CN117589262A - 基于可调电感电容储能电路的液位检测 - Google Patents

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Abstract

一种设备，包括探针(108)，该探针被配置为提供检测电路的电感‑电容(LC)电路(104)的至少一部分电容，LC电路的电容取决于生化分析系统(100)中探针(108)和液体(118)的表面(122)之间的距离。该设备包括配置成移动探针(108)的移动机构(110)。该设备包括被配置为执行操作的电路系统，所述操作包括使移动机构(11)相对于液体(118)移动探针(108)；测量检测电路(104)的输出信号的一个或多个特性，该一个或多个特性取决于LC电路的电容；以及基于输出信号的一个或多个特性，检测探针(108)和液体(118)的表面(122)之间的接触。

Description

基于可调电感电容储能电路的液位检测
技术领域
本公开总体上涉及液位检测。
背景技术
执行液体混合和转移操作的科学和医学样本分析机器，例如自动化验机器和止血分析仪。测量结果的准确性取决于对液体体积的精确了解，如样本、试剂、溶剂或其他液体的体积。
发明内容
本公开的一些方面描述了一种设备。该设备包括探针，该探针被配置成提供检测电路的电感-电容(LC)电路的至少一部分电容，LC电路的电容取决于生化分析系统中的液体表面和探针之间的距离。该设备包括配置成移动探针的移动机构。该设备包括被配置为执行操作的电路系统，所述操作包括使移动机构相对于液体移动探针；测量检测电路的输出信号的一个或多个特性，该一个或多个特性取决于LC电路的电容；以及基于输出信号的一个或多个特性，检测探针和液体表面之间的接触。
本文描述的这个和其他设备可以具有至少以下特性中的任何一个或多个。
在一些实施方式中，LC电路包括可调谐LC储能电路。
在一些实施方式中，除了检测电路中的探针之外，LC储能电路还包括电感器和电容器。
在一些实施方式中，探针和液体表面之间的接触包括探针远端和液体表面之间的接触。
在一些实施方式中，检测电路包括带通滤波器电路。
在一些实施方式中，液体具有小于1mS/cm的离子电导率。
在一些实施方式中，液体包括去离子水。
在一些实施方式中，操作包括基于一个或多个特性确定探针是否与气体气泡接触。
在一些实施方式中，测量输出信号的一个或多个特性包括：向检测电路提供输入信号，该输入信号具有特定频率；以及测量输出信号的幅度作为输出信号的一个或多个特性的至少一部分。
在一些实施方式中，特定频率在1MHz和10MHz之间。
在一些实施方式中，特定频率在检测电路的谐振频率的5％以内。
在一些实施方式中，测量输出信号的一个或多个特性包括识别一个或多个特性中的阶跃。
在一些实施方式中，输出信号包括正弦信号，并且测量输出信号的一个或多个特性包括：整流输出信号，并且确定所整流的输出信号的一个或多个特性。
在一些实施方式中，操作包括：数字化输出信号，以及基于数字化输出信号的频域表示来测量一个或多个特性。
在一些实施方式中，操作包括处理频域表示以滤除干扰信号。
在一些实施方式中，处理频域表示包括确定数字化输出信号的分量，该分量具有与提供给检测电路的输入信号的频率相匹配的频率。
在一些实施方式中，一个或多个特性包括输出信号的幅度。
在一些实施方式中，使移动机构相对于液体移动探针包括：使移动机构在平行于液体表面的平面的第一方向上移动探针；以及使移动机构在垂直于液体表面平面的第二方向上朝着液体移动探针。
本公开的一些方面描述了另一设备。该设备可以具有至少上述特性的一些或全部。该设备包括探针，该探针被配置成提供包括电感-电容(LC)电路的检测电路的至少一部分电容，LC电路的电容取决于探针和参考结构之间的距离。该设备包括参考结构。该设备包括配置成移动探针的移动机构。该设备包括被配置为执行操作的电路系统，所述操作包括使移动机构相对于参考结构移动探针；测量检测电路的输出信号的一个或多个特性，该一个或多个特性取决于LC电路的电容；以及基于输出信号的一个或多个特性，确定探针和参考结构之间的距离。
本公开的一些方面描述了另一设备。该设备可以具有至少上述特性的一些或全部。该设备包括配置成提供检测电路的至少一部分电容的探针，检测电路的电容取决于生化分析系统中的液体表面和探针之间的距离。该设备包括配置成移动探针的移动机构。该设备包括被配置为执行操作的电路系统，所述操作包括使移动机构相对于液体移动探针；向检测电路中提供输入信号，该输入信号的频率在检测电路的谐振频率的5％以内；测量检测电路的输出信号的一个或多个特性，该一个或多个特性取决于检测电路的电容；以及基于输出信号的一个或多个特性，检测探针和液体表面之间的接触。
本公开的一些方面描述了一种用于检测液体样本分析系统中的液体表面和探针之间的接触的方法，该方法包括：提供本文描述的设备；使移动机构相对于液体移动探针；可选地，向检测电路中提供输入信号，该输入信号的频率在检测电路的谐振频率的5％以内；测量检测电路的输出信号的一个或多个特性，该一个或多个特性取决于检测电路或LC电路的电容；以及基于输出信号的一个或多个特性，检测探针和液体表面之间的接触。
本公开的一些方面描述了一种用于在液体样本分析系统中检测参考结构的存在和/或探针与参考结构之间的距离的方法，该方法包括提供本文描述的设备；使移动机构相对于参考结构移动探针；测量检测电路的输出信号的一个或多个特性，该一个或多个特性取决于LC电路的电容；以及基于输出信号的一个或多个特性，确定参考结构的存在和/或探针和参考结构之间的距离。
在一些实施方式中，该方法包括检测探针远端和液体表面之间的接触。
在一些实施方式中，该方法包括基于输出信号的一个或多个特性确定探针是否与气体气泡接触。
在一些实施方式中，该方法包括向检测电路提供特定频率的输入信号，并且测量作为输出信号的一个或多个特性的至少一部分的输出信号的幅度。
在一些实施方式中，该方法包括向检测电路提供在1MHz和10MHz之间或者在检测电路的谐振频率的5％以内的输入信号。
