紀國偉

AU5400生化儀液面探測原理分析

紀國偉①

AU5400樣本針與機架（地）之間存在一個電容效應，其容量在樣本針接觸液面的瞬間產(chǎn)生一個突變，經(jīng)過一系列的電路轉換及信號處理，最終觸發(fā)液面探測信號的形成。

AU5400；生化儀；電容；液面探測

作為樣本檢測的第一步，必須進行樣本和試劑的吸液，并且加注到反應杯，這是一個動態(tài)的過程，而在這個過程中，液面探測是一個非常重要的環(huán)節(jié)，它能保證探針迅速下降的時候，通過探測液面所在的位置來即時判斷樣品杯或試劑瓶中是否有足夠的由各項目預先設定的液量可以進行檢測，以保證吸到準確的液量而又不至探的過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，如果沒有液面探測，則會產(chǎn)生空吸，或者因各樣品管內液面和血凝塊高度不定，導致探針扎入血凝塊，而吸不到準確的血清需要量，最終造成探針堵塞。樣本針液面探測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液面探測小板MV2075，在樣品臂下端的側面也都有一塊樣本針移動控制板MV2385，這兩塊板協(xié)同完成樣本針的液面探測過程。

針對圖1的MV2075的內部原理圖作一些分解，震蕩器、探針連接及前置運放如圖2所示，左下角為樣本針，圖的上部是運放U1D及其外圍電路，由R1、C1、R3、C2構成選頻回路形成正反饋產(chǎn)生振蕩信號，它的中心頻率可由1/(2πR1*C1)計算約為8．8 KHz ，此振蕩信號經(jīng)由一個1 MΩ的電阻連接到運放U1A的正輸入端，并且繼續(xù)通過一個1kΩ的電阻連接到樣本針（懸空不接地）及一個壓敏保護器RV到橫梁接地，而運放U1A接成電壓跟隨形式，電壓增益為1，由運放的高阻抗輸入（虛斷）及低阻抗輸出特性可知U1A對運放前后級的電路起到很好的隔離作用，既能驅動較大的負載，又不使前級小信號電路受大負載的影響，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、探針連接及前置運放

當兩個金屬極板中間填充絕緣電介質時就形成了一個電容，兩個平行無限大的極板構成的電容其電容量可用C=ε*S/d來表示，其中S為極板的面積，單位為m2，d為兩極板間絕緣介質的厚度，單位為m，ε=介質的相對介電常數(shù)*8．85e-12，單位為F/m，其中常數(shù)8．85e-12為真空中的絕對介電常數(shù)，電容量的單位為法拉（F），當極板面積相對于介質厚度很大時，可以不考慮極板的邊緣效應，加有電勢的兩極板間成為一個勻強電場，其容量可由上述公式近似得出。

樣本針作為金屬導體，它與同為金屬導體的樣品杯底部下面和側面的金屬機架確實也存在著這樣一種電容效應，其填充的絕緣介質為空氣、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，計算時可以忽略），由于極板形態(tài)不規(guī)則，無法套用公式來精確計算出這個電容量，但可以用它進行非常粗略的估算。

當樣本針未接觸樣本杯中的液面時，其側面與機架形成的電容量隨著樣本針下降最接近液面時為最大，而且大大超過底部形成的電容量，因為樣本針針尖位置的面積很小，約2 mm2，針尖處與底部的機架之間空氣間隔的最短距離也有0．5 cm，而在側面，粗略的用樣本針座套的直經(jīng)約4 mm作為極板的寬度，用側面機架最高處垂直投影到樣本針的位置開始一直到針尖這樣的一段距離約5 cm作為極板的長度，而樣本針離側面機架的最短距離約為1 cm，空氣的相對介電常數(shù)為1．000585，套用公式可以算出由樣本針側面與機架側面間形成的電容量大約為0．18 PF，實際的電容量應該比這個數(shù)值會稍大些，而由底部形成的電容量約為0．004 PF，可以忽略，此兩者不是一個數(shù)量級。

當樣本針接觸到液面時，情況與上述不同，由于測試樣本相當于一個良導體，樣本的底部可以作為電容的一個極板，面積遠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。同時樣本的兩個側面與側面機架也形成了兩個電容，如果樣品杯中的樣本高度及樣品杯內徑均為1 cm，空氣間隔為0．5 cm計算，得到樣本兩個側面電容同樣均為0．17 PF，而樣本針部位的側面電容略有增加但基本保持不變，如果把這4個電容的容量加在一起，此時的電容量相較樣本針未接觸液面時的電容量瞬間突變，如果用曲線來表示此變化，則呈現(xiàn)垂直上升狀態(tài)，與樣本針下降但未接觸液面時電容量緩慢連續(xù)增大這種情況完全不同。

