CDC)被配置成通过提供激发源到导电板和从导电板读第一电容测量而获取第一电容测量。这些实施例可以使用图12A所示的示例性系统来实现。
在一个实施例中，电容传感器(CDC)被配置成通过接地导体板、提供激发源到探针和从探针读取所述第一电容的测量而获取第一电容测量。可替代地，所述电容传感器(CDC)被配置成通过接地探针、提供激发源到导电板和从导电板读取第一电容测量而获取第一电容测量。这些实施例可以使用图12B所示的示例性系统来实现。
系统和方法的变型
另外，在上述各实施例的讨论中，电容器、时钟、DFF、分频器、电感器、电阻器、放大器、开关、数字核心、晶体管和/或其它组件可容易地被替换、取代或以其它方式修改，以适应特定的电路需求。此外，应该指出，使用互补的电子设备、硬件、软件等提供用于实现本公开的教导的同样可行的选择。
在一个示例实施例中，任何数目的电路和用于提供系统用于控制向着图的容器运动探针的组件可以在相关联的电子设备的电路板来实现。该板可以是一般的电路板，可以装在电子设备的内部电子系统的各种组件，并进一步为其他外围设备提供连接器。更具体地，电路板可以提供电连接，通过其该系统的其它部件可电通信。根据特定的配置需求、处理需求、计算机设计等，任何合适的处理器(包括数字信号处理器、微处理器、支撑芯片组等)、计算机可读非临时性存储元件等可以被适当地联接到所述板。其他组件(诸如，外部存储、另外的传感器、用于音频/视频显示器的控制器以及外围设备)可以通过电缆被连接到电路板插入式卡，或集成到板本身。
在另一示例实施例中，图的电路可以被实现为单独的模块(例如，具有相关联的部件和电路被配置为执行特定的应用程序或功能的设备)或实现为插件模块到应用电子设备的特定硬件。需要注意，本公开的具体实施例可以容易地包括在芯片上(SOC)包的系统中，无论是在部分或全部。SOC表示计算机或其它电子系统的组件集成到单个芯片的IC。它可以包含数字、模拟、混合信号以及经常射频功能：所有这些都可以在单个芯片衬底上提供。其他实施例可以包括多芯片模块(MCM)，具有多个位于单一的电子封装内并配置成彼此通过电子封装密切相互作用独立的IC。在各种其它实施例中，控制电路可以在一个或多个硅芯，被实现在专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和其他的半导体芯片。
此外，还必须要注意，所有的规格、尺寸以及且本文所概述的关系(例如，处理器，逻辑运算，数量等)只被提供用于示例和教学的目的。这样的信息可以变化相当大，而不脱离本公开的精神，或所附权利要求的范围。说明书只适用于非限制性示例，因此，它们应被理解为这样。在前面的描述中，示例实施例已经参考特定的处理器和/或部件安排描述。可以对这样的实施方式进行各种修改和改变，而不脱离示例和所附权利要求的范围。说明书和附图相应地应被视为示例性的而不是限制性的意义。
在某些情况下，本文中所讨论的特征可以适用于医疗系统，科学仪器，食品加工，化学加工，以及其中朝向流体表面控制探针状物体的运动是所希望的任何应用程序。在另一些示例方案中，本公开的教导可以适用于工业市场，包括涉及控制探针的运动的流体表面，以帮助驱动生产率、效率和可靠性的过程控制系统。
注意，利用本文提供的许多例子，相互作用可以在两个、三个、四个或更多个电部件来描述。然而，这已只为清楚和示例的目的进行。但是应当理解，该系统可以以任何合适的方式合并。沿着类似的设计方案，任何示出的组件、模块和图的元件可以以各种可能的配置相结合，所有这些显然在本说明书的范围之内。在某些情况下，可能会更容易通过只引用电元件的有限数量来描述一个或多个一组给定流的功能。但是应当理解的是，图和其教导的电路是容易可扩展的，并且可以容纳大量的组件，以及更复杂/精密的安排和配置。因此，提供的示例不应该限制范围或抑制电路的广泛教导为可能应用于其它无数架构。
注意，在本说明书中，包含在“一个实施例”、示例实施例”、“实施例”、“另一实施例”、“一些实施例”、“各种实施例”、“其他实施例”、“替代实施例”等中引用的各种特征(例如，元件、结构、模块、组件、步骤、操作、特性等)旨在表示，任何这样的功能都包含在本公开内容的一个或多个实施例，而是可或可以在相同的实施例被组合。
许多其它改变，替代、变化、改变和修改可以领域技术人员确定，它的目的是，本发明包括落入实施例和所附的权利要求的范围内的所有这样的改变、替换、变化、改变和修改。为了协助美国专利商标局(USPTO)以及本申请发布的任何专利的任何读者解释所附权利要求书，申请人希望指出本申请：(a)不打算任何所附权利要求书援引35USC第112条第六(6)，因为它存在于申请的公布日期，除非“装置，用于”或“步骤，用于”专门用于特定权利要求；和(b)不打算由本说明书中的任何陈述以否则不体现在所附的权利要求的任何方式来限制本公开内容。
