CN115356381A - 一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及输液信息采集技术领域，公开了一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法，包括以下步骤：步骤S1，在输液管表面引入变化电场；步骤S2，使用双电容采集板电路进行双电容检测，检测到电容数据；步骤S3，对检测的电容数据使用递推法均值算法进行递推排列和复位索引；步骤S4，对递推排列和复位索引后的电容数据进行数据滤波获取有效的电容数据；步骤S5，对滤波后的电容数据进行电容变化量分布计算，分析输液管状态。本发明引入变化电场提高了输液管表面感应电容的电容值，并且优化了传统电容采集的方式，通过双电容板对比电容变化量提高采集精度。

Description

一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法

技术领域

本发明涉及输液信息采集技术领域，具体地说，是一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法。

背景技术

在现有输液报警器或者输液泵等输液监测产品中，存在超声波检测输液方式，光电检测输液方式和传统电容检测方式。

针对超声波检测输液方式，其通常应用于输液泵产品中，通常具有成本较高，传感器工艺要求高，设备体积较大，数据采集电路复杂，设备功耗较高等缺点，不适于体积较小，成本较低的输液报警类设备。

针对光电检测输液方式，虽然具有较小的体积和成本，但是其对外界光干扰具有先天的缺陷，同样对于带颜色的输液管或者输液液体，同样需要较复杂的滤波和算法压力，同样也具有检测稳定性的隐患。

针对传统电容检测方式，其主要目的是为了检测输液管中的液体变化，针对一些特殊液体及特殊材质的输液管，其表面电容变化很微小的时候，其检测能力会受限制，同时其抗外界干扰能力也有一定的局限性。

现有的上述传统输液管电容采集技术，主要采集输液管表面的电容值变化，当输液管中液体稳定流动或者不流动的时候，采集到的输液管表面电容值为一个稳定值，虽然有无液体电容值的大小不同，但是不容易区分或者对于某些液体或者输液管材质，电容值的在有无液体时候大小差异不大，不能用于数据判断。而当输液管中液体从有到无或者从无到有的时候，输液管表面电容值会短时间感应出一个较大的变化量，从而可以判断输液状态的变化。针对传统输液管电容采集技术，只能判断液体变化，无法有效区分液体有无，同时，对于外界出现强电磁干扰，如其它带电机类医疗器械的干扰或者特殊输液管材质或者输液液体，传统输液管电容采集方案就可能出现误判断。传统输液管电容采集技术同样无法应用于复杂的输液报警器或者输液泵设备，其自我干扰会失去采集稳定性。

基于现有技术并考虑到电容采集方式具有低成本、低功耗以及抗干扰能力强的优点，本发明基于传统电容采集方案做了进一步的研发，引入变化电场提高了输液管表面感应电容的电容值，并且优化了传统电容采集的方式，通过双电容板对比电容变化量提高采集精度。除了硬件方案和电路特性的提升，本发明同时优化了和改变了数据算法，进一步提高了检测的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法，具有严格的数据滤波和电容数据算法，分辨率高，稳定性高的效果。

本发明通过下述技术方案实现：一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法，包括以下步骤：

步骤S1，在输液管表面引入变化电场；

步骤S2，使用双电容采集板电路进行双电容检测，检测到电容数据；

步骤S3，对检测的电容数据使用递推法均值算法进行递推排列和复位索引；

步骤S4，对递推排列和复位索引后的电容数据进行数据滤波获取有效的电容数据；

步骤S5，对滤波后的电容数据进行电容变化量分布计算，分析输液管状态。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S1包括：

在输液管表面引入一个变化电场电路，所述变化电场电路包括两个运算放大器。

为了更好地实现本发明，进一步地，步骤S2包括：

所述双电容采集板电路包括主电容采集板电路和副电容采集板电路；

所述主电容采集板电路用于高频采集，所述副电容采集板电路用于低频采集；

所述主电容采集板电路计算分析输液管路中的液体情况；

所述副电容采集板电路采集电容数据并和主电容采集板电路采集的电容数据作对比分析，判断主电容采集板是否损坏。

为了更好地实现本发明，进一步地，副电容采集板电路同时在需要输液报警的时候做二次验证。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述双电容采集板电路采用同样的采集板。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S3包括：

