CN115265712B - 一种液位探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液位探测方法，属于样品处理技术领域。使用机械臂驱动移液枪头和探测针移动，探测针采用电容探测方式；由探测针将探测信号传至控制系统，再由控制系统控制机械臂移动；控制系统包括激励电路、参考信号电路、检测电路、滤波及阈值电路、放大电路以及主控芯片；控制系统输出控制信号给机械臂的执行电机；激励信号电路的输出信号端同检测电路的输入信号端连接；检测电路的输出信号端同放大电路的输入信号端连接；放大电路的输出信号端同滤波及阈值电路的输入信号端连接，滤波及阈值电路的输出信号端同硬件滤波电路的输入信号端连接；检出电路的输入信号端同硬件滤波电路的输出信号端连接，输出信号端同主控芯片连接。

Description

一种液位探测方法

技术领域

本发明涉及一种液位探测方法，属于样品处理技术领域。

背景技术

在样品处理领域检测需要对液体样品进行移液加液处理，在加样移液排液过程中，对于小微量溶液，试剂针挂滴现象的存在，试剂针在液面的位置严重影响着移液精度。

目前市面上的液量跟随系统实通常采用根据电容和压力的变化，在吸样过程中实时监测电容和压力的变化来实现液面的探测，因为在吸液过程中，液面的高度位置是变化的，而探针的位置通常是不便的，因此，液体对于探测的压力是不同的，进而导致该方法有很多不稳定性，容易受环境影响，通用性单一。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的液位探测方法，来解决背景技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种液位探测方法，使用机械臂驱动移液枪头和探测针移动，探测针采用电容探测方式；由探测针将探测信号通过控制电路传至控制系统，再由控制系统控制机械臂移动；控制系统包括激励电路、参考信号电路、检测电路、滤波及阈值电路、放大电路以及主控芯片；控制系统输出控制信号给机械臂的执行电机；主控芯片同执行电机连接；

激励信号电路的输出信号端同检测电路的输入信号端连接；检测电路的输出信号端同放大电路的输入信号端连接；放大电路的输出信号端同滤波及阈值电路的输入信号端连接，滤波及阈值电路的输出信号端同硬件滤波电路的输入信号端连接；检出电路的输入信号端同硬件滤波电路的输出信号端连接，输出信号端同主控芯片连接；参考信号电路同主控芯片连接。

本发明技术方案的进一步改进为：主控芯片为单片机STM32F103RCT6；检测电路使用的芯片U9为LF398；检测电路中芯片U9的引脚11为信号输入端，连接探测针；检测电路中芯片U9的引脚7为信号输出端同放大电路的输入信号段连接；

激励信号电路的输出信号端同芯片U9的引脚1连接；主控芯片的引脚9同执行电机连接，执行电机为伺服电机；

参考信号电路包括电容C7、电容C6以及运输放大器U1A；电容C7一端接地另一端同运输放大器U1A连接；电容C6一端接地另一端同运输放大器U1A连接；

放大电路使用R79、R80与运算放大器组成反向放大电路。

本发明技术方案的进一步改进为：检出电路的输入信号端同主控芯片的引脚23连接；检出电包括两个串联的运算放大器，R4、R13和C1组成的反向放大器放大二级输出信号；C2和R7组成的高通滤波滤除前级硬件电路引起的干扰，与R11、R8和R9构成的比较器将信号输出至主控芯片的引脚23。

本发明技术方案的进一步改进为：滤波及阈值电路的输出信号端同主控芯片的引脚8连接，滤波及阈值电路的R81与C76构成一阶高通滤波，R83、C77和U7组成低通滤波；R81、C76、R83、C77和U7D组成选频网络；硬件滤波电路的输出信号端同执行电机连接，输入信号端同主控芯片的引脚8连接；R5、R6和C100及放大器构成硬件滤波电路。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：

本探测技术采用独特的电容探测的方式，能够减少探测时环境的影响，杂散电容的影响，提高自适应性，提供低成本高稳定性检测方案提高检测精度。

本探测技术能够在每个试剂位，机械臂移动过程中实时校正从而滤除杂散电容与环境干扰，由于每个试剂位在探测液面过程中都会进行自校准，从而增强了通用性。

本探测技术通过设计控制系统电路，控制系统电路中的功能电路，激励电路、参考信号电路、检测电路、滤波及阈值电路、放大电路、阈值电路以及主控芯片，各个功能电路之间相互配合能够实现液面位置的实时监测，并且能够滤除干扰信号。

附图说明

图1是本发明主控芯片示意图；

图2是本发明激励电路示意图；

图3是本发明参考信号电路示意图；

图4是本发明检测电路示意图；

图5是本发明滤波及阈值电路示意图；

图6是本发明检出电路示意图；

图7是本发明硬件滤波电路示意图；

图8是本发明放大电路示意图；

其中，图1中，A表示的是晶振电路，B表示的是复位电路，C表示的是下载电路，D表示的是参考电压电路，E表示的是下载电路，F表示的是通信电路。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明是一种液位探测方法，本发明主要应用在液体的移液加液过程中，具有较高的探测精度。