在一些实施方式中，该方法包括识别输出信号的一个或多个特性中的阶跃。
在一些实施方式中，输出信号包括正弦信号，并且测量输出信号的一个或多个特性包括整流输出信号，并且确定整流输出信号的一个或多个特性。
在一些实施方式中，该方法包括基于数字化输出信号的频域表示来测量输出信号的一个或多个特性，并且可选地，处理该频域表示以滤除干扰信号；可选地，其中处理频域表示包括确定数字化输出信号的分量，该分量的频率与提供给检测电路的输入信号的频率相匹配。
在一些实施方式中，该方法包括测量输出信号的幅度。
在一些实施方式中，该方法包括使移动机构在平行于液体表面的平面的第一方向上移动探针；以及使移动机构在垂直于液体表面平面的第二方向上朝着液体移动探针。
本文描述的实施方式可以提供各种好处。例如，在一些实施方式中，在液体检测系统中结合探针使用可调谐LC电路可以允许将系统的谐振频率调谐到高频(例如，3-30MHz)，这又可以使系统对在探针尖端检测液体具有高度敏感。高灵敏度有助于检测低离子含量的液体(如去离子水)，这些液体通常在液体分析系统中用于清洗、泵流量校准等。所公开的系统的高灵敏度还可以有助于系统输出的快速处理，从而允许探针朝向液体表面的快速移动。电路的可调谐性可以考虑到谐振频率的时间变化，谐振频率可以例如作为诸如温度、湿度、其他物体的接近度(proximity)等环境参数的函数而变化，并且有助于选择最佳频率，在该最佳频率下可以保持系统的高灵敏度。数字化所公开的LC电路的输出可以允许实施复杂的信号处理技术，例如，使用带通滤波器来隔离在已知频率下预期的感兴趣的信号。这又可以有助于有效的干扰减轻，甚至在存在多个干扰源的情况下也潜在地允许系统可靠地运行。在一些实施方式中，所公开的系统可以用于检测探针是否正在接近特定物体，例如液体分析系统的金属校准柱。通过提供这种功能，所公开的系统可以有助于在由校准柱标定的坐标系内快速校准探针的移动，同时潜在地消除探针与物体接触的机会。
本公开中描述的方法可以至少被实施为系统、设备和非暂时性计算机可读存储介质，和使用系统、设备和非暂时性计算机可读存储介质来实现。在附图和下面的描述中阐述了所公开的实施方式的细节。根据说明书、附图和权利要求，其他特征、目的和益处是显而易见的。
附图说明
图1是示出根据本公开的一些实施方式的样本分析系统的示例的图。
图2是示出根据本公开的一些实施方式的检测电路的示例的图。
图3A是示出根据本公开的一些实施方式的检测电路的示例的图。
图3B是示出根据本公开的一些实施方式的输入和输出信号的示例的曲线图。
图4A-4B是示出根据本公开的一些实施方式的信号测量系统的示例的图。
图5是示出根据本公开的一些实施方式的作为输入信号频率的函数的输出信号幅度的示例的曲线图。
图6是示出根据本文描述的技术，基于作为时间的函数的输出信号幅度的气泡检测的曲线图。
图7A-7B是示出根据本公开的一些实施方式的对探针穿过的空间的校准的图。
不同附图中使用的相同附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
本文件描述了一种技术，其中可调电感电容(LC)电路被并入检测容器中液体表面(或液位)的系统中，该容器例如是在液体或生化分析系统中使用的比色皿，该系统例如是分析全血或全血成分的系统。这允许将电路的谐振频率调谐到高值(例如，在2-10MHz范围内或更高，例如在3MHz和30MHz之间)并且在这样的高频率下操作系统，在这样的高频率下系统对检测与系统相关联的探针尖端处或附近的液体(或另一物体)的存在具有高度敏感度。所公开的系统的这种高灵敏度允许检测经常用于血液或其他液体分析系统的校准、清洁等的低离子含量的液体(例如，去离子水)。所公开系统的可调谐性可以考虑到谐振频率的时间变化，该时间变化可以是各种环境参数的函数，例如温度、湿度、其他物体的接近度等，从而允许选择操作频率，所选择的操作频率确保不管时间变化都保持系统的高灵敏度。在某些情况下，用于液体表面或液位检测的可调谐LC电路也可以适用于检测固体物体表面。例如，当探针接近特定物体(例如，金属物体)时，可以检测到所公开系统的输出中的细微变化，从而可以在探针不接触物体的情况下确定物体的位置。这又可以允许系统的快速校准，这取决于精确识别特定物体(例如，金属校准柱)的位置。例如，在一些分析系统中，与使用取决于频率在小于1MHz的范围内的振荡信号或者取决于张弛振荡器的计数周期的电路相比，使用所公开的技术可以使对探针穿过的坐标空间的校准快5倍以上。
样本分析系统，例如液体分析仪、血液分析系统和其他生化分析系统，将液体，例如部分或全部血液、试剂、清洁液或其他液体，从例如比色皿的容器中转移出来以及转移到例如比色皿的容器中，以准备样本用于分析和/或执行样本测试。在样本准备和分析操作的示例中，机器人控制的探针接取容器(例如，比色皿或小瓶)以从容器中抽吸液体和/或向容器中分配液体。
对于这种样本分析系统的各种操作，了解容器中液位可能是有用的。例如，在一些样本分析系统中，当启动系统时可以进行测试，以确保液体分配机构如预期和校准的那样工作。为此，可以将探针定位在容器上，以将液体分配到容器中。通过检测液体表面的位置(例如，相对于探针或相对于容器底部)，可以确定液柱的高度(以及因此容器中液体的体积)，并将所确定的体积与预期要分配的体积(例如，基于通过液体分配机构的校准流速)进行比较。如果测量的体积与预期的体积相匹配，则确定系统工作正常。在一些情况下，精确地确定探针突破液体表面的位置可能是重要的，例如，为了防止探针的尖端深入液体。此外，在一些情况下，因为样本分析系统中使用的容器具有已知的几何形状，所以容器中的液体体积可以基于关于探针检测到容器内液体时所处深度的信息来确定(该深度也可以代表容器内液柱的高度-在本文中可以称为液位)。