将电容数据输入到递推法均值算法公式中，根据实际传入的电容数据的大小对电容数据进行递推排列；

在电容数据的数量大于递推法均值算法公式中样本的样本窗数量后，按电容数据实际传入的大小递推，并进行复位索引。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S4包括：

对递推排列和复位索引后的电容数据采用加权平均滤波和限幅滤波结合的算法；

通过对N个电容数据的平均值进行加权计算，得出加权平均值y，表示为

其中，y为n个电容数据的平均值的加权平均值，Xi为第i次电容数据的平均值，N为采样次数，Ci为加权系数；

加权后的数据y通过将两次相邻的数据相减，求出其增量，然后将增量的绝对值，与两次采样允许的最大差值A进行比较，A的大小由输液管路决定；

如果小于或等于允许的最大差值，则本次采样有效；

否则取上次采样值作为本次数据的样本。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S5包括：

对滤波后的电容数据进行电容变化量分布计算，分析输液管状态；

当采集到固定且变化量稳定的电容数据是，判断输液管中没有液体；

当采集到变化、变化量具有不规则的电容数据，且电容变化量比原有基准高时，判断输液管中有液体。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明具有低成本，低功耗，抗干扰能力强的优点；

(2)本发明引入变化电场提高了输液管表面感应电容的电容值，并且本发明优化了传统电容采集的方式，通过双电容板对比电容变化量提高采集精度；

(3)本发明同时优化了和改变了数据算法，进一步提高了检测的稳定性。

附图说明

本发明结合下面附图和实施例做进一步说明，本发明所有构思创新应视为所公开内容和本发明保护范围。

图1为本发明提供的一种一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法的结构原理图。

图2为本发明提供的一种一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法中变化电场产生电路图。

图3为本发明提供的一种一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法中单电容采集板电路的示意图。

图4为本发明提供的一种一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法中双电容采集板电路的示意图。

图5为本发明提供的一种一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法中感应电流示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

本实施例的一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法，如图1所示，本发明受现有利用变化电场对材料探伤的部分原理和启发。通过采用两条电极板做成变化的电场，输液管置于电场中，电容采集板贴于输液管表面。当输液管路中没有液体。电容采集板采集到固定的，变化量稳定的电容数据。当输液管路中有液体。电容采集板采集到变化的，变化量具有不规则的电容数据，且电容变化量比起原有基准会高出很多。

如图1所示，采集采用两条电极板做成变化的电场，输液管置于电场中，电容采集板贴于输液管表面。情况一：输液管路中没有液体。电容采集板采集到固定的，变化量稳定的电容数据。情况二：输液管路中有液体。电容采集板采集到变化的，变化量具有不规则的电容数据，且电容变化量比起原有基准会高。需要注意的是，第一：管路中没有液体和管理中液体不流动，变化量并不都是稳定的，只要管路中有液体存在，变化量就会高于基准值。第二：管路中有液体，液体流动和不流动的时候，采集到的数据并不是同一规律的相似数据。有液体时，采集到的电容变化量比无液体时采集到的数据相对基准会有比较大的差别。

本发明通过变化的脉冲输出给电极板，使得电极板构成一个电容场，变化的电场使得电容场两端可以不断感应电荷，就像有电流通过一样。被测输液管表面产生的电容值也呈一定的变化状态。其中电极板(变化电场)、输液管(被测物体)和电容采集板(采集单元)形成一个电回路，输液管中液体变化，回路特性也会变化。采集计算的方式不同。检测目的不同。电容采集板(采集单元)直接采集输液管表面电容变化量。本发明测量材料特性，不测量运动信息。

