【導(dǎo)讀】在血液分析儀、體外診斷系統(tǒng)和其他很多化學(xué)分析應(yīng)用中，液體必須從一個(gè)容器中轉(zhuǎn)移到另一個(gè)，以便將樣本從試管中、或者將試劑從瓶中吸取出來。 這些實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)經(jīng)常需要處理大量樣本，因此盡可能縮短處理時(shí)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(dòng)，因此有必要精確地定位探針與所要吸取液體表面的相對(duì)位置。 本文演示了電容數(shù)字轉(zhuǎn)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(xiàng)工作。
CDC技術(shù)
本質(zhì)上，Σ-Δ型ADC利用簡(jiǎn)單的電荷平衡電路，將數(shù)值已知的基準(zhǔn)電壓以及數(shù)值未知的輸入電壓施加于固定片內(nèi)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(lì)電壓施加于輸入，且電荷平衡檢測(cè)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(gòu)
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(gè)電極連接激勵(lì)輸出，另一個(gè)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(duì)同一個(gè)電極施加激勵(lì)并讀取電容值。 另一個(gè)接地的電極可以是真實(shí)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(cè)。
電容
在最簡(jiǎn)單的形式下，電容可以描述為兩塊平行板之間的電介質(zhì)材料。 電容值隨平行板面積、兩板距離和介電常數(shù)的變化而改變。 利用這些變量，可以測(cè)量非常規(guī)電容的變化值，確定探針相對(duì)液體表面的位置。
在本應(yīng)用中，電容由導(dǎo)電板組成，該板位于試管或移動(dòng)探針的下方，如圖2所示。激勵(lì)信號(hào)施加于一個(gè)電極，另一個(gè)連接CDC輸入。 無論哪個(gè)電極連接激勵(lì)信號(hào)、哪個(gè)電極連接CDC輸入，測(cè)得的電容都相同。 電容絕對(duì)值取決于板和探針的尺寸、電介質(zhì)的組成成分、探針與板之間的距離以及其他環(huán)境因素。 注意，電介質(zhì)包括空氣、試管和其中的液體。 此應(yīng)用利用探針接近板（更重要的是，接近液體表面）時(shí)混合電介質(zhì)發(fā)生改變的特性。
圖2. 電平檢測(cè)系統(tǒng)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(jí)數(shù)函數(shù)（二次方程），但系數(shù)隨液體而變化。 相比空氣，液體具有高得多的介電常數(shù)，因此液體占電介質(zhì)的比例越高，電容就上升越快。
圖3. 干燥試管的電容測(cè)量
當(dāng)探針非常接近液體表面時(shí)，測(cè)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(cè)量
歸一化數(shù)據(jù)
通過歸一化數(shù)據(jù)，可更好地確定液位。 若探針相對(duì)某些參照點(diǎn)的位置精確已知，則系統(tǒng)可在無液體存在的情況下，在多個(gè)位置進(jìn)行特性描述。 一旦系統(tǒng)完成特性描述，則靠近液體表面過程中收集的數(shù)據(jù)便可通過從接近數(shù)據(jù)中減去干燥數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，如圖5所示。
圖5. 歸一化電容測(cè)量
除了溫度、濕度和其他環(huán)境變化外，歸一化還可移除電容測(cè)量的系統(tǒng)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(zhì)效應(yīng)均不影響測(cè)量。 此時(shí)，數(shù)據(jù)表示向混合電介質(zhì)中加入液體的效應(yīng)，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(shù)據(jù)。 例如，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可能不夠精確，無法精準(zhǔn)定位；又或者電機(jī)控制器的通信鏈路相對(duì)CDC輸出速率而言較慢。 就算歸一化數(shù)據(jù)不可用，本文描述的方法依然可行。
使用斜率和斷續(xù)
如圖所示，隨著探針靠近液體表面，測(cè)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(shí)的速度。 當(dāng)充盈水平較低時(shí)，原始電容值將高于容器充盈水平較高時(shí)的電容值。 使用歸一化數(shù)據(jù)，則情況相反。 這為尋找閾值增加了難度——此閾值可在適當(dāng)時(shí)機(jī)觸發(fā)，改變探針?biāo)俣取?/div>
斜率（或電容的變化率）與位置變化之間的關(guān)系可用于存在絕對(duì)電容的情況。 以恒定速度移動(dòng)探針時(shí)，斜率能通過下一個(gè)電容讀數(shù)減去上一個(gè)而近似。 如圖6所示，斜率數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式與原始電容數(shù)據(jù)一致。
圖6. 使用歸一化電容的斜率數(shù)據(jù)
原始或歸一化電容讀數(shù)的斜率在可變充盈水平下比讀數(shù)本身要遠(yuǎn)為一致，且無論何種充盈水平下，找到斜率的閾值相對(duì)而言更為簡(jiǎn)單。 斜率數(shù)據(jù)比電容數(shù)據(jù)略為噪雜，因此對(duì)其求均值將很有用。 當(dāng)計(jì)算得到的斜率值上升至噪聲以上時(shí)，探針十分接近液體表面。 利用這種方法可以創(chuàng)建非常穩(wěn)定的接近曲線。
