紀(jì)國(guó)偉

AU5400生化儀液面探測(cè)原理分析

紀(jì)國(guó)偉①

AU5400樣本針與機(jī)架（地）之間存在一個(gè)電容效應(yīng)，其容量在樣本針接觸液面的瞬間產(chǎn)生一個(gè)突變，經(jīng)過(guò)一系列的電路轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理，最終觸發(fā)液面探測(cè)信號(hào)的形成。

AU5400；生化儀；電容；液面探測(cè)

作為樣本檢測(cè)的第一步，必須進(jìn)行樣本和試劑的吸液，并且加注到反應(yīng)杯，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，而在這個(gè)過(guò)程中，液面探測(cè)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，它能保證探針迅速下降的時(shí)候，通過(guò)探測(cè)液面所在的位置來(lái)即時(shí)判斷樣品杯或試劑瓶中是否有足夠的由各項(xiàng)目預(yù)先設(shè)定的液量可以進(jìn)行檢測(cè)，以保證吸到準(zhǔn)確的液量而又不至探的過(guò)深得以最大限度減少探針攜帶污染，特別是在使用原始管時(shí)，如果沒(méi)有液面探測(cè)，則會(huì)產(chǎn)生空吸，或者因各樣品管內(nèi)液面和血凝塊高度不定，導(dǎo)致探針扎入血凝塊，而吸不到準(zhǔn)確的血清需要量，最終造成探針堵塞。樣本針液面探測(cè)工作原理中電氣連接框（如圖1所示），在AU5400生化儀的各樣本臂的橫梁上均有一個(gè)液面探測(cè)小板MV2075，在樣品臂下端的側(cè)面也都有一塊樣本針移動(dòng)控制板MV2385，這兩塊板協(xié)同完成樣本針的液面探測(cè)過(guò)程。

針對(duì)圖1的MV2075的內(nèi)部原理圖作一些分解，震蕩器、探針連接及前置運(yùn)放如圖2所示，左下角為樣本針，圖的上部是運(yùn)放U1D及其外圍電路，由R1、C1、R3、C2構(gòu)成選頻回路形成正反饋產(chǎn)生振蕩信號(hào)，它的中心頻率可由1/(2πR1*C1)計(jì)算約為8．8 KHz ，此振蕩信號(hào)經(jīng)由一個(gè)1 MΩ的電阻連接到運(yùn)放U1A的正輸入端，并且繼續(xù)通過(guò)一個(gè)1kΩ的電阻連接到樣本針（懸空不接地）及一個(gè)壓敏保護(hù)器RV到橫梁接地，而運(yùn)放U1A接成電壓跟隨形式，電壓增益為1，由運(yùn)放的高阻抗輸入（虛斷）及低阻抗輸出特性可知U1A對(duì)運(yùn)放前后級(jí)的電路起到很好的隔離作用，既能驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載，又不使前級(jí)小信號(hào)電路受大負(fù)載的影響，另外，大電阻R6也起到振蕩器與樣本針的隔離作用，以保證振蕩器振蕩頻率精確穩(wěn)定。

圖1 電氣連接框圖

圖2 震蕩器、探針連接及前置運(yùn)放

當(dāng)兩個(gè)金屬極板中間填充絕緣電介質(zhì)時(shí)就形成了一個(gè)電容，兩個(gè)平行無(wú)限大的極板構(gòu)成的電容其電容量可用C=ε*S/d來(lái)表示，其中S為極板的面積，單位為m2，d為兩極板間絕緣介質(zhì)的厚度，單位為m，ε=介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)*8．85e-12，單位為F/m，其中常數(shù)8．85e-12為真空中的絕對(duì)介電常數(shù)，電容量的單位為法拉（F），當(dāng)極板面積相對(duì)于介質(zhì)厚度很大時(shí)，可以不考慮極板的邊緣效應(yīng)，加有電勢(shì)的兩極板間成為一個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)，其容量可由上述公式近似得出。

樣本針作為金屬導(dǎo)體，它與同為金屬導(dǎo)體的樣品杯底部下面和側(cè)面的金屬機(jī)架確實(shí)也存在著這樣一種電容效應(yīng)，其填充的絕緣介質(zhì)為空氣、樣品杯杯壁和傳送帶（杯壁和傳送帶厚度很薄，介電常數(shù)也比空氣大，計(jì)算時(shí)可以忽略），由于極板形態(tài)不規(guī)則，無(wú)法套用公式來(lái)精確計(jì)算出這個(gè)電容量，但可以用它進(jìn)行非常粗略的估算。