在本发明中，给出了变化电场结合电容采集输液管液体分布情况方案，电极板(变化电场)施加了规律的变化的脉冲信号，使得电极板(变化电场)和输液管(被测物体)形成一个电回路，输液管中液体变化，回路特性也会变化，利用这个原理，输液管感应到电容采集板上的电容值也会稳定变化。当输液管中液体存在或者变化的时候，输液管感应到电容采集板上的电容值变化量会产生明显的差异，稳定的时候，因为回路特性的改变，变化量的值比较之前也是不同的。且本发明中的电极板不与被测物体接触，电容采集板也不会直接接触输液管中的液体，而是电极板(变化电场)、输液管(被测物体)和电容采集板(采集单元)共同组成电回路。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，如图2所示，是一个变化电场的电路图，用于产生变化电场，图2中标号O_ELE_PLUS的端口为电场电极板输出端口，在变化电场中，设置有两个运算放大器U3A和U2A，U3A的型号为LM358，U2A的型号为LM393，运算放大器U3A的负输入端并联连接有电阻R6和电阻R3，运算放大器U3A的负输入端和运算放大器U3A的输出端通过电阻R3连接，运算放大器U3A的正输入端连接有并联连接的电阻R11和电阻R15，电阻R11连接有并联的电阻R9和电阻R12，电阻R15连接有并联连接的电阻R14和电阻R16。运算放大器U3A的输出端连接电阻R10，电阻R10连接运算放大器U2A的正输入端，运算放大器U2A的正输入端并联连接电阻R10和R13，运算放大器U2A的负输入端并联连接电阻R7和串联连接的两个电阻，串联连接的两个电阻分别为电阻R4和电阻R5，电阻R5和电阻R13连接运算放大器U2A的输出口并连接电阻R8，电阻R8连接电场电极板输出端口O_ELE_PLUS。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例1或2的基础上做进一步优化，如图3和图4所示，是采集单元的电路图，图3是单电容采集电路，图4是双电容采集板电路，两个图3所示的单电容采集电路组合到一起就形成了图4所示的双电容采集板电路双电容采集板电中设置了一主一副的单电容采集电路，能够双重验证。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上做进一步优化，在本实施例中，两个电极板构成一个电容场，变化的电场使得电容场两端可以不断感应电荷，就像有电流通过一样，基于麦克斯韦提出位移电流的概念，假设电容间变化的电场产生一个等效电流，就是位移电流。因此输液管表面感应电容会因电场效应产生一定的稳定变化。

基于麦克斯韦提出位移电流的概念，位移电流密度

表示为：

其中，ε₀为真空绝对介电常数，

为该截面电场强度通量对时间的变化率。

位移电流Id表示为：

其中

为截面积，

为该截面电场强度通量对时间的变化率，

为该截面磁通量通量对时间的变化率，通过电场中某一截面的位移电流等于通过该截面电场强度通量对时间的变化率于ε₀的乘积。电容器中位移电流Id表示为I_d＝I_c；其中，I_c为输出电流。

全电流Is表示为I_s＝I_c+I_d。

本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例1-4任一项基础上做进一步优化，在本实施例中对采集的电容数据采用递推法均值算法排列复位，再对数据进行滤波，最后通过对滤波后的数据进行电容变化量分布计算，分析输液管状态。

如图5所示，对采集的电容数据采用递推法均值算法排列复位的过程如下：

因为样本均值计算公式如下：

其中n为计数，

为当前1到n所有数据项的均值，x_n为第n个数据项值；

那么前n-1个样本的均值为：

可以推算得出：

从而：

在样本窗未满时，按实际传入样本大小递推。在样本窗满后，按实际传入样本大小递推，并复位索引。本算法可以用于内存较小的单片机系统中。如果所需要统计的样本非常大时，这种算法将非常有实用价值，只需要极小的内存开销。尤其在一些传感器测量应用中，该方法非常有价值。

对数据进行滤波的过程如下：

数据采用加权平均滤波和限幅滤波结合的算法。

通过对于N个电容数据的平均值进行加权计算，得出加权平均值，公式如下：

y为n个电容数据的平均值的加权平均值：Xi为第i次电容数据的平均值；N为采样次数；Ci为加权系数。本算法可以突出一部分信号，抵制另一部分信号，以提高采样值变化的灵敏度。

加权后的数据通过将两次相邻的数据相减，求出其增量，然后将增量的绝对值，与两次采样允许的最大差值A进行比较。A的大小由被测对象的具体情况而定。A的大小由被测对象材料，环境温度，环境湿度等综多复杂因素决定。本发明中被测对象主要为输液管路，A的大小是经过大量的不同环境，不同品牌输液管的循环测试得出的汇总值。如果小于或等于允许的最大差值，则本次采样有效；否则取上次采样值作为本次数据的样本。

