CN113324619B - 一种基于电容检测的液面探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电容检测的液面探测方法，通过多通道电容检测模块检测多个可导电吸液头的电容值，获取每个可导电吸液头对应的电容值；当检测到至少一个可导电吸液头的电容值大于第一预设阈值时，判断电容值大于第一预设阈值的可导电吸液头的数量是否大于第二预设阈值，若是，则确定多个可导电吸液头到达当前待吸取液体的液面位置。本发明同时提供一种基于电容检测的液面探测装置。本发明通过多通道电容检测模块检测多个电容检测通道的电容信号，从而准确地探测液面位置，排除因液面存在气泡对液面探测造成的干扰，提高了液面探测的准确性。

Description

一种基于电容检测的液面探测方法及装置

技术领域

本发明属于液面探测技术领域，具体涉及一种基于电容检测的液面探测方法及装置。

背景技术

全自动临床检验仪器是医院进行疾病诊断的关键设备之一，临床检验仪器大都具有移液系统，新型的微量移液系统以微量移液器为核心部件，而高灵敏度液面探测技术又是微量移液系统的核心技术。

目前通过电容法进行液面探测的技术中，通常通过单一通道进行探测，单一通道进行探测容易受到液面气泡的影响，从而导致探测不准确或者误检；也有通过计算的方式直接估算液面的位置，但这种方式必须依赖于操作人员的精准操作，若某一步骤出现错误，则会直接导致计算误差，而从在进行样本提取时，无法准确到达液面位置。

同时，在采用电容法进行液面检测时，传感器和移液管之间需要使用线缆进行连接，然而采用线缆连接又存在以下问题：1)焊接难度大：移液装置通常由金属移液管和一次性可导电吸液头连接组成，由于金属结构尺寸小，且无法开孔，所以只能采用焊接的方式，然而金属结构导热快，难以进行焊接；2)线缆易磨损：在移液操作过程中，会存在移液管与液面传感器之间的相对运动，而采用线缆连接的方式，其相对动作容易导致线缆磨损及脱落，从而导致液面探测失效，影响整机性能；3)难以大规模使用：采用线缆连接的方式，每个移液管需要一根线缆连接，难以满足目前移液设备中96通道甚至更多通道的移液需求。

因此，如何在移液操作过程中，实现准确地液面探测，提高移液操作的准确性，同时满足多通道移液操作需求，成为目前亟待解决的技术问题之一。

发明内容

为了解决通过电容法探测液面位置时，单一通道检测容易受到气泡的干扰导致存在误检的情况，同时实现多通道移液操作，本发明提供了一种基于电容检测的液面探测方法及装置，通过多通道电容检测模块将检测到的多通道信号进行比对，从而排除气泡的干扰，提高液面探测的准确性。

本发明一方面提供一种基于电容检测的液面探测方法，包括以下步骤：

S101、通过多通道电容检测模块检测多个可导电吸液头的电容值，获取每个可导电吸液头对应的电容值；

S102、当检测到至少一个可导电吸液头的电容值大于第一预设阈值时，判断电容值大于所述第一预设阈值的可导电吸液头的数量是否大于第二预设阈值，若是，则确定所述多个可导电吸液头到达当前待吸取液体的液面位置。

优选的，所述步骤S101，具体为：

所述多通道电容检测模块与多个移液管电性连接，所述可导电吸液头与所述移液管末端对应地可拆卸地连接后，所述多通道电容检测模块检测可导电吸液头的电容值。

优选的，所述步骤S101之前，还包括：

通过所述多通道电容检测模块检测所述移液管末端与所述可导电吸液头连接前后的电容值变化，确定所述移液管末端与所述可导电吸液头的连接状态。

优选的，通过所述多通道电容检测模块检测所述移液管末端与所述可导电吸液头连接前后的电容值变化，确定所述移液管末端与所述可导电吸液头的连接状态的步骤，具体为：

通过所述多通道电容检测模块以预设频率周期性地检测每一通道的电容值；

判断所述通道中，第n次检测的电容值与第n-1次检测的电容值的差值是否大于第三预设阈值，若是，确定所述通道对应的所述移液管末端与所述可导电吸液头正常连接，其中，n为自然数，1<n<＝N，N为确定所述通道中所述移液管末端与所述可导电吸液头的连接状态进行电容检测的次数。