為簡單起見，樣本針與金屬機架間形成的電容我們用Cs來表示，它通過樣本針和一個1 kΩ的電阻與一個1 μF的電容并聯(lián)，這個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，用直導體電感量計算約為2 μH，其感抗（當f=8．8 KHz時計算約為0．1 Ω）及1 kΩ的阻尼電阻跟Cs的容抗相比實在太小，我們可以認為Cs是直接并聯(lián)在1μF電容上并與運放U1A的正輸入端相連，而且這兩個電容應該處在一個數(shù)量級上，另外，通過計算，樣本針作為一電感與Cs、1 KΩ阻尼電阻、C24構成的串聯(lián)諧振任意時刻其頻率均在1 MHz數(shù)量級以上，由Cs改變導致串聯(lián)諧振頻偏引起的對主振蕩信號(f=8．8 KHz)的陷波作用改變基本可以忽略，當樣本針剛接觸液面時，Cs的容量突然增大時，其容抗將急劇減小，直接導致運放U1A正輸入端的振蕩信號波幅有一個突然的減小。而運放U1A輸出端的波幅也將突然減小。

帶通濾波器如圖3所示，運放U1A輸出的振蕩信號進入由運放U1B和運放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截止頻率為6．0 KHz的高通濾波器，兩者級聯(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調制的振蕩信號通過，輸出到下一級。

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進入由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調制的正向直流電壓，加到運放U2B的正輸入端，當樣本針轉到樣品杯位置準備下探時，樣本臂控制板MV2385發(fā)出一個HOLD信號，經(jīng)過光耦U4（圖4中未畫出）耦合到U6A的1腳，在1腳上表現(xiàn)為一個先低后高的信號，當1腳為低電平時，U6A的2腳與3腳接通，C19上的電壓對C23充電直至兩電容上的電壓相等，由于運放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，對稱差分放大器U2B的兩輸入腳的電壓偏差會被完全抵消，7腳輸出電壓會回復到0 V，當U6A的1腳升為高電平時，U6A的2腳和3腳斷開，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輸入端加上了一個靜態(tài)偏置，樣本針下降時，反映在C19上的電壓變化就可以通過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），這個濾波器的截止頻率圖示為890 Hz，放大倍數(shù)=-R24/ R22=-1信號經(jīng)過時被倒相。

圖5 低通濾波及倒相

圖6 經(jīng)轉化并最終形成液面探測信號

經(jīng)轉化并最終形成液面探測信號（如圖6所示），當HOLD信號到來時，U2B的7腳為0 V，測試點TP4也變成0 V，此時D4和D6截止，運放U3B的6腳被強制拉到0 V，而15 V電壓經(jīng)過R27、R28、D5、R29、R30分壓網(wǎng)絡向電容C20充電，其上電壓由分壓原理計算約為0．37 V，根據(jù)運放運算，U3B輸出端的電壓Vo=(1+V32/V31)*0．37≈15．54 V，實際上，U3B已退出放大，進入飽和區(qū)，實際輸出電壓為電源電壓＋15 V，這樣，發(fā)光二極管DS1不會發(fā)光，光耦U5的3、4兩腳斷開，無液面探測信號輸出。而隨著樣本針下探，受Cs調制的振蕩信號波幅減小，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，達到0．7 V，D6導通，達到1．13 V，D4導通，TP5與C20上的電壓也會慢慢增加，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，導致TP4電壓突然上升，由于C20相對較大的電容量而引起的電壓遲滯或延遲效應，TP5上的電壓會突然超越C20及U3B的5腳上的電壓，并使U3B的7腳電壓極性瞬間反轉，并進一步拉低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DS1發(fā)光，U5的3、4腳接通，輸出“液面探測到”信號到控制板MV2385，并由MV2385判斷后控制樣本針再下探到根據(jù)項目所設定的吸液量轉化成的下降深度后停止，開始吸液。當樣本針脫離液面時，整個過程相反，AU5400樣本針液面探測的最小檢出量只有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原理與分析單元軌道吸樣處是一樣的，也是通過樣本針接觸液面時，樣本針與機架間電容量的突然增加來達到液面探測的目的。

至于試劑針液面探測，與樣本針的液面探測并沒有太大的區(qū)別，振蕩頻率也相同，只是試劑針本身并不自帶振蕩器，檢測線路也略有不同。要說明的是：在每個分析單元中，有10個位置與試劑針液面探測有關，它們分別是2個試劑吸液口倉位的側壁，4個清洗瓶倉側壁及4個沖冼站位置，所有這些位置均安裝有1片金屬極板，由振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號同時加到這些極板上，當各個試劑針移動到這些位置后下探并接觸液面時，這些極板與各個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突然增大，通過濾波放大，最終將振蕩信號波幅的突然改變轉化成運放輸出端電壓極性的改變，從而完成液面探測。

[1]史慶偉，周濤，鄭義忠，等．納米級電容測微系統(tǒng)的研究[J]．現(xiàn)代儀器，2005(3)：48-50．

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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

紀國偉,男,(1966- ),工程師?，F(xiàn)就職于浙江省麗水市人民醫(yī)院醫(yī)學工程部，長期從事醫(yī)療設備維修及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)的大型全自動生化分析儀，可由2個或3個分析單元及1個ISE單元組成樣本測試系統(tǒng)，具有高效，快速，微量，高精度，低攜帶污染等特點，且運行穩(wěn)定，故障診斷全面，非常適合大型綜合性醫(yī)院進行臨床生化檢驗工作。

檢測樣本時，該機最小進樣量為1．6 ul，可按0．1 ul遞增設置各項目的進樣量，而每個分析單元的測試速度理論上可以達到1600 test/h（ISE單元的測試速度為900 test/h），這么快的速度對生化儀的機械、液路及控制電路等均構成嚴酷的挑戰(zhàn)。