各种样本分析系统使用低离子含量的液体，例如去离子水，用于上述校准目的。去离子水也可用于从容器(如比色皿)中清洗样本/试剂。对于这种低离子含量的液体，液体检测可能具有挑战性，因为这种液体倾向于仅提供低电导率的电通路，导致探针中的寄生电容低。例如，低离子含量的液体可以具有小于1mS/cm的离子电导率。在振荡频率主要取决于寄生电容的电路中，检测输出变化可能具有挑战性。例如，低寄生电容可以导致电路的低谐振频率(例如，在5-10KHz范围内)，当探针尖端接近液体表面和/或与低离子含量液体的表面接触时，这可能不会在电路的输出(例如，输出电压)中产生可辨别的变化。本文件中描述的技术试图通过提供可调谐LC电路来解决前述挑战，其中谐振频率可以被调谐到相当高的值(例如，在5-10MHz的范围内)，其中电路对寄生电容的小变化的灵敏度很高。所公开的技术还包括在高谐振频率附近的频率下操作系统，以进一步优化对寄生电容的小变化的检测。因此，本文所述的技术提供了高度灵敏的检测电路，该检测电路响应于寄生电容的微小变化而在输出(例如，由高频正弦输入信号感应的输出电压)中产生可辨别的变化，该寄生电容的微小变化是由探针尖端和表面之间的距离变化或者探针尖端接触低离子液体例如去离子水而引起的。
此外，通过数字化高频输出信号，每单位时间产生大量样本，这允许快速处理和快速决策，从而使得所公开的液体检测系统高效。这可以被利用，例如，以第一速度移动探针，直到探针靠近液体，并且随后以比第一速度慢的第二速度移动以接触液体。
在一些实施方式中，所公开的系统在检测电容的小变化方面的高灵敏度可以被利用以检测对各种物体的接近度，特别是诸如金属物体的导电物体。即使相距一定距离，这种导电物体也会在探针上引起寄生电容的较大变化，从而导致系统输出的变化。在一些情况下，输出的变化量可以是探针距特定物体的距离的函数，并且该属性又可以用于在探针不与物体接触的情况下检测物体的存在(和/或探针距物体的距离)。例如，在必须基于某些参考结构(例如，位于已知位置的金属柱)来校准用于探针的移动机构的系统中，所公开的技术可以用于有效地执行这种校准。例如，因为所公开的电路的输出可以指示距参考结构的距离，并且该输出可以经由数字处理快速处理，所以探针可以在存在这种参考结构的空间内快速移动，并且只有当探针在距参考结构处于阈值距离以内时，该移动才可以减慢。与灵敏度更低的电路相比，这又可以减少校准时间，在灵敏度更低的电路中，参考结构仅在与结构接触或处于与结构非常靠近的距离以内时才被检测到。对于这种低灵敏度电路，在校准过程中，探针必须缓慢地小步地移动，以避免探针和参考结构之间的高冲击接触，并且为了执行校准，探针可能必须接触参考结构。另一方面，通过所公开的技术可获得的高灵敏度允许探针连续移动，并且仅当在距参考结构处于阈值接近度之内时才减速。这又可以允许对用于探针移动的坐标系进行快速、非接触式校准，而对探针造成损坏的风险相当低。
如图1所示，样本分析系统100包括控制器102、移动机构110和检测电路104。在一些实施方式中，样本分析系统100包括被配置为容纳液体118的容器106。移动机构110被配置为移动样本分析系统100的探针108，以使用检测电路104执行液位检测、探针位置校准和/或其他操作。探针108全部或部分导电，并且可以由抵抗探针108将暴露于的液体的腐蚀的材料形成。例如，探针108可以由不锈钢形成。在一些实施方式中，探针108可以与移液元件集成在一起。例如，探针108可以包括用于将液体移入或移出容器的通道。
移动机构110通过一个或多个合适的附接件112，例如可活动臂、履带式安装件或其他部件，机械联接到探针。在该示例中，移动机构110和附接件112被配置成移动探针108与容器106中的液体118接触。在一些实施方式中，移动机构110和附接件112替代地或附加地被配置成将探针108移动到与样本分析系统100的一个或多个其他元件接触或接近。在一些实施方式中，移动机构110和附接件112被配置成在三个维度上移动探针108，例如，同时沿着多个轴线移动和/或一次一个地沿着多个轴线移动。移动机构110可以包括一个或多个合适的马达，例如伺服马达或步进马达，以控制附接件112的移动。
在一些实施方式中，横向移动平面116平行于液体118的表面122，并且竖直移动轴线114垂直于横向移动平面116。在一些实施方式中，在检测容器106内的液体(或确定液位)的过程中，移动机构110沿着横向移动平面116移动探针108，直到探针108位于容器106的正上方。移动机构110然后沿着竖直移动轴线114朝向液体118移动探针108，例如，直到确定探针108与液体118接触。在一些实施方式中，样本分析系统包括单个容器，例如，如对于样本分析系统100所示。在一些实施方式中，样本分析系统包括多个容器，例如，布置成阵列，其中阵列的一个或多个容器中的液体表面平行于横向移动平面116。探针108可以在横向移动平面116中移动，以被带到阵列中的选定容器上方，然后可以沿着竖直移动轴线114向选定容器的液体移动。
在一些实施方式中，沿着竖直移动轴线114的移动包括至少两个阶段。在第一阶段，移动机构110以第一速度将探针108移向液体118。一旦探针被插入到容器中并且移动到预定位置的阈值距离内，移动机构110可以被配置为将探针108的下降减慢到小于第一速度的第二速度。例如，阈值距离可以是容器中最近一次已知的液位之上的预定距离(例如，5mm)。当探针108在液体118附近时使用更慢的移动可以减少当探针108接触液体118时液体118的飞溅(从而潜在地防止或最小化气泡形成或探针污染)，和/或防止探针108在液体中插入太深(例如，最小化随后需要从探针尖端洗掉的液体量)。例如，较快的速度可以大于250毫米/秒(例如，在300和600毫米/秒之间)，而较慢的速度可以小于250毫米/秒(例如，在50和200毫米/秒之间)。
在一些实施方式中，作为在阈值距离处调整探针速度的替代或添加，可以响应于探针被移动到预定位置的阈值距离内而启动液位检测。例如，响应于探针被移动到阈值距离内，输入信号(例如，输入信号203)可以被提供到检测电路中，数据信号(例如，数据信号410或430)可以被提供到控制器中或由控制器读取，和/或控制器可以启动数据的分析以识别液位。