本发明应用在液体的移液加液过程中，移液加液需要用到移液枪头，将移液枪头安装在机械臂上，由机械臂带动移液枪头进行移动。同时，在机械臂上还设置探测针用于探测液体的液面高度。

本技术中使用的探测针采用电容探测方式；由探测针将探测信号通过控制电路传至控制系统，再由控制系统经过对信号进行分析输出控制信号来使机械臂带动移液枪头进行移动。机械臂具有执行电机，控制系统输出控制信号给机械臂的执行电机，由执行电机来执行输出的动作。

如图1-图8所示，控制系统的电路包括激励电路、参考信号电路、检测电路、滤波及阈值电路、放大电路以及主控芯片。

激励信号电路的输出信号端同检测电路的输入信号端连接；激励信号电路提供给系统稳定的激励源使测得的信号更平稳。

检测电路的输出信号端同放大电路的输入信号端连接，检测电路通过探测针来检测当前信号值，然后传递至放大电路。放大电路放大检测信号，更利于检出。

放大电路的输出信号端同滤波及阈值电路的输入信号端连接，放大的信号经过滤波并且同阈值进行比较。滤波及阈值电路的输出信号端同主控芯片连接。

控制系统对信号进行分析提供本次参考阈值，由滤波阈值电路进行具体的检测。

滤波及阈值电路的输出信号端同主控芯片连接，滤波及阈值电路能够对信号中的干扰信号进行滤除。

参考信号电路同主控芯片连接。参考信号电路同主控芯片的引脚20连接。参考信号电路是由软件计算参考值，提供给硬件滤除环境干扰。

如图1所示，在具体的实施中，主控芯片为单片机STM32F103RCT6也可以是STM32F103RBT6。电路图中的实施是以STM32F103RCT6为主控芯片的。如图4所示，检测电路使用的芯片U9为LF398。

激励信号电路的输出信号端同芯片U9的引脚1连接；芯片U9的引脚7同放大电路的输入信号端连接。芯片U9的引脚11同STM32F103RCT6的引脚33连接。放大电路使用R79、R80与运算放大器组成反向放大电路。

滤波及阈值电路的输出信号端同主控芯片STM32F103RCT6的引脚8连接，为主控芯片STM32F103RCT6提供输入信号来进行实时的检测。滤波及阈值电路的输出信号端还同硬件滤波电路的输入信号端连接；硬件滤波电路的输出信号端连接同检出电路的输入信号端连接，检出电路的输出信号端同主控芯片STM32F103RCT6的引脚23连接。主控芯片STM32F103RCT6的引脚9同执行电机连接。

本探测方法的电路工作过程如下，检测电路通过探针来检测当前的信号值，然后将检测电路的芯片的输出信号通过引脚7传递给放大电路，放大电路采用二级放大方式，能够有效降低噪声由放大倍数过大引起的干扰。第一级放大电路由信号经过由R79，R80与运算放大器组成的反向放大电路将信号进行放大，将检测的微弱信号进行一级放大。然后，经过放大电路进行放大的信号被传递至滤波及阈值电路，R81与C76构成一阶高通滤波，滤除信号中的低频信号，R83，C77，U7，组成低通滤波，滤除信号中的高频成分，R81，C76，R83，C77，U7组成的选频网络，保证有效信号进入下一级硬件滤波。如图7所示，R5，R6，C100及放大器构成的第二级低通硬件滤波放大电路，进一步滤除高频信号。

然后，滤波及阈值电路将信号传递给主控芯片STM32F103RCT6，具体的是，传递给主控芯片STM32F103RCT6的引脚8，主控芯片STM32F103RCT6接收到信号后对信号进行分析，得到当前信号阈值，同时第二级电路输出信号，同时将信号放大至V级别信号便于模数转换。

同时第二级电路输出的信号通过检出电路，如图6所示，检出电路的输出端TES输出至主控芯片STM32F103RCT6的引脚23，检出电路主要包括两个串联的运算放大器，R4，R13，C1组成的反向放大器放大二级输出信号至V级别的大信号便于数据分析，C2，R7组成的高通滤波滤除前级硬件电路引起的干扰，得到纯净的检测信号，与R11，R8，R9构成的比较器将信号输出至主控芯片STM32F103RCT6引脚23，主控芯片根据输入的信号控制执行电机，由执行电机来进行移液枪头的高度位置控制。

以上为控制移液枪头移动的过程。

此外，激励信号电路提供给系统稳定的激励源使测得的信号更平稳。激励信号电路包括运算放大器U7A、并联的电容C72和电阻R72以及并联的二极管D8和D7。并联的电容C72和电阻R72以及并联的二极管D8和D7均与运算放大器U7A连接。

