CN210953921U - 一种基于振动原理的液体检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及生物医疗领域及传感器技术，公开了一种基于振动原理的液体检测装置。该基于振动原理的液体检测装置包括电源系统、微控制器及其最小系统、直接数字式频率合成器、运算放大器、存储模块、激励振荡电路、振动检测传感器、检测结果显示模块和USB模块等。利用谐振的原理来检测液体理化性质变化，由于谐振的发生需要激励电路发出的与待测液体的固有频率相同的信号，液体中的各种因子发生一点变化都可能导致其固有频率的变化，该方法能很精确的检测出液体状态的变化。该液体检测装置需要很少的硬件便能实现很好的检测效果，可使得装置便携化。该振动检测传感器，创新的结构设计，结构简单，易于制作，精密度高、重复性好。

Description

一种基于振动原理的液体检测装置

技术领域

本实用新型涉及生物医疗领域及传感器技术，具体涉及一种基于振动原理的液体检测装置。

背景技术

血凝仪，即血液凝固分析仪，用来检测患者的血液止血功能的仪器。受制于血液分析仪器原理的限制，现今市场上的血凝仪往往都有体积较大的缺点。我们都知道，医生抢救患者时，每一分每一秒都很重要，如果医生出诊时能带有便携式的血凝仪，便可以在返回医院的途中检测患者的血液功能是否正常，并及时提醒医院做好相关准备。并且群众在平时要测量其血液凝固功能是否正常，还需要到医院去测量，这对现今紧张的医疗资源更是雪上加霜。故实用新型一种便携式的血凝仪对医疗救护和保健领域会有很大的促进作用。

振荡系统在周期性外力作用下，当外力作用频率与系统固有振荡频率相同或很接近时，振幅急剧增大的现象。

任何液体都有其特定的电谐振频率，且电谐振频率与液体自身的性质有关。当液体的任何性质(如成分、电导率、浓度、pH值、密度、粘度等)发生改变时，那么该液体的电谐振频率也会发生相应的变化。因此，可以利用液体的这种电谐振特性，来测量液体理化性质变化过程中谐振频率的变化，进而了解液体的理化性质等。

现有技术(基于液体电谐振原理的血凝测试方法研究，周宇坤，2009.6.15)采用了液体谐振测量装置来测量血浆的电谐振频率，测量系统包括待测溶液，指叉型传感器，振荡电路，SP312等精度频率检测仪，USB数据传输，PC机数据显示以及相应的上位机软件部分组成。现有技术(液体谐振传感方法与系统,CN102809597A)公开了液体粘弹性、密度、成分及其浓度等性质可由液体固有频率来表征，在交变激励振荡信号作用下，液体产生谐振，当液体性质变化时，其谐振频率会发生相应变化。公开的传感系统由镀金膜叉指微电极阵列谐振传感器、激励振荡器、拾振器、单片机和计算机组成。

上述公开资料中使用的指叉型传感器、激励振荡器、以及拾振器等存在结构复杂、精密度低、检测误差大等问题。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足，本实用新型的首要目的在于提供一种基于振动原理的液体检测装置。

实用新型实用新型本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种基于振动原理的液体检测装置，包括电源系统、微控制器及其最小系统、直接数字式频率合成器、运算放大器、存储模块、激励振荡电路、振动检测传感器、检测结果显示模块和USB模块；