控制器102包括电路系统，该电路系统包括一个或多个计算设备，例如一个或多个处理器、一个或多个存储器设备以及一个或多个存储设备。在一些实施方式中，电路系统还包括一个或多个整流器、模数转换器、滤波器和/或数字信号处理器。在一些实施方式中，控制器102包括接口和/或网络组件，例如，以便接收来自用户的输入和/或接收来自通信联接到控制器102的一个或多个计算系统的数据(例如，指令)。
在一些实施方式中，如图1所示，信号测量系统120电联接和/或通信联接(例如，用于信号的传输和/或检测)到控制器102和检测电路104。信号测量系统120被配置成处理来自检测电路104的输出信号，并向控制器102提供经修改的输出信号和/或输出信号的特性。控制器102可以基于经修改的输出信号和/或输出信号的特性来确定探针108是否与液体118的表面122接触。例如，当探针108向液体118下降时，控制器102可以响应于输入信号监测输出信号(例如，检测电路的输出电压或输出电流)，并且例如当输出信号的幅度(或另一特性)的变化满足阈值条件时，确定与液体表面的接触。
检测电路104可以与信号测量系统120和/或控制器102一起被容纳在公共外壳中。例如，检测电路104可以包括集成电路和/或印刷电路板(PCB)中的电路元件，其中集成电路和/或PCB电联接到样本分析系统100的外壳内的信号测量系统120和/或控制器102。在一些实施方式中，集成电路和/或PCB可以包括检测电路104和信号测量系统120和/或控制器102。在一些实施方式中，检测电路104和/或信号测量系统120的至少一部分可以附接到探针108，例如，以便与探针108一起移动。例如，PCB可以设置在附接到探针108的抗液体的外壳中，PCB安装有检测电路104和/或信号测量系统120。
图2是示出根据本公开的一些实施方式的检测电路的示例的图。如图2所示，检测电路104的示例包括电联接到控制器102的激励产生模块202。一个或多个电路部件204(例如一个或多个电阻器、电容器、电感器和/或其他电路部件，例如开关、二极管、晶体管等)电联接到激励产生模块202和探针206(例如，图1中的探针108)。至少一些电路部件204和探针206一起形成电感-电容(LC)电路。在一些实施方式中，至少一些电路部件204和探针206一起形成可调谐LC储能电路210。在检测电路104的这个示例中，电路部件204与电感L1、电容C1和电阻R1相关联。控制器102或信号测量系统120电联接在电路部件204和探针206之间。
LC储能电路210的电容取决于探针206的环境。例如，探针206可以通过探针206的环境208连接到地214。探针206的环境208可以包括接近探针206的一个或多个物体。示例物体包括液体(例如，其液位正被确定的液体)、容纳液体的容器、参考结构以及样本分析系统100的其他部分，这些部分可能产生影响LC储能电路210的总电容的寄生电容。这些物体的物理属性(例如，它们的成分和温度)以及物体和探针206之间的距离可以影响与该寄生电容相关联的电容C2，例如，作为探针206和接地214之间的有效电容的函数。
当探针环境208足够导电时(例如，当探针接近金属物体或与诸如盐水的导电液体接触时)，寄生电容C2的值足够高，即使当输入信号203保持不变时，也会引起输出信号205的较大变化。另一方面，当探针环境208具有低电导率时(例如，当探针接近诸如去离子水的低离子含量液体时)，寄生电容C2的值较低。在没有本文描述的技术的情况下(例如，对于谐振频率低于1MHz的固定LC电路)，对于如此低的寄生电容，检测输出信号的变化是具有挑战性的。此外，依赖于影响张弛振荡器频率的变化的寄生电容的替代方法可能无法缩放到更高频率，因为张弛振荡器的更高频率的操作又依赖于用于测量的更高频率参考时钟。维持参考时钟频率与张弛振荡器频率的高比率的足够高频率的参考时钟可能不可用、不稳定或者不适合液位检测操作。
然而，可以调谐储能电路210，使得储能电路210的谐振频率在高范围内(例如，3-10MHz)。即使寄生电容较小(例如，在1pF或更小的范围内)，以接近如此高的谐振频率的频率激励储能电路210也可以导致输出信号205中可测量的变化。因此，检测电路104可以提供高度灵敏的系统，该系统能够检测小的寄生电容，而小的寄生电容对于其他方式而言具有挑战性。这允许检测电路检测低离子含量的液体，例如去离子水。
激励产生模块202被配置成向LC储能电路210提供输入信号203。在不同的实施方式中，输入信号203可以具有各种形式。例如，输入信号203可以是周期信号(例如，正弦波信号)，其幅度和频率可以在不同的实施方式中变化。在一些实施方式中，输入信号203的频率在1MHz和10MHz之间，例如在2MHz和6MHz之间或者在3MHz和4Mhz之间。在一些实施方式中，输入信号203是复合信号，例如方波信号、三角波信号、锯齿波信号、脉冲信号或其他信号，或者这些或其他信号类型的组合。
在一些实施方式中，可以基于储能电路210的谐振频率来选择输入信号203的频率。参考图5示出了输入信号频率的选择，图5是示出了作为输入信号频率的函数的模拟输出信号的幅度变化的示例的曲线图。具体而言，曲线502、504和506分别对应于130pF、132pF和134pF的LC储能电路电容，表示作为输入信号频率的函数的输出信号幅度的变化。在每种情况下，相应电路的谐振频率由曲线502、504和506的峰值表示。在一些实施方式中，可以选择输入信号的频率，使得由于电容变化引起的输出电压变化是足够可检测的。在图5的示例中，对于3.24MHz的输入信号，如竖直线508所示，对于130pF的输出电压的幅度接近0.8V，对于134pF电压下降到大约0.64V。因此，对于4pF的微小变化，输出电压变化约0.16V，这很容易检测到。通常，通过选择输入信号频率，使所选的信号频率下对应于不同电容的曲线之间的电压差相对较大，可以实现系统的高灵敏度。