最后通过对滤波后的数据进行电容变化量分布计算，分析输液管状态的过程如下：

通过对滤波后的数据进行电容变化量分布计算，分析输液管状态。

设ξ是一个随机变量，称D(ξ)＝E(ξ-Eξ)²；

如果ξ是离散型随机变量，且有分布律P{ξ＝x_k}＝p_k(k＝1,2,…n或k＝1,2…)，则

如果ξ是连续型随机变量，且有概率密度

则

由定义知，若ξ的取值比较集中，则方差较小；若ξ的取值比较分散，则方差较大.如果方差为0，表示随机变量值集中在期望值Eξ。

其中输液管路电容变化趋于稳定，方差较小且为稳定值。输液管路中液体不同，电容变化程度不同，所得的方差不同。

本发明通过电场发生电路通过单片机控制生成电场，置于电场中的输液管产生感应电容，双电容采集电路采集输液管表面的电容数据，通过电容采集电路输入至ADC进行采样分析。控制器采集到的数据通过滤波，计算得出输液管中液体分布情况。本实施例提供了严格的数据滤波和电容数据算法，分辨率高，稳定性高。

采用两条电极板做成变化的电场，输液管置于电场中，电容采集板贴于输液管表面采集变化的电容数据。当输液管路中没有液体的时候，电容采集板采集到固定的、变化量稳定的电容数据。当输液管路中有液体，电容采集板采集到变化的，变化量具有不规则的电容数据，且变化量比原有的基准要高。双电容检测是采用两块同样的电容采集板，一主一副。主电容采集板高频采集，通过计算分析输液管路中的液体情况。副电容采集板低频采集，采集数据和主电容版作对比分析，判断主电容采集板是否损坏。副电容采集板同时在需要输液报警的时候做二次验证，提高稳定性，降低偶然性。

本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，在输液管表面引入变化电场；

步骤S2，使用双电容采集板电路进行双电容检测，检测到电容数据；

步骤S3，对检测的电容数据使用递推法均值算法进行递推排列和复位索引；

步骤S4，对递推排列和复位索引后的电容数据进行数据滤波获取有效的电容数据；

步骤S5，对滤波后的电容数据进行电容变化量分布计算，分析输液管状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

在输液管表面引入一个变化电场电路，所述变化电场电路包括两个运算放大器。

3.根据权利要求2所述的一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

所述双电容采集板电路包括主电容采集板电路和副电容采集板电路；

所述主电容采集板电路用于高频采集，所述副电容采集板电路用于低频采集；

所述主电容采集板电路计算分析输液管路中的液体情况；

所述副电容采集板电路采集电容数据并和主电容采集板电路采集的电容数据作对比分析，判断主电容采集板是否损坏。

4.根据权利要求3所述的一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法，其特征在于，包括：

副电容采集板电路同时在需要输液报警的时候做二次验证。

5.根据权利要求1所述的一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法，其特征在于，所述双电容采集板电路采用同样的采集板。

6.根据权利要求1所述的一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

将电容数据输入到递推法均值算法公式中，根据实际传入的电容数据的大小对电容数据进行递推排列；

在电容数据的数量大于递推法均值算法公式中样本的样本窗数量后，按电容数据实际传入的大小递推，并进行复位索引。

7.根据权利要求1所述的一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

对递推排列和复位索引后的电容数据采用加权平均滤波和限幅滤波结合的算法；

通过对N个电容数据的平均值进行加权计算，得出加权平均值y，表示为

其中，y为n个电容数据的平均值的加权平均值，Xi为第i次电容数据的平均值，N为采样次数，Ci为加权系数；

加权后的数据y通过将两次相邻的数据相减，求出其增量，然后将增量的绝对值，与两次采样允许的最大差值A进行比较，A的大小由输液管路决定；

如果小于或等于允许的最大差值，则本次采样有效；

否则取上次采样值作为本次数据的样本。

8.根据权利要求1所述的一种基于变化电场效应的用于输液管的双电容采集方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

对滤波后的电容数据进行电容变化量分布计算，分析输液管状态；

当采集到固定且变化量稳定的电容数据是，判断输液管中没有液体；

当采集到变化、变化量具有不规则的电容数据，且电容变化量比原有基准高时，判断输液管中有液体。

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