优选的，通过所述多通道电容检测模块以预设频率周期性地检测每一通道的电容值的步骤，还包括：

对所述多通道电容检测模块检测到的电容值进行滑动滤波处理。

本发明同时提供一种基于电容检测的液面探测装置，用于移液设备，包括：

多通道电容检测模块，用于检测多个可导电吸液头的电容值；

判断模块，用于当所述多通道电容检测模块检测到至少一个可导电吸液头的电容值大于第一预设阈值时，判断电容值大于所述第一预设阈值的可导电吸液头的数量是否大于第二预设阈值，若是，则确定所述多个可导电吸液头到达待吸取液体的液面位置。

优选的，所述多通道电容检测模块，与所述移液管电性连接，具体用于，所述可导电吸液头与所述移液管末端对应地可拆卸地连接后，检测所述可导电吸液头的电容值。

优选的，所述多通道电容检测模块，还用于检测所述移液管末端与所述可导电吸液头连接前后的电容值变化；以及，

所述判断模块，还用于根据所述多通道电容检测模块检测到的电容值变化，确定所述移液管末端与所述可导电吸液头的连接状态。

优选的，所述多通道电容检测模块，包括连接板，所述连接板上设置传感器模组，所述连接板上设置有通孔，所述通孔的尺寸与移液管末端的直径，所述通孔的内壁上包裹金属圆环，所述金属圆环与传感器模组电性连接。

优选的，所述多通道电容检测模块，还包括：

通信模块，用于传输所述多通道电容检测模块检测到的电容值和/或所述判断模块的判断结果至移液设备。

本发明的有益之处在于：

1)通过多通道电容检测模块，同时采集多通道的电容检测信号，根据采集到的多通道电容信号，判断可导电吸液头所到达的位置是否是液面位置，能够有效避免因液面存在气泡而对液面探测造成的干扰，大大提高了液面探测的准确性；

2)本发明通过采集每一移液通道的电容值，能够准确识别移液管末端与可导电吸液头的连接状态，从而确保移液管与可导电吸液头准确、稳定地连接，确保移液操作的正常进行；

3)多通道电容检测模块通过金属圆环实现与移液管的连接，每个移液管作为一个独立的检测通道，连接可导电吸液头后可以独立地进行液面探测，也可以组合为多通道进行探测，提升了液面探测的灵活性；同时，多通道电容检测模块可以根据移液装置的移液管的数量和位置布局，对应地设置金属圆环在连接板上的布局，从而适配不同规格和类型的移液装置；

4)采用金属圆环与移液管接触的方式进行电容信号采集，避免了焊接线缆，从而使得整个装置的连接更加简便，同时避免了线缆连接的损坏率，能够大规模使用，易于推广。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于电容检测的液面探测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于电容检测的液面探测方法的另一流程示意图；

图3为本发明实施例提供的基于电容检测的液面探测方法的电容检测曲线示意图一；

图4为本发明实施例提供的基于电容检测的液面探测方法的电容检测曲线示意图二；

图5为本发明实施例提供的多通道电容检测模块控制电路示意图；

图6为本发明实施例提供的基于电容检测的液面探测装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的基于电容检测的液面探测装置的连接示意图；

图8为本发明实施例提供的多通道电容检测模块的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的多通道电容检测模块与移液管连接示意图。