在一些实施方式中，输入信号频率是预先确定的，并被设置到系统中。在一些实施方式中，输入频率可以被选择，例如，在特定运行之前被优化，例如，以考虑到共振频率的时间变化，该时间变化可归因于环境参数的变化，例如温度、湿度、其他物体的接近度等。例如，在系统的校准运行期间，输入信号频率可以在一个范围内扫描，以确定输出信号幅度满足一个或多个条件的频率，例如，输出信号幅度作为输入信号频率的函数具有最大斜率的频率。使用输入信号的相应频率可以确保对电路电容的较小变化具有较大的幅度差异，从而保持系统的高灵敏度。在一些实施方式中，本公开中描述的检测电路可以可靠地检测500fF、1pF或2pF的电容变化(例如，可以检测由于电容变化导致的输出信号特性的变化，该变化大于输出信号特性中的噪声幅度)，从而即使当液体是例如去离子水的低离子含量的液体时，也允许对液体进行灵敏检测。在一些实施方式中，输入信号的频率替代地或附加地基于待检测液位的液体类型来确定。例如，用户可以向控制器102提供指示液体类型的用户输入，或者液体类型可以由控制器102自动确定，例如基于指示每个容器的状态的存储数据。
返回参考图2，激励产生模块202可以包括数字和/或模拟电路系统的各种组合中的一个或多个。在一些实施方式中，激励产生模块202包括数字或模拟函数发生器。在一些实施方式中，激励产生模块202包括被配置为产生周期性信号的晶体振荡器。在一些实施方式中，激励产生模块202包括被配置为产生周期性信号的时钟信号发生器。在一些实施方式中，激励产生模块202包括数字电路系统(例如，处理器或FPGA)，其被配置为通过数模转换直接合成周期信号。可以替代地或附加地使用各种其他信号产生方法和设备来获得输入信号203的期望特性。激励产生模块202可以由控制器102控制(例如，通过由控制器102提供的信号和/或数据)，例如以打开/关闭激励和/或改变输入信号的特性(例如，频率、幅度和/或信号形状)。
在一些实施方式中，控制器102被配置成获得输出信号205并确定其一个或多个特性。在一些实施方式中，信号测量系统120被配置成对输出信号205执行一个或多个操作，并向控制器102提供经修改的输出信号205或其一个或多个特性。在一些实施方式中，控制器102可以被配置成基于输出信号的一个或多个特性来检测在探针尖端处与液体的接触。
图3A示出了检测电路300的示例，检测电路300包括探针和仪器接地之间的有效电容。输入信号308在本例中是周期性正弦波信号，其作为输入提供给检测电路300。在该示例中，电路部件204包括一个或多个电阻器(表示为具有电阻R1的电阻元件306)、一个或多个电容器(表示为具有电容C1的电容元件302)、以及一个或多个电感器(表示为具有电感L1的电感元件304)。检测电路300还包括基于探针周围环境的成分由探针贡献的寄生电容(使用具有C2值的电容元件307表示)。检测电路300是电感电容(LC)电路。电容元件302、电感元件304和电容元件307一起形成LC储能电路305。在一些实施方式中，不包括电容元件307的部分312可以是可调的，使得储能电路305的谐振频率在足够高的范围内，这允许检测电容元件307的较小变化。根据本文描述的技术，具有接近高谐振频率的频率的合适的输入信号可以被提供到检测电路300中，以高灵敏度测量相应输出信号的变化。
在图3A的示例中，LC储能电路305的谐振频率为 因此，当输入信号308具有幅度Vin(在图3B中示出为幅度314)和频率f时，并且当输出信号310具有幅度Vout(在图3B中示出为幅度316)时，当f≈f0时，即当输入频率接近谐振频率时，Vout/Vin(或者对于常量Vin，Vout等效地)具有高值。
与C1相比，C2通常较小，除非当探针非常接近在探针上产生较大寄生电容的物体时。因此，谐振频率可以被假设为其中可以选择L1和C1将谐振频率调谐到较高的值。在各种实施方式中，可以基于f0来提供输入信号308，例如，在f0的1％以内、2％以内、5％以内或10％以内。在一些实施方式中，输入信号的频率可以如上文参考图5所述来选择。包含不同于由探针贡献的电容的可调谐LC储能电路(例如LC储能电路312)可以是有用的，至少因为可调谐LC储能电路允许检测电路的谐振条件被提前预先配置，使得输入信号308可以以接近谐振频率的频率被提供。
在一些实施方式中，电感L1在1μH和100μH之间，例如在5μH和40μH之间。在一些实施方式中，电容C1在1pF和100pF之间，例如在10pF和50pF之间。在一些实施方式中，电感和电容被配置为使得对应的谐振频率在1MHz和30MHz之间，例如在1MHz和10MHz之间，例如在2MHz和6MHz之间或者在3MHz和4MHz之间。
检测电路300是如何实施符合本公开的检测电路的一个示例。本公开的范围可以包括可以如上所述地被调谐以提供高谐振频率的其他电路配置。在一些实施方式中，信号测量系统120的至少一部分被集成到控制器102中。由控制器执行的操作和/或信号测量系统120的操作可以由分立的电路系统、通用计算机或其组合来执行。例如，数模转换可以由由不同硬件(例如，信号测量系统120中的专用集成电路芯片)表示的专用数模转换模块来执行。
如图4A所示，在一些实施方式中，信号测量系统对输出信号310执行至少一些模拟处理。在信号测量系统400中，整流器402将振荡输出信号404转换成整流(DC)输出信号406。例如，整流器402可以包括与平滑电路或滤波器(例如RC并联滤波器)结合的半波或全波整流部分。在一些实施方式中，整流输出信号406作为输入被提供给控制器102。在一些实施方式中，信号测量系统400的幅度检测器408测量整流输出信号406的幅值，并向控制器102输出数据信号410(例如，数字数据信号)，其中数据信号410指示整流输出信号406的幅值，并相应地指示输出信号404的幅度。
