【導讀】在血液分析儀、體外診斷系統和其他很多化學分析應用中，液體必須從一個容器中轉移到另一個，以便將樣本從試管中、或者將試劑從瓶中吸取出來。 這些實驗室系統經常需要處理大量樣本，因此盡可能縮短處理時間很重要。 為了提高效率，用來吸取樣本的探針必須快速移動，因此有必要精確地定位探針與所要吸取液體表面的相對位置。 本文演示了電容數字轉換器(CDC)的一種新穎使用方法，使用該方法可信心十足地完成這項工作。
CDC技術
本質上，Σ-Δ型ADC利用簡單的電荷平衡電路，將數值已知的基準電壓以及數值未知的輸入電壓施加于固定片內輸入電容上。 電荷平衡確定未知輸入電壓。 Σ-Δ型CDC有所不同，其未知值為輸入電容。 將已知的激勵電壓施加于輸入，且電荷平衡檢測未知電容的變化，如圖1所示。CDC將保留ADC的分辨率和線性度。
圖1. 基本CDC架構
集成式CDC通過兩種方式部署。 單通道AD7745和雙通道AD7746 24位CDC與電容一同工作，該電容的一個電極連接激勵輸出，另一個連接CDC輸入。 單電極器件——如集成溫度傳感器的24位CDCAD7747或16位CapTouch™可編程控制器AD7147 可針對同一個電極施加激勵并讀取電容值。 另一個接地的電極可以是真實電極，也可以是觸摸屏上的用戶手指。 兩種類型的CDC均可用作電平檢測。
電容
在最簡單的形式下，電容可以描述為兩塊平行板之間的電介質材料。 電容值隨平行板面積、兩板距離和介電常數的變化而改變。 利用這些變量，可以測量非常規電容的變化值，確定探針相對液體表面的位置。
在本應用中，電容由導電板組成，該板位于試管或移動探針的下方，如圖2所示。激勵信號施加于一個電極，另一個連接CDC輸入。 無論哪個電極連接激勵信號、哪個電極連接CDC輸入，測得的電容都相同。 電容絕對值取決于板和探針的尺寸、電介質的組成成分、探針與板之間的距離以及其他環境因素。 注意，電介質包括空氣、試管和其中的液體。 此應用利用探針接近板（更重要的是，接近液體表面）時混合電介質發生改變的特性。
圖2. 電平檢測系統框圖
圖3顯示電容值隨探針靠近干燥試管而增加。 通過觀察可知，該變化是冪級數函數（二次方程），但系數隨液體而變化。 相比空氣，液體具有高得多的介電常數，因此液體占電介質的比例越高，電容就上升越快。
圖3. 干燥試管的電容測量
當探針非常接近液體表面時，測得的電容值加速上升，如圖4所示。這一較大的變化可用來確定接近液體表面的程度。
圖4. 充盈試管的電容測量
歸一化數據
通過歸一化數據，可更好地確定液位。 若探針相對某些參照點的位置精確已知，則系統可在無液體存在的情況下，在多個位置進行特性描述。 一旦系統完成特性描述，則靠近液體表面過程中收集的數據便可通過從接近數據中減去干燥數據進行歸一化處理，如圖5所示。
圖5. 歸一化電容測量
除了溫度、濕度和其他環境變化外，歸一化還可移除電容測量的系統性因素。 電極尺寸、探針與板之間的距離以及空氣和試管的電介質效應均不影響測量。 此時，數據表示向混合電介質中加入液體的效應，使接近控制變得更方便、更連貫。
然而，無法在所有情況下使用歸一化數據。 例如，運動控制系統可能不夠精確，無法精準定位；又或者電機控制器的通信鏈路相對CDC輸出速率而言較慢。 就算歸一化數據不可用，本文描述的方法依然可行。
使用斜率和斷續
如圖所示，隨著探針靠近液體表面，測得的電容加速增加，但無法方便地使用此信息控制探針靠近表面時的速度。 當充盈水平較低時，原始電容值將高于容器充盈水平較高時的電容值。 使用歸一化數據，則情況相反。 這為尋找閾值增加了難度——此閾值可在適當時機觸發，改變探針速度。
斜率（或電容的變化率）與位置變化之間的關系可用于存在絕對電容的情況。 以恒定速度移動探針時，斜率能通過下一個電容讀數減去上一個而近似。 如圖6所示，斜率數據的表現形式與原始電容數據一致。
圖6. 使用歸一化電容的斜率數據