當(dāng)樣本針未接觸樣本杯中的液面時(shí)，其側(cè)面與機(jī)架形成的電容量隨著樣本針下降最接近液面時(shí)為最大，而且大大超過(guò)底部形成的電容量，因?yàn)闃颖踞樶樇馕恢玫拿娣e很小，約2 mm2，針尖處與底部的機(jī)架之間空氣間隔的最短距離也有0．5 cm，而在側(cè)面，粗略的用樣本針座套的直經(jīng)約4 mm作為極板的寬度，用側(cè)面機(jī)架最高處垂直投影到樣本針的位置開(kāi)始一直到針尖這樣的一段距離約5 cm作為極板的長(zhǎng)度，而樣本針離側(cè)面機(jī)架的最短距離約為1 cm，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1．000585，套用公式可以算出由樣本針側(cè)面與機(jī)架側(cè)面間形成的電容量大約為0．18 PF，實(shí)際的電容量應(yīng)該比這個(gè)數(shù)值會(huì)稍大些，而由底部形成的電容量約為0．004 PF，可以忽略，此兩者不是一個(gè)數(shù)量級(jí)。

當(dāng)樣本針接觸到液面時(shí)，情況與上述不同，由于測(cè)試樣本相當(dāng)于一個(gè)良導(dǎo)體，樣本的底部可以作為電容的一個(gè)極板，面積遠(yuǎn)大于樣本針針尖的面積，如果樣本的底部面積為1 cm2，底部空氣間隔仍為0．5 cm，算出的底部電容量大致為0．18 PF。同時(shí)樣本的兩個(gè)側(cè)面與側(cè)面機(jī)架也形成了兩個(gè)電容，如果樣品杯中的樣本高度及樣品杯內(nèi)徑均為1 cm，空氣間隔為0．5 cm計(jì)算，得到樣本兩個(gè)側(cè)面電容同樣均為0．17 PF，而樣本針部位的側(cè)面電容略有增加但基本保持不變，如果把這4個(gè)電容的容量加在一起，此時(shí)的電容量相較樣本針未接觸液面時(shí)的電容量瞬間突變，如果用曲線來(lái)表示此變化，則呈現(xiàn)垂直上升狀態(tài)，與樣本針下降但未接觸液面時(shí)電容量緩慢連續(xù)增大這種情況完全不同。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，樣本針與金屬機(jī)架間形成的電容我們用Cs來(lái)表示，它通過(guò)樣本針和一個(gè)1 kΩ的電阻與一個(gè)1 μF的電容并聯(lián)，這個(gè)1 μF的電容在頻率為8.8 KHz條件下表現(xiàn)的容抗=1/(2πfC)≈18 MΩ，由于樣本針的電感量較小，用直導(dǎo)體電感量計(jì)算約為2 μH，其感抗（當(dāng)f=8．8 KHz時(shí)計(jì)算約為0．1 Ω）及1 kΩ的阻尼電阻跟Cs的容抗相比實(shí)在太小，我們可以認(rèn)為Cs是直接并聯(lián)在1μF電容上并與運(yùn)放U1A的正輸入端相連，而且這兩個(gè)電容應(yīng)該處在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，另外，通過(guò)計(jì)算，樣本針作為一電感與Cs、1 KΩ阻尼電阻、C24構(gòu)成的串聯(lián)諧振任意時(shí)刻其頻率均在1 MHz數(shù)量級(jí)以上，由Cs改變導(dǎo)致串聯(lián)諧振頻偏引起的對(duì)主振蕩信號(hào)(f=8．8 KHz)的陷波作用改變基本可以忽略，當(dāng)樣本針剛接觸液面時(shí)，Cs的容量突然增大時(shí)，其容抗將急劇減小，直接導(dǎo)致運(yùn)放U1A正輸入端的振蕩信號(hào)波幅有一個(gè)突然的減小。而運(yùn)放U1A輸出端的波幅也將突然減小。