所述微控制器与直接数字式频率合成器连接，控制直接数字式频率合成器按照一定规律产生特定频率的方波信号；

所述微控制器与振动检测传感器连接，接收振动检测传感器发出的血液振动的信号，并记录振动时的振动频率；

所述微控制器与存储模块连接，在测试完成后读取存储模块中的数据，并与测试出的数据进行对比；

所述微控制器与检测结果显示模块连接，控制检测结果显示模块以向测试者反应测试结果；

所述微控制器与USB模块连接，通过USB接口与电脑端进行数据交换；

所述运算放大器的输入与直接数字式频率合成器的方波输出相连接，对直接数字式频率合成器的方波进行放大，增大激振功率；

所述运算放大器与激励振荡电路连接，以产生增强了的交变的磁场；

所述激励振荡电路电路板上的检测区域围起与振动检测传感器形成样品池。

进一步地，所述激励振荡电路的电路板的正面设有至少2个平行排列在检测区域内且电流方向相同的电路；电路板在正面电路的末端设有过孔，连接背面的电路。

进一步地，所述检测区域的中心设有与振动检测传感器适配的过孔，所述振动检测传感器的柱状绝缘体与过孔配合。

进一步地，所述与振动检测传感器适配的过孔边缘区域设有焊盘，所述焊盘与背面的电路平行。

进一步地，所述激励振荡电路的电路板的正面和背面涂抹绝缘材料；所述过孔填充和涂抹绝缘材料。

进一步地，所述与振动检测传感器适配的过孔边缘区域设有焊盘，所述焊盘与背面的电路平行。

进一步地，所述焊盘的数量与振动检测传感器的管脚数量一致。

进一步地，所述振动检测传感器包括柱状绝缘体、在柱状绝缘体表面设置至少两个不同高度的金属导体，以及设置于柱状绝缘体上的用于与金属导体连接的管脚；不同高度的金属导体之间不相互连接；所述管脚分别与不同高度的金属导体连接。

进一步地，柱状绝缘体上的部分金属导体与不同高度的金属导体之间分别连接不同的电势电路。

进一步地，所述管脚设置于柱状绝缘体的底部；管脚与相邻金属导体之间的距离大于电路板的厚度。

进一步地，所述金属导体设置的高度数量为2n个，所述管脚数量至少与高度数量一致，在柱状绝缘体底部的两侧呈对称排列。

进一步地，所述金属导体和管脚的数量均为2n个，所述管脚在柱状绝缘体底部的两侧呈每个边n个管脚对称排列。

优选地，其中一个金属导体通过管脚与高电平I/O口连接，其余金属导体由微控制器扫描电平状态；

优选地，其中一个金属导体通过管脚接地，其余金属导体由微控制器扫描电平状态。

进一步地，所述金属导体为带状，并环绕嵌入柱状绝缘体，所述金属导体之间等间距并列排布。

进一步地，所述柱状绝缘体上设有过孔，金属导体通过过孔和导线与管脚连接。

进一步地，所述柱状绝缘体上设有小孔，导线穿过小孔连接金属导体和管脚。

进一步地，所述柱状绝缘体为圆筒状，其内部填充绝缘材料。

进一步地，柱状绝缘体、金属导体为不与液体发生化学反应的材质制成。

由于液体和固体的分子间隙不同，故液体中的分子间隙发生一定的变化，对其本身的固有频率都有较大的影响。并且由于液体谐振的发生只需要一个与其谐振频率相同的外部激励，便能产生明显的振动现象。

本实用新型的振动检测传感器利用了液体本身的导电性，在发生谐振时，振动的液体在不同高度的金属导体之间形成导电通路，通过管脚与检测电路接通，检测不同金属导体的输出的信号，进而反映出液体谐振幅度，及谐振频率的变化，以掌握液体理化性质的变化过程。

一种所述基于振动原理的液体检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤1.往样品池注入待测血液，启动液体检测装置，命令微控制器及其最小系统持续读取振动检测传感器的信号；

步骤2.微控制器及其最小系统通过控制直接数字式频率合成器进行快速的扫频，扫频信号经过运算放大器放大后，将信号传入激励振荡电路，由于交变磁场的作用，液体会在磁场发出与其固有频率相同的交变磁场时产生谐振；

步骤3.当振动检测传感器检测到液体谐振信号时，微控制器及其最小系统控制直接数字式频率合成器停止扫频，并将此时的谐振频率数值写入内部flash；

步骤4.然后每隔1～5s重复步骤2和步骤3的动作；将当次谐振的频率数值与前2s时的频率数值进行对比；

直到相隔2s的谐振频率数值小于或等于系统设置的阈值时，停止扫频检测环节完成；

步骤5.检测环节完成后，微控制器及其最小系统提取参照样品的数据，并与本次检测的数据进行对比；比对结果通过检测结果显示模块显示；或通过USB模块接口导出本次检测数据。

一种基于振动原理的液体检测装置的应用，所述液体检测装置用于检测血液理化性质、检测血栓、血凝。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型提出了利用谐振的原理来检测液体理化性质变化(血液功能)的方法，由于谐振的发生需要激励电路发出的与待测物体的固有频率相同的信号，而液体中分子的相互作用比固体的小，血液中的各种因子发生一点变化都可能导致血液固有频率的变化，因此该方法能很精确的检测出血液状态的变化。