原始或歸一化電容讀數的斜率在可變充盈水平下比讀數本身要遠為一致，且無論何種充盈水平下，找到斜率的閾值相對而言更為簡單。 斜率數據比電容數據略為噪雜，因此對其求均值將很有用。 當計算得到的斜率值上升至噪聲以上時，探針十分接近液體表面。 利用這種方法可以創建非常穩定的接近曲線。
目前為止涉及的數據都表明隨著探針接近液體表面，系統的表現如何；但這種方法的一個重要特性將在探針接觸液體時變得更明顯。 在該點處產生了大量的斷續，如圖7所示。這并非像接觸后數據點所顯示的那樣為電容曲線正常加速的一部分。 該點處的電容讀數是接觸前讀數的兩倍多。 這種關系可能會隨著系統配置而改變，但它是穩定而一致的。 斷續的尺寸大小使尋找電容閾值變得相對容易，通過該閾值便能可靠地指示突破液體表面的程度。 本應用的目標之一便是將探針插入液體已知的短距離，因此這種特性很重要。
圖7. 液體表面的斷續
若要使吞吐速率最大，探針應以可能的最高速度移動，同時盡量減少探針被推進的太遠而造成損壞的危險。 有時候可能不提供高精度電機控制系統，因此該解決方案必須要能在無法得知探針精確位置的情況下工作。 目前為止，我們討論的測量方法可以讓您信心十足地完成這項工作。
方法
圖8所示的流程圖列出了接近液體時采用的技術。
探針以能達到的最高速度移動，直到極其接近液體表面。 根據位置信息、現有的計算能力以及預先表征系統的能力，該點可通過冪級數計算、電容閾值或電容曲線的斜率確定，如本文所述。 對數據求均值可更可靠地確定該點。 對電容數據進行歸一化也能增加系統的可靠性。
當探針足夠接近表面時，探針速度大幅下降，以便最終接近液體表面。 為使效率最大化，該點應盡量靠近表面，但在穿透液體表面之前接近速度必須下降，以確保探針停止移動之前對穿刺距離具有良好的控制。
與液體表面的接觸可利用電容值并通過該點的斷續程度加以確定（如本文所述），也可通過電容曲線斜率確定。 求均值可降低噪聲，但不執行該操作也能可靠地檢測出較大的偏移。 歸一化電容數據可改善穩定性，但其影響不如接近階段那么大。
隨后，便可將探針驅至表面以下的預定距離。 具有精密電機控制能力時，這很容易做到。 若無精密電機控制，可估算速度，且探針可移動一段固定的時間。
圖8. 簡化控制流程圖
穿透液體之后，會得到電容讀數的兩個特性數據。 首先，隨著探針在液體中移動，測量值的變化相對較小。 雖然我們期望恒定變化速率有助于確定穿透深度，但并未觀察到這樣的現象。 其次，不同液位下的測量值變化極小，如圖9所示。穿透灌滿的試管與穿透幾乎為空的試管之后，測得的電容值基本相同。
圖9. 電容與液位的關系
但是，歸一化的數據卻有所不同。 隨著液位的下降，歸一化電容值也隨之下降。 若要在可靠的位置數據不可用的情況下確定液位是否降低，那么這種特性可能會有所幫助。
穿透液體表面之后，探針需要多少時間才能停止取決于包括電機控制系統本身在內的幾個因素，但一條經過仔細研究的接近曲線可保證嚴格控制探針，并使探針速度最大化。 實驗室中，探針以最大速度在兩個電容讀數之間移動約0.45 mm，可在穿透表面0.25 mm距離之內停止。 若采樣速率更高且探針在兩個樣本之間移動大約0.085 mm，則它可在距離液體表面0.05 mm距離之內停止。 無論何種情況，探針均以最大速度工作，直到距離液體表面大約1 mm至3 mm處，從而提供最高效率和吞吐速率。
結論
這種打破傳統使用集成式電容數字轉換器的方法提供了一種簡單而穩定的電平檢測解決方案。 接近曲線同時利用電容和斜率測量控制探針的運動。 備用部署方案具有更高的穩定性，或者提供更多信息。 本解決方案可在穿透表面后快速可靠地使探針停止移動，同時盡可能以最高探針速度移動至最終位置。 本文僅淺顯地描述了CDC技術用于電平檢測的情況。 經驗豐富的工程師可以本文的思路作為出發點，針對特定應用環境對本解決方案加以改進。
參考電路
電容數字轉換器
電路筆記CN0095：電容數字轉換器(CDC) AD7150用于近程傳感應用.
Jia, Ning. "醫療保健應用中的ADI電容數字轉換器技術." 模擬對話, 第46卷第2期，
推薦閱讀：