图中：1-连接板，2-传感器模组，3-通孔，4-移液管，5-金属圆环，6-可导电吸液头，7-可导电吸液头安装块，8-卸料板，9-脱离顶针，10-脱离弹簧，11-第二弹簧。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明适用于核酸检测设备、基因分析设备等涉及移液操作的自动化检测设备，如图1所示，在进行检测样本和检测试剂移液操作过程中，，通过多个电容检测通道进行液面探测，从而排除液面气泡造成的干扰，能够更加准确地确定液面位置，从而精准地完成移液操作。

实施例一

本实施例提供一种基于电容检测的液面探测方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101、通过多通道电容检测模块检测多个可导电吸液头的电容值，获取每个可导电吸液头对应的电容值。具体地，多通道电容检测模块与多个移液管电性连接，可导电吸液头与移液管末端对应地可拆卸地连接后，通过多通道电容检测模块检测可导电吸液头的电容值，其中，每个电容检测通道对应检测每一可导电吸液头端部的电容值，在液面探测过程中，根据可导电吸液头的电容值的变化可确定导电吸液头所处的位置是否为液面位置。

步骤S101之前，还包括：通过多通道电容检测模块检测移液管末端与可导电吸液头连接前后的电容值变化，确定移液管末端与可导电吸液头的连接状态。具体地，可以通过多通道电容检测模块以预设频率周期性地检测每一通道的电容值，判断每一通道中第n次检测的电容值与第n-1次检测的电容值的差值是否大于第三预设阈值，若是，确定该通道对应的移液管末端与可导电吸液头正常连接，其中，n为自然数，1<n<＝N，N为确定该通道中移液管末端与可导电吸液头的连接状态进行电容检测的次数。同样地，也可以在移液设备的移液操作过程中，根据移液操作流程，通过多通道电容检测模块以预设频率周期性地分别检测移液管执行装配可导电吸液头操作之前及之后的电容值，判断电容变化值是否大于第三预设阈值，从而判断移液管末端与可导电吸液头是否正常连接。

进一步地，对多通道电容检测模块检测的电容值进行滑动均值滤波处理。

在该技术方案中，以8通道电容检测模块为例，移液设备在进行移液操作之前，需对每个移液通道进行连接吸液头操作，即将可导电吸液头与移液管末端连接，通过多通道电容检测模块以预设频率检测通道电容值，并对检测到的电容值进行滑动均值滤波处理，得到每个通道在连接可导电吸液头操作之前以及连接可导电吸液头操作之后的电容值，从而根据电容值变化判断移液管与可导电吸液头之间是否正常连接；进一步地，当一次或数次移液操作完成后，将可导电吸液头从移液管末端卸载，通过多通道电容检测模块以预设频率检测通道电容值，根据电容值变化判断移液管与可导电吸液头之间是否正常分离，表1示出了每个通道中移液管连接可导电吸液头之前、连接可导电吸液头之后以及移液操作结束卸载可导电吸液头之后检测到的电容变化数据，对应地，根据检测到的电容值得到电容值变化曲线，如图3所示。

表1

S102、当检测到至少一个可导电吸液头的电容值大于第一预设阈值时，判断电容值大于所述第一预设阈值的可导电吸液头的数量是否大于第二预设阈值，若是，则确定所述多个可导电吸液头到达当前待吸取液体的液面位置。具体地，移液设备进行移液操作时，移液管连接可导电吸液头向下移动接近液面位置，多个可导电移液头的端部位于同一平面，通过多通道电容检测模块检测每一通道的电容值，当检测到至少一个可导电吸液头的电容值大于第一预设阈值时，判断多个检测通道中检测到的电容值大于第一预设阈值的可导电吸液头的数量是否大于第二预设阈值，以确定多个可导电吸液头整体到达液面位置，从而避免因液面表面存在气泡，一个或多个可导电吸液头检测到气泡表面而造成的误检。其中，第一预设阈值的具体取值，可以根据不同液体的属性进行调整。