同时由于本方法原理的优势，使得系统仅需要很少的硬件设施便能实现很好的检测效果，故也能使得体检测装置便携化。

本实用新型的振动检测传感器，创新的结构设计，通过设置不同高度的金属导体，并利用液体的导电性；在发生谐振时，振动的液体在不同高度的金属导体之间形成导电通路，通过管脚与检测电路接通，检测不同金属导体的输出的信号，进而反映出液体谐振幅度，及谐振频率的变化，以掌握液体理化性质的变化过程。本实用新型的振动检测传感器，结构简单，易于制作，精密度高、重复性好。

附图说明

图1为本实用新型具体实施例中振动检测传感器的底视图；

图2为本实用新型具体实施例中振动检测传感器的主视图；

图3为本实用新型具体实施例中振动检测传感器的剖面图；

图4为本实用新型具体实施例中激励振荡电路的结构图；

图5为本实用新型具体实施例中激励振荡电路的背面图；

图6为本实用新型具体实施例中激励振荡电路的正面图；

图7为本实用新型具体实施例中系统模块结构示意图；

图8为本实用新型具体实施例中液体检测装置的检测流程图。

具体实施方式

下面给出实施例以对本实用新型进行具体的描述，但不限于此。实施例及应用例所用的原材料均为市购。

实施例1

如图1～7所示，一种基于振动原理的液体检测装置，包括电源系统、微控制器及其最小系统、直接数字式频率合成器、运算放大器、存储模块、激励振荡电路、振动检测传感器、检测结果显示模块和USB模块；

微控制器与直接数字式频率合成器连接，控制直接数字式频率合成器按照一定规律产生特定频率的方波信号；

微控制器与振动检测传感器连接，接收振动检测传感器发出的血液振动的信号，并记录振动时的振动频率；

微控制器与存储模块连接，在测试完成后读取存储模块中的数据，并与测试出的数据进行对比；

微控制器与检测结果显示模块连接，控制检测结果显示模块以向测试者反应测试结果；

微控制器与USB模块连接，通过USB接口与电脑端进行数据交换；

运算放大器的输入与直接数字式频率合成器的方波输出相连接，对直接数字式频率合成器的方波进行放大，增大激振功率；

运算放大器与激励振荡电路连接，以产生增强了的交变的磁场；

激励振荡电路电路板上的检测区域围起与振动检测传感器形成样品池。

具体的选型如下：STM32F103RBT6微控制器及其最小系统、AD9854型DDS芯片、OPA847高带宽运放、EEPROM存储模块、LED检测结果显示模块等。

电源系统为24V电源适配器经过一系列DCDC芯片和LDO电压转换芯片产生多路5V和3.3V。

LED检测结果显示模块由三个电阻和红、蓝、绿三种颜色的LED构成。

振动检测传感器包括柱状绝缘体302、在柱状绝缘体302表面嵌入8个金属导体301，以及位于柱状绝缘体302底部的用于与金属导体301连接的管脚303。

金属导体301水平环绕于柱状绝缘体302，金属导体301之间并行排列且不相互连接；管脚303分别与金属导体301一一对应连接。

柱状绝缘体302上的最底部的金属导体301通过管脚303与高电平I/O口连接，其余金属导体由STM32F103RBT6微控制器扫描电平状态。STM32F103RBT6微控制器持续读取振动检测器的上部7个导体对应的I/O口状态。

由于液体和固体的分子间隙不同，故液体中的分子间隙发生一定的变化，对其本身的固有频率都有较大的影响。并且由于液体谐振的发生只需要一个与其谐振频率相同的外部激励，便能产生明显的振动现象。

该振动检测传感器利用了液体本身的导电性，在发生谐振时，振动的液体在不同高度的金属导体301之间形成导电通路，通过管脚303与检测电路接通，检测不同金属导体的输出的信号，进而反映出液体谐振幅度，及谐振频率的变化，以掌握液体理化性质的变化过程。

