一种基于振动原理的医用离心机测速仪的制作方法

1.本实用新型属于医用离心机转速检测技术领域，本实用新型涉及一种基于振动原理的医用离心机测速仪。


背景技术：

2.医用离心机是利用离心力原理分离不同密度液体或混悬在溶液中的颗粒，主要应用于血液分离、dna研究/免疫血液学实验室、检验室等，是各类医院血库、实验室、血站、医学院校和医学研究机构的必备设备。离心力大小与离心机转速成特定转换关系。
3.现有技术中cn109884332a公开的一种离心机转速测量系统；结构较为复杂，实现成本高，cn204882600u公开的一种密闭式医用离心机转速测量系统、cn205539036u公开的一种医用离心机转速测量系统，是以嵌入式软硬件开发为主，信号处理以硬件滤波器或嵌入式信号处理实现，结构复杂，非常不便于现场检测、不利于高速转动等情况。由于医用离心机的应用领域广泛，各应用领域离心机具体结构差别大，现有测速装置体积大、结构复杂、实现成本高、并不能完成对现有绝大多数离心机的转速测量工作。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种基于振动原理的医用离心机测速仪，具有结构简单、体积便携、实现成本低，可以连续工作，方便现场校准检测工作等优点。
5.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于振动原理的医用离心机测速仪，包括数据存储模块、人机界面模块、声卡模块、主控模块；主控模块分别与声卡模块、人机界面模块、数据存储模块连接；测速仪还设有信号转换处理模块；数据存储模块、人机界面模块、声卡模块、主控模块、设置在外部壳体内部，外部壳体内部还安设有电源模块；信号转换处理模块设置在外部壳体外部，信号转换处理模块与声卡模块通过音频连接线缆连接；信号转换处理模块通过低噪声连接线缆(电缆型号为：styv-2，低噪声同轴电缆)连接压电式振动传感器；压电式振动传器由压电加速度传感器、带孔强磁铁，沉头螺丝构成，带孔强磁铁通过沉头螺丝紧固固定在压电式加速度传感器上；压电式振动传感器通过带孔强磁铁与被测医用离心机连接。
6.所述主控模块包括用于处理声卡模块数据采集读取、数字信号处理、数据显示、数据存储的32位嵌入式stm32f407芯片。
7.所述声卡模块包括tlv320aic3204音频处理芯片；具备100db snr；采用第一音频输入口、固定增益、48khz采样速率、24位数据模式，tlv320aic3204音频处理芯片通过i2s、 iic数据接口与主控模块连接，输入端具备限流、输入钳位以及降低射频干扰功能。
8.信号转换处理模块包括一个单独的铝合金屏蔽壳体，铝合金屏蔽壳体内部包裹4.2v锂电池、微弱电流电压转换电路(i-v转换电路)、衰减电路、输入接口、输出接口、充电控制电路；输入接口依次顺序连接i-v转换电路、衰减电路、输出接口；4.2v锂电池一端与充
电控制电路连接；4.2v锂电池另一端与i-v转换电路连接。
9.进一步的，电源模块包括tp4059充放电控制芯片、ht7818低压差线性稳压芯片、xc6221 低压差线性稳压芯片；电源模块分别与声卡模块、主控模块、数据存储模块、人机界面模块连接；电源模块为声卡模块、主控模块、数据存储模块、人机界面模块提供适合的工作电压，主控模块控制声卡模块完成信号采集，主控模块控制人机界面模块完成信息显示与控制设定输入，主控模块控制数据存储模块完成转速数据存储。
10.进一步的，充电控制电路包括tp4059芯片。
11.进一步的，外部壳体为铸铝壳体，表面开设有type-c充电接口(其与tp4059芯片连接，起到与外部usb连接线连接，为tp4059芯片提供5v、500ma电源，为内部锂电池充电，实现usb通信功能)、tft电阻触摸屏、3.5mm声卡模块音频输入对应开口。
12.进一步的，音频连接线缆接入3.5mm声卡模块音频输入口与声卡模块连接。
13.本实用新型与现有技术相比具有的有益效果是：
14.本实用新型提供的一种基于振动原理的医用离心机测速仪，因其测量过程无需打开被测设备盖板，可完成现有绝大多数离心机的转速测量工作，特别适合密闭无观察窗型离心机、高速离心机、已受污染离心机等的检测工作。本实用新型提供的一种基于振动原理的医用离心机测速仪，具有结构简单、体积便携、实现成本低，可以连续工作，方便现场校准检测工作等优点。
附图说明
15.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：
16.图1是本实用新型医用离心机测速仪连接示意图。
17.图2是本实用新型信号转换处理模块连接示意图。
18.图3是本实用新型信号转换处理模块电路示意图。
19.图4是本实用新型信号转换处理模块内电源管理电路示意图。