参考信号电路是由软件计算参考值，提供给硬件滤除环境干扰。参考信号电路同主控芯片的引脚20连接。

主控芯片还同若干辅助电路连接；辅助电路包括晶振电路、重启电路、通信电路、参考电压电路、下载电路和电源电路。在图1中，A表示的是晶振电路，B表示的是复位电路，C表示的是下载电路，D表示的是参考电压电路，E表示的是下载电路，F表示的是通信电路。辅助电路为主控芯片固有的、常用的辅助电路，是为了使主控芯片能够正常使用所需要设置的功能性辅助电路。

如图1所示，主控芯片的引脚4和引脚5同晶振电路连接；晶振电路是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接入到晶振的两端，另一个电容则接地，这两个电容串联的电容量就等于负载电容。

主控芯片的引脚7同重启电路连接。重启电路设置有重启键RESET，主控芯片的引脚7同重启电路的重启键RESET连接。

通信电路使用芯片SP3485，芯片SP3485的引脚1同主控芯片的引脚43连接，芯片SP3485的引脚2同主控芯片的引脚45连接；芯片SP3485的引脚4同主控芯片的引脚42连接。通信电路SP3485将TTL电平转换为差分信号使用RS485协议使主控芯片STM32F103RCT6实现串口通信。 参考电压电路同主控芯片的引脚13连接。参考电压电路是指在电路中用作电压基准的高稳定度的电压源。图1中的参考电压电路用电阻分压作为参考电压。

下载电路同主控芯片的引脚49和引脚46连接，通过主控芯片内置SWD接口实现程序下载。

电源电路同主控芯片的引脚1连接，为主控芯片提供电源。通常正常电源为5V，可以采用转换电路。电路设计可采用5V电源插头将220V降压到5V，再采用LMS1117-3.3V稳压芯片将5V电压降压输出3.3V电压。电源电路中的引脚连接电容以增强稳定性。

本技术所涉及的各个电路的具体连接情况，详见电路图。

本技术主要适用于盛液容器含金属参考极或采用双层采样针，在每个试剂位，机械臂移动过程中实时校正从而滤除杂散电容与环境干扰，由于每个试剂位在探测液面过程中都会进行自校准，从而增强了通用性，校正过程小于30ms，

本探测技术核心在于校正过程，通过机械臂移动过程中检测电路实时检测AD信号，软件分析得到的信号并提供本次参考阈值从而尽可能滤除本次干扰，采样针接触到液面，执行电机根据吸液量实时跟踪液面位置从而完成整个探测过程。

本技术采用液面探测的方式，能够采用在液面位置排液来排除挂滴的影响，根据吸液量的多少实时跟随液面的高度位置进行吸液，减少不同溶液压力对吸液精度的影响，从而提高检测精度。

本探测技术，通过设置阈值电路，通过阈值电路来排除干扰，提高检测精度。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种液位探测方法，其特征在于：使用机械臂驱动移液枪头和探测针移动，探测针采用电容探测方式；由探测针将探测信号通过控制电路传至控制系统，再由控制系统控制机械臂移动；控制系统包括激励电路、参考信号电路、检测电路、滤波及阈值电路、放大电路以及主控芯片；控制系统输出控制信号给机械臂的执行电机；主控芯片同执行电机连接；

激励信号电路的输出信号端同检测电路的输入信号端连接；检测电路的输出信号端同放大电路的输入信号端连接；放大电路的输出信号端同滤波及阈值电路的输入信号端连接，滤波及阈值电路的输出信号端同硬件滤波电路的输入信号端连接；检出电路的输入信号端同硬件滤波电路的输出信号端连接，输出信号端同主控芯片连接；参考信号电路同主控芯片连接；

主控芯片为单片机STM32F103RCT6；检测电路使用的芯片U9为LF398；检测电路中芯片U9的引脚11为信号输入端，连接探测针；检测电路中芯片U9的引脚7为信号输出端同放大电路的输入信号段连接；

激励信号电路的输出信号端同芯片U9的引脚1连接；主控芯片的引脚9同执行电机连接，执行电机为伺服电机；

参考信号电路包括电容C7、电容C6以及运输放大器U1A；电容C7一端接地另一端同运输放大器U1A连接；电容C6一端接地另一端同运输放大器U1A连接；

放大电路使用R79、R80与运算放大器组成反向放大电路；

检出电路的输入信号端同主控芯片的引脚23连接；检出电包括两个串联的运算放大器，R4、R13和C1组成的反向放大器放大二级输出信号；C2和R7组成的高通滤波滤除前级硬件电路引起的干扰，与R11、R8和R9构成的比较器将信号输出至主控芯片的引脚23；

滤波及阈值电路的输出信号端同主控芯片的引脚8连接，滤波及阈值电路的R81与C76构成一阶高通滤波，R83、C77和U7组成低通滤波；R81、C76、R83、C77和U7D组成选频网络；硬件滤波电路的输出信号端同执行电机连接，输入信号端同主控芯片的引脚8连接；R5、R6和C100及放大器构成硬件滤波电路。

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