管脚303与柱状绝缘体302上的最底部的金属导体301之间的距离大于电路板的厚度。

位于柱状绝缘体302上部的金属导体301之间等间距并列排布。

柱状绝缘体302上设有过孔305，金属导体301通过过孔305和导线与管脚303连接。

或者柱状绝缘体302上设有小孔305，导线穿过小孔连接金属导体301和管脚303。

柱状绝缘体302过孔或小孔填充绝缘材料。

柱状绝缘体302、金属导体301为不与液体发生化学反应的材质制成。

金属导体301和管脚303的数量均为8个，管脚303在柱状绝缘体302底部的两侧呈每个边4个管脚303对称排列。

该振动检测传感器与激励振荡电路配合用于检测液体理化性质的变化。激励振荡电路电路板上的圆形区域506安装一个塑料的透明圆筒形成样品池，振动检测传感器的柱状绝缘体302与电路板的过孔502配合。

激励振荡电路的输入为一个50Ω电阻的一端，电阻的另一端连接OPA847高带宽运放的输出。

激励振荡电路电路板的正面设有13个平行排列在一个圆形区域506内且电流方向相同的电路；电路板在正面电路的末端设有过孔505，连接背面的电路；圆形区域506的中心设有与振动检测传感器适配的过孔502。

电路板的正面和背面涂抹绝缘材料；过孔502、505填充和涂抹绝缘材料。

与振动检测传感器适配的过孔502边缘区域设有焊盘507，焊盘507与背面的电路平行。焊盘507的数量与振动检测传感器的管脚303数量一样。

由于液体和固体的分子间隙不同，故液体中的分子间隙发生一定的变化，对其本身的固有频率都有较大的影响。并且由于液体谐振的发生只需要一个与其谐振频率相同的外部激励，便能产生明显的振动现象。

本实用新型的振动检测传感器利用了液体本身的导电性，在发生谐振时，振动的液体在不同高度的金属导体之间形成导电通路，通过管脚与检测电路接通，检测不同金属导体的输出的信号，进而反映出液体谐振幅度，及谐振频率的变化，以掌握液体理化性质的变化过程。

该液体检测装置还设有温度控制模块；以控制待测液体的检测环境的温度。

AD9854芯片容易发热，因此在AD9854芯片上设置了一块散热片。

样品池设有盖子。待测液体注入样品池后，关闭样品池上方的塑料软盖，为液体提供一个相对稳定的检测环境。

如图8所示，一种基于振动原理的液体检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤1.往样品池注入待测血液，启动液体检测装置，命令微控制器及其最小系统持续读取振动检测传感器的信号；

步骤2.微控制器及其最小系统通过控制直接数字式频率合成器进行快速的扫频，扫频信号经过运算放大器放大后，将信号传入激励振荡电路，由于交变磁场的作用，液体会在磁场发出与其固有频率相同的交变磁场时产生谐振；

步骤3.当振动检测传感器检测到液体谐振信号时，微控制器及其最小系统控制直接数字式频率合成器停止扫频，并将此时的谐振频率数值写入内部flash；

步骤4.然后每隔1～5s重复步骤2和步骤3的动作；将当次谐振的频率数值与前2s时的频率数值进行对比；

直到相隔2s的谐振频率数值小于或等于系统设置的阈值时，停止扫频检测环节完成；

步骤5.检测环节完成后，微控制器及其最小系统提取参照样品的数据，并与本次检测的数据进行对比；比对结果通过检测结果显示模块显示；或通过USB模块接口导出本次检测数据。

应用例1

如图1～8所示，在样品池内放置待测血液，待血液注入样品池后，关闭样品池上方的塑料软盖，为血液提供一个相对稳定的检测环境。待检测血液的最高点应与第二层绝缘体1的顶部水平。如果血液振动，则由于血液的导电性，其他7个I/O会有一个或多个I/O口的状态会由低电平变为高电平，STM32F103RBT6微控制器接收到I/O口状态变化信号，则表示此时微控制器控制AD9854型DDS芯片发出的频率为血液的谐振频率。

EEPROM存储模块中存入健康血液的起振频率、健康血液凝固时间、健康血液呈胶质状态时的频率等信息。

向样品池中注入待测血液，并打开检测系统，命令STM32F103RBT6微控制器持续读取振动检测器的上部7个金属导体301对应的I/O口状态。STM32F103RBT6微控制器通过加减变量的方式，变量也就是血液发生谐振时的激振方波频率值，控制AD9854型DDS芯片进行快速的扫频，扫频信号经过OPA847高带宽运放放大后，通过一个电阻将信号传入激励振荡电路，由于该电路是多个并行排列且电流方向相同的电路，故此电路对电流产生磁场进一步加强。

