液面检测装置及其方法、样本分析仪与流程

1.本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种液面检测装置及其方法、样本分析仪。


背景技术：

2.医疗器械领域中利用采样针对样本等液体进行吸取和释放是较为常见的应用场景。在吸取或释放液体时采样针往往需要接触液面，为了控制采样针进行液体吸取或释放操作，以及保证上述操作的精确度，液面检测十分必要。
3.现有技术中的液面检测方式主要包括：
4.1、搭建惠斯通电桥检测采样针是否接触液面，基于采样针接触液面前后会产生变化较快的电信号，由于变化较快的电信号不易检测，因此容易导致误检风险。
5.2、采用振荡电路检测采样针是否接触液面，容易出现不起振，以及存在较大的电磁辐射问题。
6.针对检测采样针接触液面的需求，有必要提供一种保证检测灵敏度，以及可以降低电磁辐射干扰的技术方案。


技术实现要素：

7.本发明针对以上问题的提出，而提供一种能够保证检测灵敏度，以及可以降低电磁辐射干扰的液面检测装置和液面检测方法，同时还提供了一种具备该种液面检测装置的样本分析仪。
8.本发明采用的一个技术手段是：提供一种液面检测装置，包括：
9.脉冲信号提供部，用于产生脉冲信号；
10.阻抗元件，用于提供阻抗，并与采样针连接；所述阻抗元件与所述采样针的电容共同构成rc部；所述rc部接收所述脉冲信号，并进行rc延时处理后获得第一输出信号；
11.窗口比较部，与所述rc部相连接，用于将所述第一输出信号分别与第一阈值和第二阈值进行比较得到第一比较结果和第二比较结果，并将所述第一比较结果和所述第二比较结果进行逻辑与运算得到的结果作为第二输出信号；所述第一比较结果是指所述第一输出信号与所述第一阈值进行比较得到的结果；所述第二比较结果是指所述第一输出信号与所述第二阈值进行比较得到的结果；和
12.主控部，与所述窗口比较部相连接，用于基于接收的所述第二输出信号确定所述采样针是否接触液面。
13.本发明采用的另一个技术手段是：提供一种液面检测方法，包括：
14.提供脉冲信号；
15.通过阻抗元件和采样针的电容对所述脉冲信号进行rc延时处理后获得第一输出信号；
16.将所述第一输出信号分别与第一阈值和第二阈值进行比较得到第一比较结果和
第二比较结果，并将所述第一比较结果和所述第二比较结果进行逻辑与运算得到的结果作为第二输出信号；
17.基于接收的所述第二输出信号确定所述采样针是否接触液面。
18.本发明采用的另一个技术手段是：提供一种样本分析仪，包括：采样针和所述的液面检测装置。
19.由于采用了上述技术方案，本发明提供的液面检测装置及其方法、样本分析仪，所述液面检测装置配置阻抗元件并利用采样针的电容形成rc电路，通过窗口比较部将经过rc电路的脉冲信号与第一阈值和第二阈值分别比较，进而基于比较结果确定采样针是否接触液面。本发明利用采样针的电容，并将经过rc电路的脉冲信号作为检测信号，更容易获知采样针接触液面前后的变化情况，误检风险较低。通过窗口比较电路的输出信号能够明显区分采样针接触液面前后的信号变化，同时不存在电路不起振，以及电磁辐射大的问题。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.其中：
22.图1是一个实施例中液面检测装置的结构框图；
23.图2是一个实施例中液面检测装置的结构框图；
24.图3是一个实施例中液面检测装置的电路原理图；
25.图4是一个实施例中液面检测装置的电路原理图；
26.图5是一个实施例中液面检测装置的结构框图；
27.图6是一个实施例中液面检测装置的结构框图；
28.图7是一个实施例中液面检测装置的电路原理图；
29.图8是一个实施例中液面检测装置的电路原理图；