在该技术方案中，移液操作过程中，移液管连接可导电吸液头后，驱动机构带动移液管和可导电吸液头整体向液面方向移动，通常地，驱动机构带动移液管和可导电吸液头整体自上而下向液面方向移动，同时，多通道电容检测模块以预设频率检测每一通道的电容值，当检测到电容值大于第一预设阈值的通道数量大于第二预设阈值时，则确定可导电吸液头到达待吸取液体的液面位置。通常地，液面探测过程中，可导电吸液头接触到不同类型的待吸取液体时的电容变化值不同，因此基于不同类型的待移取液体，设置不同的第一预设阈值。例如：表2示出了待吸取的液体为无水乙醇时，可导电吸液头到达液面前、到达液面时以及离开液面后的电容值，对应地，根据检测到的电容值得到电容值变化曲线，如图4所示，据此可以设置待吸取液体为无水乙醇时的第一预设阈值。

表2

本发明基于电容检测的液面探测方法适用于高通量多通道的移液设备，通过多通道电容检测采集多个通道电容值，准确探测液面位置，有效避免液面气泡造成的检测误差，检测准确度高，扩展性好。如图5所示，本发明的多通道电容检测模块包括电子开关，电子开关通过MCU控制，可以切换所需采集的通道，CDC电容数字转换器，能够将电容模拟信号转换成数字信号，保证采集的准确性，隔离电源可以将地线噪声、差模噪声、共模噪声等其他噪声进行隔离，为CDC转换器提供稳定干净的电源；同时，采用工频滤波器，滤除市电的工频干扰；MCU采用最小控制单元，对电子开关进行切换、进而切换采集通道，对CDC输出的数字信号进行转换，转换成采集通道的电容值，并通过485或CAN信号，将电容值和或液面探测结果进行远距离传输。

实施例二

一种基于电容检测的液面探测装置200，如图6所示，用于移液设备，包括：

多通道电容检测模块201，用于检测多个可导电吸液头的电容值；

判断模块202，用于当多通道电容检测模块201检测到至少一个可导电吸液头的电容值大于第一预设阈值时，判断电容值大于第一预设阈值的可导电吸液头的数量是否大于第二预设阈值，若是，则确定多个可导电吸液头到达待吸取液体的液面位置。

在上述技术方案中，如图7所示，多通道电容检测模块，与移液管电性连接，具体用于在可导电吸液头与移液管末端对应地可拆卸地连接后，检测可导电吸液头的电容值。

在上述技术方案中，多通道电容检测模块201，还用于检测所述移液管末端与所述可导电吸液头连接前后的电容值变化；以及，

判断模块202，还用于根据多通道电容检测模块201检测到的电容值变化，确定移液管末端与可导电吸液头的连接状态。

在上述技术方案中，基于电容检测的液面探测装置200，还包括：

通信模块203，用于传输所述多通道电容检测模块检测到的电容值和/或所述判断模块的判断结果至移液设备。

在上述技术方案中，具体地，图8为多通道电容检测模块的结构示意图，多通道电容检测模块，包括连接板1，连接板1上设置传感器模组2，传感器模组2与连接板1固定连接，从而保证传感器模组2的稳定性，同时，连接板1上设置有通孔3，通孔3的数量可以根据实际使用需求设定，本实施例中优选设置8个。在本实施例中，连接板1优选为PCB板，在PCB板上设置8个通孔3，8个通孔3的位置根据移液管的位置对应设置，可以同时插入8个移液管，从而进行多通道电容信号采集，也可以根据使用需求设置更多的通孔3，此处不做赘述；通孔3的内径与移液管4的外径尺寸相适应，当移液管4置于通孔3中时，通孔3与移液管可以紧密接触。同时，通孔3的内壁上固定金属圆环5，金属圆环5与传感器模组2电性连接。由于本发明采用金属圆环5代替线缆进行连接，因此在通孔3的数量越多时，越能够体现本发明的优势，金属圆环5不会像线缆一样进行缠绕和相互干扰，能够根据使用的需求，调整通孔的设置数量。