此时由于交变磁场的作用，血液会在磁场发出与其固有频率相同的交变磁场时产生谐振。当振动检测传感器接收到血液振荡信号时，STM32F103RBT6微控制器停止扫频，并将此时的变量数值写入内部flash。然后每隔2S STM32F103RBT6微控制器再次控制AD9854型DDS芯片进行扫频，同样在传感器接收到血液振动信号时，STM32F103RBT6微控制器停止扫频，并将该变量与前2S时的变量进行对比，如果两者的差值大于系统设置的阈值，表示血液还未凝固，微控制器继续进行扫频、记录数据和对比数据的操作，直到相隔2S的变量差值小于或等于系统设置的阈值时，系统停止扫频，表示检测环节完成。

阈值越大检测结果越不准确，阈值过小又会引起数据的过拟合，所以阈值很重要。检测完成后STM32F103RBT6微控制器提取EEPROM中健康血液凝固的各种数据，并与本次检测数据进行对比。

如果被检血液的血凝时间远大于标准血凝时间时，微控制器控制蓝色LED灯亮，表示检测者的体内缺少凝血因子，可能会出现血流不止的状况；如果被检血液的血凝时间等于标准时间或在标准血凝时间附近时，绿色LED灯亮，表示检测者的血凝功能正常；如果被检血液的血凝时间远小于标准血凝时间时，红色LED灯亮，表示检测者体内的凝血因子作用力过强，体内易形成血栓等。检测者还可以通过USB接口导出本次检测数据，进行人工数据分析。

Claims (8)

1.一种基于振动原理的液体检测装置，其特征在于，包括电源系统、微控制器及其最小系统、直接数字式频率合成器、运算放大器、存储模块、激励振荡电路、振动检测传感器、检测结果显示模块和USB模块；

所述微控制器与直接数字式频率合成器连接，控制直接数字式频率合成器按照一定规律产生特定频率的方波信号；

所述微控制器与振动检测传感器连接，接收振动检测传感器发出的血液振动的信号，并记录振动时的振动频率；

所述微控制器与存储模块连接，在测试完成后读取存储模块中的数据，并与测试出的数据进行对比；

所述微控制器与检测结果显示模块连接，控制检测结果显示模块以向测试者反应测试结果；

所述微控制器与USB模块连接，通过USB接口与电脑端进行数据交换；

所述运算放大器的输入与直接数字式频率合成器的方波输出相连接，对直接数字式频率合成器的方波进行放大，增大激振功率；

所述运算放大器与激励振荡电路连接，以产生增强了的交变的磁场；

所述激励振荡电路电路板上的检测区域围起与振动检测传感器形成样品池。

2.根据权利要求1所述基于振动原理的液体检测装置，其特征在于，所述激励振荡电路的电路板的正面设有至少2个平行排列在检测区域内且电流方向相同的电路；电路板在正面电路的末端设有过孔，连接背面的电路。

3.根据权利要求2所述基于振动原理的液体检测装置，其特征在于，所述检测区域的中心设有与振动检测传感器适配的过孔，所述振动检测传感器的柱状绝缘体与过孔配合。

4.根据权利要求2所述基于振动原理的液体检测装置，其特征在于，所述与振动检测传感器适配的过孔边缘区域设有焊盘，所述焊盘与背面的电路平行。

5.根据权利要求1所述基于振动原理的液体检测装置，其特征在于，所述振动检测传感器包括柱状绝缘体、在柱状绝缘体表面设置至少两个不同高度的金属导体，以及设置于柱状绝缘体上的用于与金属导体连接的管脚；不同高度的金属导体之间不相互连接；所述管脚分别与不同高度的金属导体连接。

6.根据权利要求5所述基于振动原理的液体检测装置，其特征在于，柱状绝缘体上的部分金属导体与不同高度的金属导体之间分别连接不同的电势电路。

7.根据权利要求5所述基于振动原理的液体检测装置，其特征在于，所述管脚设置于柱状绝缘体的底部；管脚与相邻金属导体之间的距离大于电路板的厚度。

8.根据权利要求5所述基于振动原理的液体检测装置，其特征在于，所述金属导体设置的高度数量为2n个，所述管脚数量至少与高度数量一致，在柱状绝缘体底部的两侧呈对称排列。

Images