其它注释、示例和实施
示例1是用于控制探针朝向其中具有流体的容器移动的方法，该方法包括：从一个电容传感器接收第一电容测量容器，其中，所述第一电容的测量指示所述探针和下方的导电板之间的电容；和发送第一信号给运动控制引擎，以第一速度朝容器移动探针，其中，所述第一速度是基于所述第一电容测量确定。
在示例2中，根据示例1的方法可任选地包括：接收来自运动控制引擎的第一位置信息，其中，所述第一位置信息是表示探针相对于导电板的的位置；以及其中所述第一速度基于第一位置信息确定。
在示例3中，根据示例1-2中任一项的方法可任选地包括：如果所述第一电容测量值超过预定电容阈值，第一速度是零以停止探针朝着容器的运动。
在示例4中，根据示例1-3中的任一项的方法可任选地包括指示该探针很可能已经击中在容器中的流体表面的预定电容阈值。
在示例5中，根据该方法示例1-4可以选择性地包括任何一个：接收来自电容传感器的第二电容测量和第三电容测量，其中，第二电容测量和第三电容测量各自表示探针和容器下方的导电板之间形成的电容；确定第二电容测量和第三电容测量之间电容的改变，以估计表示电容变化相对于位置信息改变的斜率；和发送第二信号给运动控制引擎用于以第二速度朝容器移动探针，其中所述第二速度是基于电容的变化来确定。
在示例6中，根据示例1-5中的任一项的方法可任选地包括：如果在电容的变化超过预定斜率阈值，所述第二速度小于所述第一速度，以减缓探针的运动。
在示例7中，根据示例1-7的任一项所述的方法可以任选地包括：指示所述探针到达靠近在容器中的流体表面的预定斜率阈值。
在示例8中，根据示例1-7的任一项的方法可任选地包括：电容传感器被配置以测量所述探针和具有包括空气，在容器中的流体和容器的电介质混合物中的导电板之间的电容。
在示例9中，根据示例1-8的任一项的方法可任选地包括：基于表示测定数据的幂级数函数标准化第一电容测量，包括从探测器向空容器移动得到的位置信息对电容测量。
在示例10中，根据示例1-9的任一项的方法可以任选包括：基于表示测定数据的幂级数函数标准化第二电容测量和所述第三电容测量，包括从探测器向空容器移动得到的位置信息对电容测量。
在示例11中，根据示例1-10中的任一项的方法可任选地包括：电容式传感器被配置成通过提供激发源到探针和从导电板读第一电容测量进行第一电容测量。
在示例12中，根据示例1-11中任一项的方法可任选地包括电容传感器被配置为通过提供激发源到导电板和从导电板读第一电容测量进行第一电容测量。
在示例13中，根据示例1-12中的任一项的方法可任选地包括电容传感器被配置为通过接地导体板，提供激发源到探针和从探针读出第一电容测量而进行第一电容测量。
示例14是用于控制探针朝向其中具有流体的容器的移动的系统，该系统包括：电容-数字转换器，用于从电容传感器转换测量值转换成数字信号；运动控制引擎，用于向容器移动探针；耦合到所述电容数字变换器的输出的接近引擎，经配置：接收来自电容传感器的第一电容测量，其中所述第一电容测量指示探针和容器下方的导电板之间的电容；和发送第一信号给运动控制引擎，以第一速度朝容器移动所述探针，其中所述第一速度是基于所述第一电容测量来确定。
在示例15中，根据示例14的系统可任选地包括：如果所述第一电容测量值超过预定电容阈值，第一速度是零以停止朝着容器运动探针。
在示例16中，根据示例14-15中任一项的系统可任选地包括该接近引擎还被配置成：接收来自电容传感器的第二电容测量和第三电容测量，其中所述第二电容测量和第三电容测量各自表示探针和容器下方的导电板之间形成的电容；确定在第二电容测量和第三电容测量之间电容的改变，以估计表示电容变化相对于位置信息改变的斜率；和发送第二信号给运动控制引擎用于以第二速度朝容器移动探针，其中所述第二速度是基于电容变化所确定的。
在示例17中，根据示例14-16中任一项的系统可任选地包括：基于表示测定数据的幂级数函数标准化第一电容测量，包括从探测器向空容器移动得到的位置信息对电容测量。
在示例18中，根据示例14-17中任一项的系统可任选地包括：该接近引擎还被配置为从运动控制引擎接收第一位置信息，其中，所述第一位置信息表示所述探针相对于导电板的位置；且其中进一步基于第一位置信息确定第一速度。
在示例19中，根据示例14-18中任一项的系统可任选地包括指示该探针很可能已经击中在容器中流体表面的预定电容阈值。
在示例20中，根据示例14-19中的任一项可任选的系统包括：如果在电容的变化超过预定斜率阈值，所述第二速度小于所述第一速度以减缓探针的运动。