30.图9是一个实施例中液面检测装置的电路原理图；
31.图10是一个实施例中采样针接触液面前后的波形变化图；
32.图11是一个实施例中采样针的结构示意图；
33.图12是一个实施例中液面检测方法的流程图。
34.图中：1、脉冲信号提供部，2、rc部，3、窗口比较部，4、主控部，5、光电转换部，6、校准控制部，7、参考电源，21、阻抗元件，22、采样针，221、内针管，222、外针管。
具体实施方式
35.为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.本发明提供了一种液面检测装置，如图1所示，在一个实施例中，液面检测装置可
以包括脉冲信号提供部1、阻抗元件21、窗口比较部3和主控部4。脉冲信号提供部1用于产生脉冲信号。阻抗元件21用于提供阻抗，并与采样针22连接。阻抗元件21与采样针22的电容共同构成rc部2。rc部2接收脉冲信号，并进行rc延时处理后获得第一输出信号。窗口比较部3与rc部2相连接，用于将第一输出信号分别与第一阈值和第二阈值进行比较得到第一比较结果和第二比较结果，并将第一比较结果和第二比较结果进行逻辑与运算得到的结果作为第二输出信号。第一比较结果是指第一输出信号与第一阈值进行比较得到的结果。第二比较结果是指第一输出信号与第二阈值进行比较得到的结果。主控部4与窗口比较部3相连接，用于基于接收的第二输出信号确定采样针22是否接触液面。
37.参考图11所示，实际应用的采样针22一般具有内针管221和外针管222两层，并在两层之间填充绝缘介质，进而构成了电容。本实施例利用采样针22的等效电容特性，由于采样针22在接触液面前的介质和接触液面后的介质发生变化，进而采样针22的等效电容不同，通过检测采样针22发生的电容变化，可以获知采样针22目前所处位置是在接触液面前还是接触液面后。参考图3和图4中的采样针22的虚线框表示采样针22可以等同的等效电路。在采样针22未接触液面前，相当于开关s1断开，此时，采样针22的等效电容为c2。当采样针22接触液面时，由于液体介电常数大于空气，此时采样针22的等效电容增大，相当于开关s1闭合，电容c1接入，此时，采样针22的等效电容为c1 c2。rc部2对接收的脉冲信号进行rc延时处理，时间常数τ＝r1ceq，其中，r1表示阻抗元件21的电阻，ceq为采样针22当前的等效电容，具体地，采样针22接触液面前为c2，采样针22接触液面后为c1 c2。因此，采样针22接触液面前后的时间常数τ不同，故输入至窗口比较部3的第一输出信号也不同。等效电容c1相当于采样针22的固有属性，同一个厂家生产的同一型号的采样针22通常c1值接近。等效电容c2与采样针22接触的液体的种类有关，液体介电常数越大，等效电容c2越大。
38.脉冲信号提供部1可以为能够产生脉冲信号的控制芯片，脉冲信号的频率可以根据采样针22的运动速度进行配置，示例性地，1hz至1khz之间均可以。图10示出了采样针22接触液面前后的波形变化图，参考图10所示，脉冲信号经过rc部2后，脉冲信号的边沿会变缓，并且rc部2的时间常数τ越大，则经过rc延时处理后得到的边沿越缓，原本相对变化迅速的脉冲信号变为缓慢上升或缓慢下降的第一输出信号。进一步地，第一输出信号经过窗口比较部3后成为具有特定脉冲宽度的第二输出信号。采样针22接触到液面前，采样针22的等效电容小，rc部2的时间常数τ也小，第一输出信号的边沿变化快，经过窗口比较部3后的第二输出信号的脉冲宽度窄。采样针22接触到液面后，采样针22的等效电容变大，rc部2的时间常数τ也变大，此时窗口比较器输出的第二输出信号为脉冲宽度较宽的信号。