帶通濾波器如圖3所示，運(yùn)放U1A輸出的振蕩信號(hào)進(jìn)入由運(yùn)放U1B和運(yùn)放U1C及各自的外圍電路組成的帶通濾波器，其中U1B及外圍電路組成一個(gè)截止頻率為11．6 KHz 的低通濾波器，而U1C及外圍電路組成一個(gè)截止頻率為6．0 KHz的高通濾波器，兩者級(jí)聯(lián)組成的帶通濾波器將濾除6．0～11．6 KHz以外的頻率成份，只允許8．8±2．8 KHz的振幅經(jīng)Cs調(diào)制的振蕩信號(hào)通過(guò)，輸出到下一級(jí)。

圖3 帶通濾波器

圖4 整流濾波及差分放大

整流濾波及差分放大（如圖4所示），由帶通濾波器輸出的振蕩信號(hào)進(jìn)入由D3、R12、R13、C19組成的整流濾波電路，在C19上產(chǎn)生一電壓大小受Cs調(diào)制的正向直流電壓，加到運(yùn)放U2B的正輸入端，當(dāng)樣本針轉(zhuǎn)到樣品杯位置準(zhǔn)備下探時(shí)，樣本臂控制板MV2385發(fā)出一個(gè)HOLD信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦U4（圖4中未畫(huà)出）耦合到U6A的1腳，在1腳上表現(xiàn)為一個(gè)先低后高的信號(hào)，當(dāng)1腳為低電平時(shí)，U6A的2腳與3腳接通，C19上的電壓對(duì)C23充電直至兩電容上的電壓相等，由于運(yùn)放U2A輸入阻抗極高，又接成電壓跟隨形式，其1腳輸出的電壓將跟隨C23和C19上的電壓并保持完全一致，對(duì)稱差分放大器U2B的兩輸入腳的電壓偏差會(huì)被完全抵消，7腳輸出電壓會(huì)回復(fù)到0 V，當(dāng)U6A的1腳升為高電平時(shí)，U6A的2腳和3腳斷開(kāi)，C23上的電壓將得以保持，并不隨C19上的電壓變化而變化，等于給差分放大器U2B輸入端加上了一個(gè)靜態(tài)偏置，樣本針下降時(shí)，反映在C19上的電壓變化就可以通過(guò)U2B放大并輸出到由U3A及外圍電路組成的低通濾波器，低通濾波及倒相（如圖5所示），這個(gè)濾波器的截止頻率圖示為890 Hz，放大倍數(shù)=-R24/ R22=-1信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)被倒相。

圖5 低通濾波及倒相

圖6 經(jīng)轉(zhuǎn)化并最終形成液面探測(cè)信號(hào)

經(jīng)轉(zhuǎn)化并最終形成液面探測(cè)信號(hào)（如圖6所示），當(dāng)HOLD信號(hào)到來(lái)時(shí)，U2B的7腳為0 V，測(cè)試點(diǎn)TP4也變成0 V，此時(shí)D4和D6截止，運(yùn)放U3B的6腳被強(qiáng)制拉到0 V，而15 V電壓經(jīng)過(guò)R27、R28、D5、R29、R30分壓網(wǎng)絡(luò)向電容C20充電，其上電壓由分壓原理計(jì)算約為0．37 V，根據(jù)運(yùn)放運(yùn)算，U3B輸出端的電壓Vo=(1+V32/V31)*0．37≈15．54 V，實(shí)際上，U3B已退出放大，進(jìn)入飽和區(qū)，實(shí)際輸出電壓為電源電壓＋15 V，這樣，發(fā)光二極管DS1不會(huì)發(fā)光，光耦U5的3、4兩腳斷開(kāi)，無(wú)液面探測(cè)信號(hào)輸出。而隨著樣本針下探，受Cs調(diào)制的振蕩信號(hào)波幅減小，如圖4中C19的電壓緩慢下降，U2B的7腳電壓下降，圖6中TP4的電壓緩慢上升，達(dá)到0．7 V，D6導(dǎo)通，達(dá)到1．13 V，D4導(dǎo)通，TP5與C20上的電壓也會(huì)慢慢增加，由于R25/R26＞R29/R30，C20上的電壓比TP5上的電壓上升快，U3B的7腳始終輸出＋15 V，直到樣本針接觸液面，電容量突然變大，導(dǎo)致TP4電壓突然上升，由于C20相對(duì)較大的電容量而引起的電壓遲滯或延遲效應(yīng)，TP5上的電壓會(huì)突然超越C20及U3B的5腳上的電壓，并使U3B的7腳電壓極性瞬間反轉(zhuǎn)，并進(jìn)一步拉低U3B的5腳電壓上升速率，U3B的7腳電壓繼續(xù)快速下降，最終使U3B的7腳電壓維持在-15 V，這時(shí)DS1發(fā)光，U5的3、4腳接通，輸出“液面探測(cè)到”信號(hào)到控制板MV2385，并由MV2385判斷后控制樣本針再下探到根據(jù)項(xiàng)目所設(shè)定的吸液量轉(zhuǎn)化成的下降深度后停止，開(kāi)始吸液。當(dāng)樣本針脫離液面時(shí)，整個(gè)過(guò)程相反，AU5400樣本針液面探測(cè)的最小檢出量只有30 ul。另外，在樣本針沖洗站、樣本針清洗液瓶處及ISE單元樣本針的液面探測(cè)原理與分析單元軌道吸樣處是一樣的，也是通過(guò)樣本針接觸液面時(shí)，樣本針與機(jī)架間電容量的突然增加來(lái)達(dá)到液面探測(cè)的目的。