在示例21中，根据示例14-20中任一项的系统可任选地包括指示该探针达到接近容器中的流体表面的预定斜率阈值。
在示例22中，根据示例14-21中任一项的系统可任选地包括：电容传感器被配置以测量所述探针和具有包含空气的电介质混合物，在容器中的流体以及容器的导电板之间的电容。
在示例23中，根据示例14-22中任一项的系统可任选地包括：基于表示测定数据的幂级数函数标准化第二电容测量和所述第三电容测量，包括从探测器向空容器移动得到的位置信息对电容测量。
在示例24中，根据示例14-23中任一项的系统可任选地包括：电容传感器被配置为通过提供激发源到探针和从导电板读取第一电容测量而进行第一电容测量。
在示例25中，根据示例14-24中任一项的系统可任选地包括：电容传感器被配置为通过提供激发源到导电板和从导电板读取第一电容测量而进行第一电容测量。
在示例26中，根据示例14-25中任一项的系统可任选地包括：电容感测器被配置为通过接地导体板，提供激发源到探针，并从探针读出第一电容测量而进行第一电容测量。
示例I是其上存储具有用于控制探针朝向具有流体的容器移动的指令的非临时性计算机可读存储介质，其中所述指令在由至少一个处理器执行时，致使所述至少一个处理器执行如下操作：接收来自电容感测器的第一电容测量，其中，所述第一电容测量指示探针和容器下方的导电板之间的电容；和发送第一信号给运动控制引擎以第一速度朝容器移动探针，其中所述第一速度是基于所述第一电容测量来确定。
在示例II中，根据示例I的介质可任选地包括：如果所述第一电容测量值超过预定电容阈值，第一速度是零，以停止探针朝着容器的运动。
在示例III中，根据示例I或II的介质可任选地包括至少一个处理器被进一步配置成执行以下操作：接收来自电容感测器第二电容测量和第三电容测量，其中，第二电容测量和第三电容测量各自表示探针和容器下方的导电板之间形成的电容；确定在第二电容测量和第三电容测量之间电容的改变来估计表示电容变化相对于位置信息改变的斜率；和发送第二信号给运动控制引擎用于以第二速度朝容器移动探针，其中所述第二速度是基于电容变化所确定。
示例A是一种包括用于执行示例1-13中的任一项的方法的装置。
在示例B中，示例A的装置可任选地包括用于执行该方法的装置，包括处理器和存储器。
在示例C中，示例B的装置可任选地包括所述存储器包括机器可读指令，在被执行时，使得所述设备执行所述方法。
在示例D中，权利要求37-39中任一项的装置，其中该装置是计算系统。
示例E包括至少一个计算机可读介质，包括指令，当被执行时，示例1-13中的任一项的方法或实现示例14-26中的任一项和A-D的装置或系统。
需要注意，上面描述的装置的所有可选特征也相对于本文描述的所述方法或过程来实现，和在示例细节可以在一个或多个实施例中的任何地方使用。
在第一示例中，提供了一种系统(其可以包括任何适当的电路、分频器、电容器、电阻器、电感器、模数转换器、DFFS、逻辑门、软件、硬件、链接等)可以是任何部分类型的计算机，它可以进一步包括耦合到多个电子分量的电路板。该系统可以包括装置，用于使用第一时钟计时从数字核心到宏的第一数据输出的数据，所述第一时钟是宏时钟；装置，用于使用第二时钟计时从宏的第一数据输出进入物理接口的数据，所述第二时钟是物理接口时钟；装置，用于使用宏时钟计时从数字核心的第一复位信号到所述宏的复位输出，第一复位信号输出用作第二复位信号；装置，用于利用第三时钟采样第二复位信号，它提供比所述第二时钟的速率更大的时钟速度，以产生采样的复位信号；和装置，用于响应于所采样的复位信号的过渡，复位物理接口的第二时钟到预定状态。
在这些情况下(见上文)，'装置，用于'可包括使用本文所讨论的任何适当的分量，以任何合适的软件、电路、集线器、计算机代码、逻辑、算法、硬件、控制器(但不限于)、接口、链路、总线、通信通道等。在第二示例中，该系统包括存储器，其还包含机器可读指令，当执行时导致系统执行上面讨论的任何活动。

Claims (20)

1.一种用于控制探针朝向具有流体的容器移动的方法，该方法包括：
从电容感测器接收第一电容测量，其中，所述第一电容的测量指示探针和容器下方的导电板之间的电容；和
发送第一信号给运动控制引擎，用于以第一速度朝容器移动探针，其中所述第一速度是基于所述第一电容测量来确定。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
从所述运动控制引擎接收第一位置信息，其中，所述第一位置信息表示探针相对于导电板的位置；和
其中，第一速度进一步基于第一位置信息确定。