39.本发明通过脉冲信号提供部1提供脉冲信号，由于脉冲信号具有一个上升沿和一个下降沿，因此窗口比较部3将会针对输入的第一输出信号进行2次比较，这样使得窗口比较部3输出的第二输出信号是脉冲信号频率的2倍。在脉冲信号输入频率不变的情况下，相当于检测速度提升了一倍。或者说，在检测速度不变的情况下，所需的脉冲信号频率可以降低一倍，从而有利于降低脉冲信号提供部1的功耗。
40.窗口比较部3输出的第二输出信号为第一比较结果和第二比较结果进行逻辑与之后的结果，因此，只要第一比较结果和第二比较结果中的任一个为低电平，则第二输出结果均为低电平，只有第一比较结果和第二比较结果均为高电平，则第二输出结果才为高电平。其中，第一比较结果为高电平，意味着第二输出结果高于第一阈值，第二比较结果为高电
平，意味着第二输出结果低于第二阈值。
41.本实施例液面检测装置配置阻抗元件21并利用采样针22的电容形成rc电路，通过窗口比较部3将经过rc电路的脉冲信号与第一阈值和第二阈值分别比较，进而基于比较结果确定采样针22是否接触液面。本发明利用采样针22的电容，并将经过rc电路的脉冲信号作为检测信号，更容易获知采样针22接触液面前后的变化情况，误检风险较低。通过窗口比较电路的输出信号能够明显区分采样针22接触液面前后的信号变化，同时不存在电路不起振，以及电磁辐射大的问题。
42.在一个实施例中，在第一输出信号高于第一阈值且低于第二阈值的情况下，主控部4基于接收的第二输出信号确定采样针22接触液面。在第一输出信号不高于第一阈值或者不低于第二阈值的情况下，主控部4基于接收的第二输出信号确定采样针22未接触液面，进而获知采样针22是否接触液面。
43.在一个实施例中，如图2所示，液面检测装置还可以包括光电转换部5。该光电转换部5置于窗口比较部3和主控部4之间，用于将第二输出信号进行电光转换和光电转换后传输给主控部4。进一步地，在一个实施例中，如图4所示，光电转换部5可以包括光电耦合器u3和第二上拉电路。光电耦合器u3具有光发射二极管和光敏三极管。光发射二极管阳极接收第二输出信号，阴极接地。光敏三极管集电极连接第二上拉电路，光敏三极管发射极接地。进一步地，第二上拉电路可以包括第二上拉电阻r7，第二上拉电阻r7一端连接光敏三极管集电极，另一端连接供电部。
44.光电耦合器u3可以分为模拟光耦和数字光耦两种。模拟光耦可以输出连续的模拟信号，数字光耦输出端输出高低电平的数字信号。为了节省电路成本，光电耦合器u3可以选用数字光耦。在采样针22接触液面前，窗口比较部3输出的第二输出信号的脉冲宽度较窄，此时，光电耦合器u3的光发射二极管不发光，光敏三极管截止，主控部4检测到光电转换部5输出高电平；一旦采样针22接触到液面后，窗口比较部3输出的第二输出信号的脉冲宽度变宽，光发射二极管发光，光敏三极管导通，主控部4检测到光电转换部5输出低电平。配置了光电转换部5的本实施例无需通过检测第二输出信号的脉冲宽度变化，来确定采样针22是否接触液面，而可以直接通过检测光电转换部5输出的信号的电平状态对采样针22是否接触液面进行确定，检测更加便捷。
45.在一个实施例中，如图3和图4所示，阻抗元件21可以采用第一电阻r1。图9示出了一种采样针22的结构示意图，参考图9所示，采样针22可以具有内针管221和套设在内针管221上的外针管222。内针管221与第一电阻r1一端相连接，第一电阻r1另一端接收脉冲信号。外针管222接地。第一电阻r1和采样针22的连接点用于输出第一输出信号。
46.在一个实施例中，如图3和图4所示，窗口比较部3可以包括第一比较器u1b、第二比较器u1a、第一阈值提供电路、第二阈值提供电路和第一上拉电路。第一比较器u1b的反相输入端与第一阈值提供电路相连接。第一比较器u1b的同相输入端接收第一输出信号。第二比较器u1a的同相输入端与第二阈值提供电路相连接。第二比较器u1a的反相输入端接收第一输出信号。第一比较器u1b的输出端和第二比较器u1a的输出端均与第一上拉电路相连接。进一步地，第一比较器u1b和第二比较器u1a可以采用型号为lm393的比较器。