如图4B所示，在一些实施方式中，输出信号404被数字化以供进一步分析。在信号测量系统421中，模数转换器(ADC)420产生数字化的输出信号422。在一些实施方式中，数字化输出信号422被提供给控制器102。在一些实施方式中，数字化输出信号422由信号测量系统421例如利用频谱分析进一步处理。如图4B所示，例如通过信号测量系统421的快速傅立叶变换(FFT)模块424，数字化输出信号422被分解成频率分量426。该分解将对应于实际输出信号的目标分量(例如，具有与正弦输入信号的频率相匹配的频率的分量)与对应于其他信号贡献(例如内部和外部噪声和/或干扰源)的分量分开。例如，邻近样本分析系统100使用的无线设备可以发射信号，所述信号被检测电路获得并作为输出信号404的一部分被检测。幅度检测器428被配置成分析频率分量，并向控制器102输出数据信号430，该数据信号430指示目标分量的幅值，并相应地指示输出信号404的幅度，其中噪声和其他干扰的贡献减少或没有贡献。
基于数据信号410或430，控制器102识别探针接触液体的探针位置。例如，控制器102可以被配置成识别作为时间的函数或作为探针位置的函数的输出信号404(或输出信号404的分量，例如频率分量)的幅度的快速变化。例如，控制器102可以被配置为识别在预定持续时间内或预定位置变化内大于阈值的幅度变化。在一些实施方式中，控制器102被配置为实施算法，例如累积和控制或基于导数的方法，用于在探针移动时实时进行阶跃检测，并且在检测到幅度中的阶跃或检测到满足一个或多个条件(例如阶跃高度)的阶跃时，控制器确定探针与液体接触。在一些实施方式中，控制器102可以以10kHz(每秒10,000个幅度样本)的速率分析数据信号410或430，以做出这样的确定。当控制器确定探针与液体接触时，探针的位置可以对应于液体表面的位置，基于此可以确定液体的液位。
在一些实施方式中，空气气泡可能存在于液体表面，并且探针可能与气泡而不是液体表面接触。在没有气泡检测的情况下，可能会无意中将空气而不是液体抽吸到探针中，或者可能会不准确地确定液位，从而导致不准确的分析结果。确定探针的尖端接近或接触的是气泡而不是液体表面可以生成一个或多个操作作为响应，例如产生警报消息，防止通过探针进行抽吸，或者将探针更深地移动到容器中，使得探针的尖端接触液体而不是液体表面上的气泡。
图6是示出基于作为时间的函数的输出信号幅度的液体接触检测和气泡检测的曲线图。因为探针以控制器102已知的速度移动，所以指示作为时间的函数的信号幅度的数据对应于指示作为探针位置的函数的信号幅度的数据。具体而言，曲线600表示逐渐移向液体表面的探针接触液体表面的气体/空气气泡并在接触气泡下面的液体之前停止的情况。曲线602表示探针逐渐移向没有气泡的液体表面的情形。在时间604期间，随着探针逐渐移向液体表面，寄生电容增加的速率较低，并且信号幅度仅呈现轻微的逐渐减小。例如，在探针接触表面之前的时间内，信号幅度可能变化小于1％或小于0.5％。曲线600和602展示了在区域606中的时间处幅度的突然显著降低，分别指示与气泡或液体表面的接触。例如，在一些实施方式中，控制器102基于在预定时间段内或在探针位置的预定变化内幅度变化至少1％、至少1.5％、至少2％或至少另一个预定值来确定已经进行了接触。然而，在这个示例中，液体接触的幅度变化大于气泡接触的幅度变化。基于幅度的变化，在一些实施方式中，控制器102可以确定探针是与液体接触还是与气泡接触。例如，小于阈值的幅度变化可以指示与气泡接触，而大于阈值气泡/液体值的幅度变化可以指示与液体接触。基于一个或多个输出信号特性的变化来区分气泡和液体的其他或附加方法也在本公开的范围内。例如，作为探针尖端和液体表面之间距离的函数的输出信号幅度的变化率可以指示液体表面是否存在气泡。在一些实施方式中，区分液体接触或气泡接触的阈值(例如，信号幅度的阈值变化)可以基于液体的类型。
在一些实施方式中，所公开的系统在检测电容的较小变化方面的高灵敏度可以被用来检测对各种物体/目标的接近，例如高导电性物体(例如，金属物体)或高离子含量液体，例如盐水。即使相距一定距离，这种导电物体也可以在探针上感应出较大的寄生电容，从而导致系统的输出的变化。例如，在一些实施方式中，控制器102、信号测量系统120和/或检测电路104被联合配置，使得当探针邻近导电物体在1mm和20mm之间，例如在1mm和10mm之间，在2mm和5mm之间，或者在5mm和10mm之间时，检测到输出信号404的可测量的变化(例如，输出信号404的幅度的可测量的变化)。可测量的变化可以是例如通过大于输出信号404中的噪声而可检测的变化。在一些情况下，输出的变化量可以是探针距特定物体的距离的函数，并且该属性又可以用于在探针不与物体接触的情况下检测物体的存在(和/或探针距物体的距离)。
图7A-7B是示出根据本公开的一些实施方式的对探针穿过的空间的校准的图。如图7A-7B所示，在一些实施方式中，样本分析系统包括参考结构702，例如金属校准柱，其用作定义/校准探针穿过的空间坐标系的参考位置。在一些实施方式中，参考结构702垂直于平面708延伸，平面708平行于一个或多个容器中的液体表面。平面708可以与参照图1描述的横向移动平面116基本相同。例如，参考结构702可以是附接到样本分析系统的基座、支撑部或其他部分的柱。在一些实施方式中，参考结构702至少部分导电，例如由诸如不锈钢的金属形成，当探针足够靠近参考结构时，这在探针上产生大量寄生电容。例如，在一些实施方式中，当探针700距离参考结构702在1mm和5mm之间时，探针700和参考结构702之间的电容在50和250pF之间。
在一些实施方式中，如图7A所示，探针700可以沿着第一方向704移动，例如横向地且平行于平面708，以接近参考结构702。随着探针700移动，检测电路的输出信号的一个或多个特性被监测以确定探针700和参考结构702之间的距离，例如探针700的侧表面710和参考结构702的侧表面712之间的距离706。检测电路可以是用于液位检测的同一检测电路，例如检测电路104或300，并且检测电路的输出信号可以被提供给控制器102或信号测量系统120用于分析。