目前為止涉及的數(shù)據(jù)都表明隨著探針接近液體表面，系統(tǒng)的表現(xiàn)如何；但這種方法的一個(gè)重要特性將在探針接觸液體時(shí)變得更明顯。 在該點(diǎn)處產(chǎn)生了大量的斷續(xù)，如圖7所示。這并非像接觸后數(shù)據(jù)點(diǎn)所顯示的那樣為電容曲線正常加速的一部分。 該點(diǎn)處的電容讀數(shù)是接觸前讀數(shù)的兩倍多。 這種關(guān)系可能會(huì)隨著系統(tǒng)配置而改變，但它是穩(wěn)定而一致的。 斷續(xù)的尺寸大小使尋找電容閾值變得相對(duì)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(yīng)用的目標(biāo)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(xù)
若要使吞吐速率最大，探針應(yīng)以可能的最高速度移動(dòng)，同時(shí)盡量減少探針被推進(jìn)的太遠(yuǎn)而造成損壞的危險(xiǎn)。 有時(shí)候可能不提供高精度電機(jī)控制系統(tǒng)，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(cè)量方法可以讓您信心十足地完成這項(xiàng)工作。
方法
圖8所示的流程圖列出了接近液體時(shí)采用的技術(shù)。
探針以能達(dá)到的最高速度移動(dòng)，直到極其接近液體表面。 根據(jù)位置信息、現(xiàn)有的計(jì)算能力以及預(yù)先表征系統(tǒng)的能力，該點(diǎn)可通過冪級(jí)數(shù)計(jì)算、電容閾值或電容曲線的斜率確定，如本文所述。 對(duì)數(shù)據(jù)求均值可更可靠地確定該點(diǎn)。 對(duì)電容數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化也能增加系統(tǒng)的可靠性。
當(dāng)探針足夠接近表面時(shí)，探針?biāo)俣却蠓陆担员阕罱K接近液體表面。 為使效率最大化，該點(diǎn)應(yīng)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(dòng)之前對(duì)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(diǎn)的斷續(xù)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(zhí)行該操作也能可靠地檢測(cè)出較大的偏移。 歸一化電容數(shù)據(jù)可改善穩(wěn)定性，但其影響不如接近階段那么大。
隨后，便可將探針驅(qū)至表面以下的預(yù)定距離。 具有精密電機(jī)控制能力時(shí)，這很容易做到。 若無精密電機(jī)控制，可估算速度，且探針可移動(dòng)一段固定的時(shí)間。
圖8. 簡(jiǎn)化控制流程圖
穿透液體之后，會(huì)得到電容讀數(shù)的兩個(gè)特性數(shù)據(jù)。 首先，隨著探針在液體中移動(dòng)，測(cè)量值的變化相對(duì)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(xiàn)象。 其次，不同液位下的測(cè)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(cè)得的電容值基本相同。
圖9. 電容與液位的關(guān)系
但是，歸一化的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)不可用的情況下確定液位是否降低，那么這種特性可能會(huì)有所幫助。
穿透液體表面之后，探針需要多少時(shí)間才能停止取決于包括電機(jī)控制系統(tǒng)本身在內(nèi)的幾個(gè)因素，但一條經(jīng)過仔細(xì)研究的接近曲線可保證嚴(yán)格控制探針，并使探針?biāo)俣茸畲蠡?實(shí)驗(yàn)室中，探針以最大速度在兩個(gè)電容讀數(shù)之間移動(dòng)約0.45 mm，可在穿透表面0.25 mm距離之內(nèi)停止。 若采樣速率更高且探針在兩個(gè)樣本之間移動(dòng)大約0.085 mm，則它可在距離液體表面0.05 mm距離之內(nèi)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(jié)論
這種打破傳統(tǒng)使用集成式電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的方法提供了一種簡(jiǎn)單而穩(wěn)定的電平檢測(cè)解決方案。 接近曲線同時(shí)利用電容和斜率測(cè)量控制探針的運(yùn)動(dòng)。 備用部署方案具有更高的穩(wěn)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(dòng)，同時(shí)盡可能以最高探針?biāo)俣纫苿?dòng)至最終位置。 本文僅淺顯地描述了CDC技術(shù)用于電平檢測(cè)的情況。 經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師可以本文的思路作為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)特定應(yīng)用環(huán)境對(duì)本解決方案加以改進(jìn)。
參考電路
電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器
電路筆記CN0095：電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC) AD7150用于近程傳感應(yīng)用.
Jia, Ning. "醫(yī)療保健應(yīng)用中的ADI電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器技術(shù)." 模擬對(duì)話, 第46卷第2期，
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