20.图5是本实用新型声卡模块电路示意图。
21.图6是本实用新型主控模块电路示意图。
22.图7是本实用新型人机接口模块电路示意图。
23.图8是本实用新型电源模块电路示意图。
24.图9是主控模块内部数据流动示意图。
具体实施方式
25.以下结合说明书附图，对本实用新型进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施例。实施例中没有具体限定型号的零部件，均不限定具体型号，实现其工作功能即可。
26.实施例1
27.一种基于振动原理的医用离心机测速仪，如图1-图8所示，包括数据存储模块(该模块电路包含在图6中，右上部，sd-002)、人机界面模块、声卡模块、主控模块；主控模块分别与声卡模块、人机界面模块、数据存储模块连接；测速仪还设有信号转换处理模块；数据存储模块、人机界面模块、声卡模块、主控模块、设置在外部壳体内部，外部壳体内部还安设有电源模块；信号转换处理模块设置在外部壳体外部，信号转换处理模块与声卡模块通过
音频连接线缆连接；信号转换处理模块通过低噪声连接线缆(电缆型号为：styv-2，低噪声同轴电缆)连接压电式振动传感器；压电式振动传感器将医用离心机运行转动时产生的振动，转变为微弱的电流信号，该信号包含了离心机转速及其多次倍频信息。压电式振动传器由压电加速度传感器、带孔强磁铁，沉头螺丝构成，带孔强磁铁通过沉头螺丝紧固固定在压电式加速度传感器上。本测试仪对于低频响应小于等于1hz，高频响应大于等于5khz，量程大于 500g，灵敏度系数大于等于10pc/g的压电式加速度传感器都适用。压电加速度传感器型号为： ct1002，上海澄科，电荷灵敏度：20pc/g，量程：2000g，使用频率：0.5hz～8khz，适用于振动、冲击等动态测量应用。对传递振动信号来说，最可靠的连接方式是机械螺丝固定在离心机壳体上，但实际操作不太可行。通过带孔强磁铁固定振动传感器方式会在某些振动点降低频率响应，考虑到这些频段普遍偏高远离实际关注的振动频率，实际测试基本无影响。压电式振动传感器与信号转换处理模块之间通过具有半导体屏蔽层的低噪声连接线缆，以降低因低噪声连接线缆弯折等原因引入的干扰。
28.所述主控模块包括用于处理声卡模块数据采集读取、数字信号处理、数据显示、数据存储的32位嵌入式stm32f407芯片。8mhz时钟频率(内部经pll转为100mhz核心速度)，主控模块完成声卡模块数据采集读取、数字信号处理、数据显示、数据存储等功能。声卡模块采集到的数字信号经带通滤波、频谱分析、buneman频率估计、系数转换等完成转速测量工作，主控模块进一步进行转速显示、波形显示、转速数据存储等处理。
29.声卡模块声音完成信号提取，声卡模块将信号转换处理模块传出、经音频连接线缆传入的模拟信号转换为数字信号，数字信号经主控模块进一步处理。声卡模块采样频率高则频谱覆盖的范围广，采用48khz采样速率，在实际应用中足够满足测速要求。在采样速率一定的条件下，采样时间增加，数据量增加，频谱会更加精细，缺点是显示更新速率降低，转速显示值是采样时间间隔的平均值。通过观察人机接口模块对应波形显示情况，适当调整信号转换处理模块输出衰减幅度，使输入音频信号电压幅度处于合适的范围。所述声卡模块包括 tlv320aic3204音频处理芯片；具备100db snr；采用第一音频输入口、固定增益、48khz采样速率、24位数据模式，tlv320aic3204音频处理芯片通过i2s、iic数据接口与主控模块连接，输入端具备限流、输入钳位以及降低射频干扰功能。
30.电源模块(即图8所示)内部包括6400mah容量4.2v电压18650电池组、type-c充电数据通信接口、电源开关、自恢复保险、模拟电源、数字电源，模拟电源为声卡模块提供1.8v 工作电压，数字电源为其它模块提供3.3v工作电压。模拟电源、数字电源通过滤波电路隔离，对应电源地单点连接。
31.数据存储模块包括卡座、接口电路、minisd卡，与主控模块通过sdio 4位串行通信接口连接，将转速信息已特定文件格式存储。
32.人机界面模块为5寸tft电阻触摸屏，具备800*480分辨率，与主控模块通过spi(连接屏幕)、iic(连接触摸屏)串行通信接口连接，完成波形、频谱、转速信息、设定选项等的显示与输入功能。
33.信号转换处理模块，将压电式加速度传感器压电效应产生的微弱电流信号转换为可使用的电压信号。信号转换处理模块包括一个单独的铝合金屏蔽壳体，铝合金屏蔽壳体内部包裹 4.2v锂电池(1000mah)、微弱电流电压转换电路(i-v转换电路)、衰减电路、输入接口、输出接口、充电控制电路；输入接口依次顺序连接、i-v转换电路、衰减电路、输出接