47.在一个实施例中，装置还可以包括供电部，用于向装置提供工作电源，示例性地，参考图3和图4所示，图3和图4中的vcc表示供电部，vcc可以输出5v直流电。如图3和图4所
示，示例性地，第一阈值提供电路可以包括：相互串联接在供电部和地之间的第一阈值电阻r6和第二阈值电阻r5。第一阈值电阻r6和第二阈值电阻r5的串接点与第一比较器u1b的反相输入端相连接。第二阈值提供电路可以包括：相互串联接在供电部和地之间的第三阈值电阻r4和第四阈值电阻r3。第三阈值电阻r4和第四阈值电阻r3的串接点与第二比较器u1a的同相输入端相连接。第一上拉电路可以包括：相互串联接在供电部和地之间的第一上拉电阻r2和接地电容c3。第一上拉电阻r2和接地电容c3之间的串接点与第一比较器u1b的输出端和第二比较器u1a的输出端相连接。
48.在一个实施例中，当装置处于校准状态时，第一阈值提供电路通过改变第一阈值和第二阈值提供电路通过改变第二阈值以实现校准。采样针22的电容会随外部环境变化而存在一定程度的偏移，例如，温度变化、残留液滴等均可能导致采样针22的电容在经过一段时间或使用后与初始电容不同，从而影响装置的液面检测结果，因此需要自校准。
49.在一个实施例中，如图5和图7所示，示例性地，第一阈值提供电路可以包括：相互串联接在供电部和地之间的第一阈值电阻r6和第二阈值电阻r5。第一阈值电阻r6和第二阈值电阻r5的串接点与第一比较器u1b的反相输入端相连接。第二阈值电阻r5为可调电阻。第二阈值提供电路可以包括：相互串联接在供电部和地之间的第三阈值电阻r4和第四阈值电阻r3。第三阈值电阻r4和第四阈值电阻r3的串接点与第二比较器u1a的同相输入端相连接。第四阈值电阻r3为可调电阻。装置还可以包括与第二阈值电阻r5和第四阈值电阻r3相连接的校准控制部6。校准控制部6用于调整第二阈值电阻r5的电阻值和第四阈值电阻r3的电阻值。进一步地，第二阈值电阻r5和第四阈值电阻r3可以选用数字电位器。例如，在采样针22所处位置不可能在液面以下，而此时装置获得了采样针22接触液面的检测结果，则校准控制部6控制第二阈值电阻r5和第四阈值电阻r3的阻值大小，进而改变第一阈值和第二阈值，直至装置输出的液面检测结果恢复正常。
50.在一个实施例中，如图6和图8所示，示例性地，第一阈值提供电路可以包括：第一数模转换器。第一数模转换器的模拟输出端与第一比较器u1b的反相输入端相连接。第二阈值提供电路可以包括：第二数模转换器。第二数模转换器的模拟输出端与第二比较器u1a的同相输入端相连接。装置还可以包括校准控制部6和参考电源7。校准控制部6与第一数模转换器的数字输入端和第二数模转换器的数字输入端相连接，用于调整输入至第一数模转换器的数字输入端的数字信号，以及输入至第二数模转换器的数字输入端的数字信号。参考电源7与第一数模转换器的模拟输入端和第二数模转换器的模拟输入端相连接。
51.如图8所示，第一数模转换器和第二数模转换器的d0～d7表示数字输入端、output表示模拟输出端、vref 和vref-表示模拟输入端。第一数模转换器和第二数模转换器的输入输出关系为voutput＝vref*vin/255。其中，voutput表示模拟输出端的输出电压、vref表示模拟输入端vref 与vref-之间的电压差、vin表示数字输入端输入的数字信号。可见，校准控制部6通过控制第一数模转换器和第二数模转换器的数字输入端的数字信号，便可改变第一数模转换器和第二数模转换器的模拟输出端的输出电压，从而改变第一阈值和第二阈值。本实施例提供的装置自校准方式调整范围较大、校准精度高。