进一步地，金属圆环5上与移液管4接触的面，涂覆有导电防护膜。通过导电防护膜，一方面可以保持金属圆环5与移液管4良好接触，另一方面可以防止金属圆环5的氧化，延长金属圆环5的使用寿命。具体地，导电防护膜可以采用现有技术中的任意一种具有导电防护作用的金属膜，在本实施例中，所述导电防护膜优选为镀金膜，镀金膜具有良好的导电性能，可以提高金属圆环5与移液管4之间的导电性，镀金膜同时也兼具抗氧化性。

进一步地，所述连接板1为PCB板。通过PCB板，可以隐去金属圆环5与传感器模组2之间的连接线，安装调试便携，布线密度高，能够更好地满足于多通道检测的需求。PCB为现有技术，此处不再赘述。

进一步地，如图7所示，移液管4的另一端设置在可导电吸液头安装块7内，所述移液管4与可导电吸液头安装块7内壁通过第二弹簧11连接，移液管4可以相对于连接板1上下运动；所述多通道电容检测模块的下方设置卸料板8，所述多通道电容检测模块与卸料板8之间相对运动。

多通道电容检测模块与卸料板8之间相接触，可以是连接在一起，也可以是非连接状态，若连接在一起时，则卸料板8带动多通道电容检测模块一起运动；若非连接状态，则在卸料板8上下运动时，多通道电容检测模块保持与移液管4相贴合的状态而不动，依靠金属圆环5与移液管4之间的夹持力保持静止。

所述卸料板8通过脱离顶针9与电机连接；通过所述卸料板8的上下运动，可以将使用完成的可导电吸液头6卸下更换，卸料板8向下运动时，卸料板8可以正好卡在可导电吸液头6的边缘处，从而将可导电吸液头6向下顶出，完成可导电吸液头6的更换，整个过程可以通过自动化的方式控制，根据电容信号的变化判断可导电吸液头6是否已卸下或已安装，无需人为干涉，自动化程度高。

所述脱离顶针9贯穿可导电吸液头安装块7与电机连接，所述脱离顶针9与可导电吸液头安装块7相对运动，脱离顶针9可以在可导电吸液头安装块7内上下滑动，从而带动卸料板8上下运动；所述脱离顶针9与电机连接的一端处设置有脱离弹簧10，在卸料板8向下运动后，脱离弹簧10呈压缩状态，当完成可导电吸液头6的脱离工作后，脱离弹簧10受到弹力的作用复位，带动卸料板8快速回复到初始状态，加快了复位的速度。

实施例三

与上述实施例二的不同之处在于，在本实施例中，所述金属圆环5是由两个半圆合围组成，也即两个半圆为分离状态，合围后形成金属圆环5，所述金属圆环5与通孔3的内壁之间通过弹簧连接。可以理解的是，当弹簧处于自然状态时，两个半圆相接触从而形成金属圆环5，当移液管4插入金属圆环5后，弹簧受到压缩，两个半圆分离一定的距离，通过弹簧的弹力保证对移液管4的夹紧状态，使得移液管与多通道电容检测模块稳定连接，同时，通过弹簧的设置，也可以使多通道电容检测模块适配于不同直径的移液管4。

更进一步的技术方案是，如图9所示，所述金属圆环5与移液管4接触的面为圆弧面，所述圆弧面的圆心位于远离移液管4的一侧。当移液管4插入到金属圆环5中时，由于圆弧面的设置，能够对移液管4起到一个导向的作用，可以在移液管4向下压的过程中，使得金属圆环5向两侧略微分离，从而保证移液管4能够顺利的插入到金属圆环5中，不需要人工的手动干预，即可完成快速插拔。