口；4.2v 锂电池一端与充电控制电路连接；4.2v锂电池另一端与i-v转换电路连接。输入接口为m5 规格(rf1 m5)，输入接口内部芯体为低漏电四聚氟乙烯材料，接口外部为铜镀金材料，与铝合金屏蔽壳体可靠结合，接入电池负极。输入接口接入压电加速度传感器压电效应产生的微弱电流信号。
34.微弱电流电压转换电路(i-v转换电路)(ni cdaq9171 ni9230或上海澄科ctviblab 或南京鸿宾hb-871等微弱电流放大器)，是基于高阻值电阻的负反馈电流放大器结构，是由具备高输入阻抗、低偏置电流fet型运放lmc6042、1gω高阻值玻璃釉电阻、四聚氟乙烯隔离支撑柱、低漏电相位补偿电容构成，使用fr4玻纤电路板。该电路降低电路漏电，减小干扰。该电路温度特性一般(影响幅度精度)，具备足够的信噪比，足够的频率相应范围，满足设计需要。
35.衰减电路(福禄克t032或中国台湾仪鼎j2110a或西安锦宏gktsx-3-71-6-a4)为电容、带开关可调电位器(rv097ns)构成。电容为10uf容量、50v耐压的钽电容，将微弱电流电压转换电路输出的电压信号进行隔直流处理，隔直流处理后的交流电压信号经可调电位器 (rv097ns，yxy/宇星源)衰减后到信号转换处理模块输出接口，带开关可调电位器开关作为模块电源开关使用(sw1开关、rp1可调电位器)。输出接口为标准3.5mm音频接口(cn1)，输出信号接入声卡模块音频输入接口。
36.信号转换处理模块内电源管理电路如图4所示(充电控制电路)，内部电池为1000mah 容量4.2v锂电池，由信号转换处理模块耗电极低，电池可提供10000小时以上的使用时间。信号转换处理模块使用type-c接口(usb1接口)，提供内部锂电池充电接口。充电控制电路采用tp4059芯片，可在2小时内完成内部电池充电，带有充电状态指示led灯(led1)。信号处理模块内部电池与测速仪其它电源完全隔离，采用独立电池，以达到最大程度降低干扰的目的。
37.主控模块还配设有带通滤波器，为数字带通滤波器，(由主控模块软件方式实现，软件可选用：stm32cube ide 1.10.1；主控模块采集声卡模块数据，主控模块对声卡数据进行数字滤波操作。通过带通滤波器的数据，通过人机界面模块进行显示，可根据需要，通过人机界面模块触摸屏输入带通滤波器设定值。)可根据实际需求通过人机界面模块设定上下限值，将采样信号进行数字滤波，保留感兴趣频点附近信息，滤除干扰噪声，有利于提高测量精度。通过波形显示滤波后波形2、频谱信息波形3；主控模块评估滤波后振动波形，有利于实际操作时实时调整信号转换处理模块、压电式振动传感器位置等。人机界面模块显示的相关波形信息：显示波形1.2.3；分别为：输入原始波形1、滤波后波形2、频谱信息波形3评估滤波后振动波形，有利于实际操作时实时调整信号转换处理模块衰减器、压电式振动传感器位置等。
38.被测医用离心机准备好，医用离心机内部空载或配平。将压电式振动传感器吸附在被测医用离心机相对应位置，通过人机界面观察医用离心机测速波形1显示，从最大衰减开始调整到波形1显示处于合理范围(处于显示界限内无超出)。根据被测离心机转速，设定带通滤波器相应参数，通过观察波形2、3，适当调整信号转换处理模块、压电式振动传感器位置，分离出可用信号，读取被测离心机实测转速值。完成转速测量，关闭被测医用离心机，完成测试。
39.本实用新型提供的测速仪通过压电式振动传感器，压电式振动传感器通过带孔强
磁铁与被测医用离心机连接；将医用离心机转动时产生的带有离心机转速信息的振动信号转换为微弱电流，信号转换处理模块通过电流-电压(i-v)转换电路将微弱电流转化为电压信号，进一步通过可调衰减器输出；输出信号通过声卡模块音频输入口接入，声卡模块将模拟信号量转换为数字信号量；主控模块通过数字滤波、频率估计等处理，完成信号评估处理，计算出离心机转速信息，并存储转速信息；通过人机界面进行系统设定与信息显示(显示波形1.2.3, 分别为：输入原始波形1、滤波后波形2、频谱信息波形3)。
40.由于医用离心机的应用领域广泛，各应用领域离心机具体结构差别大，本实用新型从医用离心机结构特性出发，能够完成对现有绝大多数离心机的转速测量工作，特别适合密闭无观察窗型离心机、高速离心机、已受污染离心机等的检测工作。本实用新型提供的测速仪可应用于医学计量，开展对医疗机构在用的医用离心机的校准；本实用新型提供的测速仪也可应用于医疗机构的设备科等器械维护部门，开展对本单位医用离心机的测试与维护。测速仪体积便携、实现成本低，便于现场开展对绝大部分医用离心机的转速测量工作，可提供长时间工作能力。
41.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。