距离706可以基于将一个或多个特性(和/或其中的变化)与距离相关联的预定函数关系来确定。例如，控制器102存储或访问函数A(r)，其中A是输出信号的幅度，r是距离806。基于函数关系和一个或多个特性，可以确定r。在一些实施方式中，通过在探针700移动时监测一个或多个特性并识别一个或多个特性中的阶跃来确定距离706；阶跃的存在可以指示探针700非常接近参考结构702(例如，在参考结构702的2mm内)。在一些实施方式中，基于一个或多个特性与一个或多个特性的初始值的比较来确定距离706或非常接近。例如，与当探针700相对远离参考结构702时(例如，在各种实施方式中，至少10mm远，至少20mm远，或至少50mm远)的幅度初始值相比，当探针700接近参考结构702时，输出信号的幅度可以稳定地降低。当幅度降低到其初始值的阈值比例时，例如在其初始值的0.95和0.99之间的阈值比例，控制器102可以确定探针非常接近参考结构702。替代地或附加地，距离706可以被确定为幅度的函数。
在一些实施方式中，当探针700被确定在距离参考结构702的阈值距离内或非常接近参考结构702时，探针700的移动可以被停止或反转(例如，在不接触参考结构702的情况下)。因为参考结构702位于坐标系(例如，其中平面708是xy平面的x-y-z坐标系)内的参考位置，所以可以在该坐标系中确定探针700的位置。例如，如果第一方向704沿着x轴线，则可以确定探针700的x坐标。可以使用类似的过程来确定第二坐标(例如，y坐标)，例如，通过在平行于平面708并且垂直于第一方向704的方向上移动探针700。
如图7B所示，探针700可以垂直于平面708竖直移动，例如，以在方向714(例如，z方向)上接近参考结构。随着探针700移动，确定探针700的远端718和参考结构702的部分(例如，远端720)之间的距离716，例如，以基于输出信号的一个或多个特性的变化的存在，确定探针700的距离716小于预定阈值或探针700非常接近参考结构的位置。基于指示参考结构702的远端720的坐标的存储数据，可以确定探针700在方向714上的坐标(例如，z坐标)，例如，在不接触参考结构702的情况下。
灵敏度更低的系统可以通过缓慢移动探针来避免或减少与参考结构的接触，但这会增加校准过程所消耗的时间。根据本公开的方法和装置提供的高灵敏度可以允许在校准过程中具有快速的探针移动，减少了在样本分析系统启动后能够进行化验的“首次测试时间”。参考图7A-7B描述的位置校准可以响应于各种触发来执行，例如在样本分析系统启动时执行，在收到来自用户或计算系统的指令时执行，或者在样本分析系统通电时周期性地执行。
因为参考结构可以是坚固和坚硬的，所以与参考结构的接触(特别是与探针持续移动进入参考结构相结合)会对探针造成损害。具有比本文描述的系统的灵敏度更低的灵敏度的系统可能使用重复的接近-接触-撤回过程来执行校准。在该过程中，探针从上方接近参考结构，与参考结构接触，从参考结构撤回，横向平移，并再次接近参考结构，重复该过程直到没有接触。由于其灵敏度和/或高检测速度，本文公开的方法和装置的一些实施方式可以执行探针位置校准，而不需要探针接触目标，例如，如参考图7A-7B针对探针位置校准所描述的。这可以减少由于探针接触结构(例如参考结构702)导致的探针损坏的发生率。此外，本公开的一些实施方式的高灵敏度意味着除了竖直校准之外，还可以执行横向校准(例如，如图7A所示)。相比之下，灵敏度更低的系统可能只能可靠地进行如图7B所示的竖直校准。
所描述的一些特征可以在数字和/或模拟电子电路系统中或者在计算机硬件、固件、软件或者它们的组合中实施。一些特征可以在计算机程序产品中实施，该计算机程序产品有形地包含在信息载体中，例如在机器可读存储设备中，用于由可编程处理器执行。方法步骤可以由执行指令程序的可编程处理器来执行，以通过对输入数据进行操作并产生输出来执行所描述的实施方式的功能，这由执行模拟和/或数字电路操作的分立电路系统来执行，或者由它们的组合来执行。
一些描述的特征可以有利地在一个或多个计算机程序中实施，所述计算机程序可在可编程系统上执行，所述可编程系统包括至少一个可编程处理器，其被联接以从数据存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备接收数据和指令，以及向其发送数据和指令。计算机程序是一组指令，可以在计算机中被直接或间接使用，以执行特定的活动或产生特定的结果。计算机程序可以用任何形式的编程语言(例如Objective-C、Java)编写，包括编译或解释语言，并且它可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适合在计算环境中使用的其他单元。
作为示例，用于执行指令程序的合适的处理器包括通用和专用微处理器，以及任何种类的计算机的单个处理器或多个处理器或核心中的一个。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器。通常，计算机可以与用于存储数据文件的大容量存储设备通信。这些大容量存储设备可以包括磁盘，例如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；和光盘。适于有形地包含计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失性存储器，例如包括半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；和CD-ROM以及DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由ASIC(专用集成电路)补充或被并入其中。为了提供与用户的交互，这些特征可以在计算机上实施，该计算机具有用于向作者显示信息的显示设备，诸如CRT(阴极射线管)、LED(发光二极管)或LCD(液晶显示器)显示器或监视器，键盘和指示设备，诸如作者可以用来向计算机提供输入的鼠标或轨迹球。