至于試劑針液面探測(cè)，與樣本針的液面探測(cè)并沒(méi)有太大的區(qū)別，振蕩頻率也相同，只是試劑針本身并不自帶振蕩器，檢測(cè)線路也略有不同。要說(shuō)明的是：在每個(gè)分析單元中，有10個(gè)位置與試劑針液面探測(cè)有關(guān)，它們分別是2個(gè)試劑吸液口倉(cāng)位的側(cè)壁，4個(gè)清洗瓶倉(cāng)側(cè)壁及4個(gè)沖冼站位置，所有這些位置均安裝有1片金屬極板，由振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)同時(shí)加到這些極板上，當(dāng)各個(gè)試劑針移動(dòng)到這些位置后下探并接觸液面時(shí)，這些極板與各個(gè)試劑針之間形成的電容的容量將突然增加，耦合到各試劑針的振蕩信號(hào)突然增大，通過(guò)濾波放大，最終將振蕩信號(hào)波幅的突然改變轉(zhuǎn)化成運(yùn)放輸出端電壓極性的改變，從而完成液面探測(cè)。

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Analysis on principle of liquid level detection for AU5400 biochemical analyzer

JI Guo-wei

There is a capacitance effects between AU5400 sample needle and frame (ground). Its capacity mutates at the moment that the sample needle contacting surface of liquid, after a series of circuit switching and signal processing, it is triggered eventually to formthe liquid level detection signal.

AU5400; Biochemical analyzer; Capacitance; Liquid level detection

1672-8270(2010)07-0052-04

TH 776

B

紀(jì)國(guó)偉,男,(1966- ),工程師。現(xiàn)就職于浙江省麗水市人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程部，長(zhǎng)期從事醫(yī)療設(shè)備維修及LIS管理。

2010-03-17

①浙江省麗水市人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程部 浙江 麗水 323000

China Medical Equipment,2010,7(7):52-55.

[First-author's address]Department of Medical Engineering, Lishui People’s Hospital, Lishui 323000, China.

AU5400生化儀是Olympus公司生產(chǎn)的大型全自動(dòng)生化分析儀，可由2個(gè)或3個(gè)分析單元及1個(gè)ISE單元組成樣本測(cè)試系統(tǒng)，具有高效，快速，微量，高精度，低攜帶污染等特點(diǎn)，且運(yùn)行穩(wěn)定，故障診斷全面，非常適合大型綜合性醫(yī)院進(jìn)行臨床生化檢驗(yàn)工作。

檢測(cè)樣本時(shí)，該機(jī)最小進(jìn)樣量為1．6 ul，可按0．1 ul遞增設(shè)置各項(xiàng)目的進(jìn)樣量，而每個(gè)分析單元的測(cè)試速度理論上可以達(dá)到1600 test/h（ISE單元的測(cè)試速度為900 test/h），這么快的速度對(duì)生化儀的機(jī)械、液路及控制電路等均構(gòu)成嚴(yán)酷的挑戰(zhàn)。