上述实施方式是优选的实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电容检测的液面探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、通过多通道电容检测模块检测多个可导电吸液头的电容值，获取每个可导电吸液头对应的电容值；

S102、当检测到至少一个可导电吸液头的电容值大于第一预设阈值时，判断电容值大于所述第一预设阈值的可导电吸液头的数量是否大于第二预设阈值，若是，则确定所述多个可导电吸液头到达当前待吸取液体的液面位置，若否，则确定至少一个可导电吸液头到当前待吸取液体的达气泡表面。

2.根据权利要求1所述的基于电容检测的液面探测方法，其特征在于，所述步骤S101，具体为：

所述多通道电容检测模块与多个移液管电性连接，所述可导电吸液头与所述移液管末端对应地可拆卸地连接后，所述多通道电容检测模块检测所述可导电吸液头的电容值。

3.根据权利要求2所述的基于电容检测的液面探测方法，其特征在于，所述步骤S101之前，还包括：

通过所述多通道电容检测模块检测所述移液管末端与所述可导电吸液头连接前后的电容值变化，确定所述移液管末端与所述可导电吸液头的连接状态。

4.根据权利要求3所述的基于电容检测的液面探测方法，其特征在于，通过所述多通道电容检测模块检测所述移液管末端与所述可导电吸液头连接前后的电容值变化，确定所述移液管末端与所述可导电吸液头的连接状态的步骤，具体为：

通过所述多通道电容检测模块以预设频率周期性地检测每一通道的电容值；

判断所述通道中，第n次检测的电容值与第n-1次检测的电容值的差值是否大于第三预设阈值，若是，确定所述通道对应的所述移液管末端与所述可导电吸液头正常连接，其中，n为自然数，1＜n≤N，N为确定所述通道中所述移液管末端与所述可导电吸液头的连接状态进行电容检测的次数。

5.根据权利要求4所述的基于电容检测的液面探测方法，其特征在于，通过所述多通道电容检测模块以预设频率周期性地检测每一通道的电容值的步骤，还包括：

对所述多通道电容检测模块检测到的电容值进行滑动滤波处理。

6.一种基于电容检测的液面探测装置，用于移液设备，其特征在于，包括：

多通道电容检测模块，用于检测多个可导电吸液头的电容值，获取每个可导电吸液头对应的电容值；

判断模块，用于当所述多通道电容检测模块检测到至少一个可导电吸液头的电容值大于第一预设阈值时，判断电容值大于所述第一预设阈值的可导电吸液头的数量是否大于第二预设阈值，若是，则确定所述多个可导电吸液头到达待吸取液体的液面位置，若否，则确定至少一个可导电吸液头到当前待吸取液体的达气泡表面。

7.根据权利要求6所述的基于电容检测的液面探测装置，其特征在于，所述多通道电容检测模块，与移液管电性连接，具体用于，所述可导电吸液头与所述移液管末端对应地可拆卸地连接后，检测所述可导电吸液头的电容值。

8.根据权利要求7所述的基于电容检测的液面探测装置，其特征在于，

所述多通道电容检测模块，还用于检测所述移液管末端与所述可导电吸液头连接前后的电容值变化；以及，

所述判断模块，还用于根据所述多通道电容检测模块检测到的电容值变化，确定所述移液管末端与所述可导电吸液头的连接状态。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的基于电容检测的液面探测装置，其特征在于，

所述多通道电容检测模块，包括连接板(1)，所述连接板(1)上设置传感器模组(2)，所述连接板(1)上设置有通孔(3)，所述通孔(3)的内径与移液管(4)的外径尺寸相适应，所述通孔(3)的内壁上固定金属圆环(5)，所述金属圆环(5)与传感器模组(2)电性连接。

10.根据权利要求9所述的基于电容检测的液面探测装置，其特征在于，还包括：

通信模块，用于传输所述多通道电容检测模块检测到的电容值和/或所述判断模块的判断结果至移液设备。

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