3.如权利要求1所述的方法，其中，如果所述第一电容测量值超过预定电容阈值，所述第一速度是零，以停止探针朝着容器运动。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定电容阈值表示该探针很可能已经击中容器中的流体表面。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
从电容感测器接收第二电容测量和第三电容测量，其中，第二电容测量和第三电容测量各自表示探针和容器下方的导电板之间形成的电容；
确定第二电容测量和第三电容测量之间的电容变化，以估计表示电容变化相对于位置信息的改变的斜率；和
发送第二信号给运动控制引擎用于以第二速度朝容器移动探针，其中所述第二速度基于电容变化确定。
6.如权利要求5所述的方法，其中，如果电容变化超过预定斜率阈值，第二速度小于所述第一速度，以减缓探针运动。
7.如权利要求6所述的方法，其中，该预定斜率阈值表示该探针达到接近容器中的流体表面。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述电容式感测器被配置成测量所述探针和具有包含空气的电介质混合物的导电板、容器中的流体和所述容器之间的电容。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一电容测量是基于表示测量数据的幂级数函数标准化，所述测量数据包括从向空容器移动探针得到的位置信息对电容测量。
10.如权利要求5所述的方法，其中，所述第二电容测量和第三电容测量是基于表示测量数据的幂级数函数标准化，所述测量数据包括从向空容器移动探针得到的位置信息对电容测量。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述电容式感测器被配置成通过向探针提供激发源和从导电板读取第一电容测量而获取第一电容测量。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述电容式感测器被配置成通过向导电板提供激发源和从导电板读第一电容测量而获取第一电容测量。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述电容式感测器被配置成通过接地导体板，向探针提供激发源，并从探针读出所述第一电容测量而获取第一电容测量。
14.一种用于控制探针朝向其中具有流体的容器移动的系统，该系统包括：
电容至数字转换器，用于将电容感测器的测量转换成数字信号；
运动控制引擎，用于向容器移动探针；
耦合到所述电容数字转换器的输出的接近引擎，经配置以：
从电容感测器接收第一电容测量，其中，所述第一电容的测量指示探针和容器下方的导电板之间的电容的；和
发送第一信号给运动控制引擎，用于以第一速度朝容器移动探针，其中所述第一速度是基于所述第一电容测量来确定。
15.如权利要求14所述的系统，其中，如果所述第一电容测量值超过预定电容阈值，所述第一速度是零，以停止探针朝着容器运动。
16.如权利要求14所述的系统，其中，该接近引擎进一步被配置成：
从电容感测器接收第二电容测量和第三电容测量，其中，第二电容测量和第三电容测量各自表示探针和容器下方的导电板之间形成的电容；
确定第二电容测量和第三电容测量之间的电容变化，以估计表示电容变化相对于位置信息的改变的斜率；和
发送第二信号给运动控制引擎用于以第二速度朝容器移动探针，其中所述第二速度基于电容变化确定。
17.如权利要求14所述的系统，其中，所述第一电容测量是基于表示测量数据的幂级数函数标准化，所述测量数据包括从向空容器移动探针得到的位置信息对电容测量。
18.一种其上具有指令的非临时性计算机可读存储介质，用于控制探针朝向具有流体的容器移动，其中，当由至少一个处理器执行所述指令时致使所述至少一个处理器执行以下操作：
从电容感测器接收第一电容测量，其中，所述第一电容的测量指示探针和容器下方的导电板之间的电容的；和
发送第一信号给运动控制引擎，用于以第一速度朝容器移动探针，其中所述第一速度是基于所述第一电容测量来确定。
19.如权利要求18所述的介质，其中，如果所述第一电容测量值超过预定电容阈值，所述第一速度是零，以停止探针朝着容器运动。
20.如权利要求18所述的介质，其中，所述至少一个处理器还被配置为执行以下操作：
从电容感测器接收第二电容测量和第三电容测量，其中，第二电容测量和第三电容测量各自表示探针和容器下方的导电板之间形成的电容；
确定第二电容测量和第三电容测量之间的电容变化，以估计表示电容变化相对于位置信息的改变的斜率；和
发送第二信号给运动控制引擎用于以第二速度朝容器移动探针，其中所述第二速度基于电容变化确定。
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