已经描述了许多实施方式。然而，应当理解，可以进行各种修改。一个或多个实施方式的元素可以被组合、删除、修改或补充以形成进一步的实施方式。在又一示例中，图中所示的逻辑流程不需要所示的特定顺序或连续顺序来实现期望的结果。此外，可以提供其他步骤，或者可以从所描述的流程中删除步骤，并且可以向所描述的系统添加其他部件，或者从所描述的系统中删除其他部件。因此，其他实施方式在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种设备，包括：
探针，配置为提供检测电路的电感-电容(LC)电路的至少一部分电容，所述LC电路的电容取决于生化分析系统中的液体表面和所述探针之间的距离；
移动机构，配置为移动所述探针；和
电路系统，配置为执行操作，所述操作包括：
使所述移动机构相对于所述液体移动所述探针；
测量所述检测电路的输出信号的一个或多个特性，所述一个或多个特性取决于所述LC电路的电容；和
基于所述输出信号的所述一个或多个特性，检测所述探针和所述液体表面之间的接触。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述LC电路包括可调谐LC储能电路；可选地，其中，除了所述检测电路中的探针之外，所述LC储能电路还包括电感器和电容器。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述探针和所述液体表面之间的接触包括所述探针的远端和所述液体表面之间的接触。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述检测电路包括带通滤波器电路。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述液体具有小于1mS/cm的离子电导率；可选地，其中，所述液体包括去离子水。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述操作包括基于所述一个或多个特性确定所述探针是否与气体气泡接触。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中：
(a)测量所述输出信号的所述一个或多个特性包括：
向所述检测电路提供输入信号，所述输入信号具有特定频率；和
测量所述输出信号的幅度，所述幅度作为所述输出信号的所述一个或多个特性的至少一部分；可选地，其中，所述特定频率(i)在1MHz和10MHz之间，或者(ii)在所述检测电路的谐振频率的5％之内；或者
(b)所述输出信号包括正弦信号，并且其中，测量所述输出信号的所述一个或多个特性包括：
对所述输出信号进行整流，以及
确定所整流的输出信号的一个或多个特性。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，测量所述输出信号的所述一个或多个特性包括识别所述一个或多个特性中的阶跃。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述操作包括：
数字化所述输出信号，以及
基于数字化输出信号的频域表示测量所述一个或多个特性；可选地
其中，所述操作包括：
处理所述频域表示以滤除干扰信号；可选地，其中，处理所述频域表示包括确定所述数字化输出信号的分量，所述分量的频率与提供给所述检测电路的输入信号的频率相匹配。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述一个或多个特性包括所述输出信号的幅度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，使所述移动机构相对于所述液体移动所述探针包括：
使所述移动机构在与所述液体表面的平面平行的第一方向上移动所述探针；和
使所述移动机构在与所述液体表面的平面垂直的第二方向上朝向所述液体移动所述探针。
12.一种设备，包括：
探针，配置为提供包括电感-电容(LC)电路的检测电路的至少一部分电容，所述LC电路的电容取决于所述探针和参考结构之间的距离；
所述参考结构；
移动机构，配置为移动所述探针；和
电路系统，配置为执行操作，所述操作包括：
使所述移动机构相对于所述参考结构移动所述探针；
测量所述检测电路的输出信号的一个或多个特性，所述一个或多个特性取决于所述LC电路的电容；和
基于所述输出信号的所述一个或多个特性，确定所述探针和所述参考结构之间的距离。
13.一种设备，包括：
探针，配置为提供检测电路的至少一部分电容，所述检测电路的电容取决于生化分析系统中的液体表面和所述探针之间的距离；
移动机构，配置为移动所述探针；和
电路系统，配置为执行操作，所述操作包括：
使所述移动机构相对于所述液体移动所述探针；
向所述检测电路中提供输入信号，所述输入信号的频率在所述检测电路的谐振频率的5％以内；
测量所述检测电路的输出信号的一个或多个特性，所述一个或多个特性取决于所述检测电路的电容；和
基于所述输出信号的所述一个或多个特性，检测所述探针和所述液体表面之间的接触。
14.一种用于检测液体样本分析系统中的液体表面和探针之间的接触的方法，所述方法包括：
提供根据权利要求1至11和13中任一项所述的设备；
使所述移动机构相对于所述液体移动所述探针；可选地，向所述检测电路中提供输入信号，所述输入信号的频率在所述检测电路的谐振频率的5％以内；
测量所述检测电路的输出信号的一个或多个特性，所述一个或多个特性取决于所述检测电路或所述LC电路的电容；和
基于所述输出信号的所述一个或多个特性，检测所述探针和所述液体表面之间的接触。
15.一种用于检测液体样本分析系统中参考结构的存在和/或探针与参考结构之间的距离的方法，所述方法包括：
提供根据权利要求12的设备；
使所述移动机构相对于所述参考结构移动所述探针；
测量所述检测电路的输出信号的一个或多个特性，所述一个或多个特性取决于所述LC电路的电容；和
基于所述输出信号的所述一个或多个特性，确定所述参考结构的存在和/或所述探针与所述参考结构之间的距离。
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