52.在一个实施例中，如图5和图9所示，第一阈值提供电路可以包括：第一pwm电路和第一整流电路。第一pwm电路输出的pwm信号经过第一整流电路整流后传输至第一比较器u1b的反相输入端和校准控制部6。第二阈值提供电路可以包括：第二pwm电路和第二整流电
路。第二pwm电路输出的pwm信号经过第二整流电路整流后传输至第二比较器u1a的同相输入端和校准控制部6。装置还可以包括校准控制部6。校准控制部6控制第一pwm电路输出的pwm信号，以及控制第二pwm电路输出的pwm信号。具体地，在采样针22所处位置不可能在液面以下，而此时装置获得了采样针22接触液面的检测结果，则校准控制部6控制第一pwm电路输出的pwm信号和第二pwm电路输出的pwm信号，进而改变第一阈值和第二阈值，直至装置输出的液面检测结果恢复正常。第一阈值和第二阈值可以经过模数转换后进行存储在校准控制部6中。
53.参考图9所示，示例性地，二极管d1a、电容c5a和电阻r4a构成了第一整流电路，第二整流电路与第一整流电路可以采用相同的电路结构，包括二极管d1b、电容c5b和电阻r4b。第一pwm电路和第二pwm电路可以均采用控制器，由控制器提供pwm信号，pwm信号经过整流会形成具有极小波动的电压，pwm信号的占空比越大、频率越高，则整流后的电压越高，通过控制第一pwm电路输出的pwm信号和第二pwm电路输出的pwm信号便可以对第一阈值和第二阈值进行控制。本实施例实现自校准的电路简单、成本较低。
54.本发明还提供了一种液面检测方法，如图12所示，液面检测方法可以包括：
55.步骤10，提供脉冲信号。脉冲信号可以由脉冲信号提供部产生，脉冲信号提供部可以为能够产生脉冲信号的控制芯片等。
56.步骤12，通过阻抗元件和采样针的电容对脉冲信号进行rc延时处理后获得第一输出信号。配置阻抗元件与采样针连接，阻抗元件提供的阻抗并利用采样针的等效电容特性构成能够对脉冲信号进行rc延时处理的电路，脉冲信号经过该电路后得到第一输出信号。
57.步骤14，将第一输出信号分别与第一阈值和第二阈值进行比较得到第一比较结果和第二比较结果，并将第一比较结果和第二比较结果进行逻辑与运算得到的结果作为第二输出信号。第一输出信号分别与第一阈值和第二阈值进行比较的操作可以由窗口比较部来执行。
58.步骤16，基于接收的第二输出信号确定采样针是否接触液面。进一步地，在第一输出信号高于第一阈值且低于第二阈值的情况下，基于接收的第二输出信号确定采样针接触液面。在第一输出信号不高于第一阈值或者不低于第二阈值的情况下，基于接收的第二输出信号确定采样针未接触液面。
59.本实施例的液面检测方法利用采样针的电容，并将经过rc延时处理的脉冲信号作为检测信号，更容易获知采样针接触液面前后的变化情况，误检风险较低。将检测信号分别与第一阈值和第二阈值进行比较并对两个比较结果进行逻辑与运算，便于明显区分采样针接触液面前后的信号变化。
60.本发明还提供了一种样本分析仪，可以包括：采样针22和上述任一实施例的液面检测装置。样本分析仪可以应用于体外检测行业，具体可以用于检测血液、体液、以及其他液体样本或试剂等，样本分析仪可以为血液分析仪、凝血分析仪，以及一些其他样本分析装置等。样本分析仪通过本发明液面检测装置的应用，可以保证采样针22精确进入液面吸取液体。
61.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。此外，尽管本说明书中使用
了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。