傳感器技術(shù)在微量注射泵中的應(yīng)用

0 引言

微量注射泵是臨床醫(yī)療和生命科學(xué)研究中一種經(jīng)常使用的，長(zhǎng)時(shí)問(wèn)進(jìn)行均勻微量注射的儀器?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)外微量注射泵面臨的難點(diǎn)是精度不夠和成本比較高。國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品采用軟件控制注射的精度，這導(dǎo)致儀器容錯(cuò)性很差，并且只能使用單一廠家的注射器。而國(guó)外同類產(chǎn)品采用電位計(jì)控制注射的精度，要達(dá)到相對(duì)高的精度則對(duì)電位計(jì)的要求很高。

傳感器是一種能感受或響應(yīng)規(guī)定的被測(cè)量物理量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置，它可將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供檢測(cè)的電信號(hào)，并將各種參量送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)、控制，是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件。近年來(lái)，傳感器的應(yīng)用正朝著兩個(gè)方向發(fā)展，一是單一功能傳感器朝著多用途傳感器的綜合應(yīng)用發(fā)展;二是傳感器與微處理機(jī)接口，既改進(jìn)傳感器的測(cè)量精度和可靠性，又提高微處理機(jī)的運(yùn)算精度，二者相輔相成。當(dāng)前，傳感器已廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、能源、宇宙空間、資源開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)、自然災(zāi)害預(yù)報(bào)、醫(yī)療保健以及癌癥診斷等各個(gè)領(lǐng)域。

本文研究了幾種傳感器在測(cè)量中的應(yīng)用，選取了容柵傳感器等傳感器用于微量注射泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，成功地提高了注射精度，并兼容多個(gè)廠家的注射器，增強(qiáng)了微量注射泵的功能。本文將闡述這些傳感器在微量注射泵中的應(yīng)用。

1 容柵傳感器

容柵傳感器是一種基于變面積工作原理，可測(cè)量大位移的電容式數(shù)字傳感器，與其它數(shù)字式位移傳感器，如光柵、感應(yīng)同步器等相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率和準(zhǔn)確度高、測(cè)量速度快、功耗小、成本低、對(duì)使用環(huán)境要求不高等突出的特點(diǎn)，因此在電子測(cè)量技術(shù)中占有十分重要的地位。隨著測(cè)量技術(shù)向精密化、高速化、自動(dòng)化、集成化、智能化、經(jīng)濟(jì)化、非接觸化和多功能化方向的發(fā)展，容柵傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

本系統(tǒng)中主要是對(duì)直線位移的測(cè)量，所以采用直線型容柵傳感器。容柵傳感器的結(jié)構(gòu)非常類似于平行板電容器，它是由一組排列成柵狀結(jié)構(gòu)的平行板電容器并聯(lián)而成的，如果把隨時(shí)間變化的周期信號(hào)，通過(guò)電子電路的控制，在同一瞬間以不同的相位分布，分別加載于順序排列的柵狀電容器各個(gè)柵極上，則在另一公共極板上，任一瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)將與該瞬間加載的激勵(lì)信號(hào)具有相同的相位分布。

容柵傳感器動(dòng)?xùn)拧⒍鸥鳂O板之間形成的電容的等效電路如圖1所示，設(shè)C1(x)，C2(x)，C3(x)……C8(x)為動(dòng)?xùn)派?8塊極板與定柵上相應(yīng)極板所構(gòu)成的電容量，它是位移x的函數(shù)，假設(shè)小發(fā)射極板與反射極板完全覆蓋時(shí)兩者之間的電容為C0，每一塊小發(fā)射極板的寬度為w，則由圖可知，當(dāng)0≤x≤w 時(shí)，C 8(x)=C 0(x)/w，C 1(x)=C 2(x)=C 3(x)=C 0，C 4(x)=C 0(1-x/w)，c5(x)=c6(x)=c7(x)=0。由此可以得出整個(gè)量程中兩極板之間的電容量隨位移x的變化規(guī)律。

由圖1可以看出，在x為任何值時(shí)，動(dòng)?xùn)派系?8塊極板中總有一部分與“地”(屏蔽板)形成電容，相應(yīng)的輸入信號(hào)源直接接入“地”，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)不產(chǎn)生影響，可是為了導(dǎo)出φ(x)(φ(x)為傳感器的輸出信號(hào)相對(duì)于某一驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位移)隨位移量x連續(xù)變化的統(tǒng)一公式，在推導(dǎo)中不考慮這些極板對(duì)“地” 形成電容，而仍把它們看作對(duì)定柵板形成電容，只不過(guò)此時(shí)它們的電容量為零而已。由于這些電容量為零，則其阻抗為無(wú)窮大。相應(yīng)的信號(hào)源全部落在這些電容上，同樣，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)無(wú)影響。

如果給容柵傳感器每組發(fā)射極板上所加的發(fā)射電壓V1~V8為8路頻率、幅值相同而相鄰小極板間相位相差為π/4的正弦交變電壓，則在發(fā)射極上有電壓Vf，在接收極上有電壓Vr。應(yīng)用交流電路理論及基爾霍夫電流定律，解讀圖l的等效電路，如下：

如果用Vo表示各發(fā)射極電壓的幅值，并取8路信號(hào)中的第1路信號(hào)的相位為參考值，則有：

其中φ0為V1的相角。

將上述各量及Ci(x)(i=1，2，…，8)代入以上兩式，即得

可見(jiàn)，容柵傳感器的輸出電壓是一頻率與發(fā)射電壓相同的正弦電壓，其幅值在很小范圍內(nèi)變化，可近似看作一常數(shù)，而相位比V1超前了π/4+φ(x)。相位移 φ(x)可采用鑒相型測(cè)量電路測(cè)出，即可得到相對(duì)位移x，可見(jiàn)容柵傳感器是一種相位跟蹤型的位移傳感器，這種傳感器對(duì)輸入信號(hào)的幅值變化不敏感，故具有較好的抗干擾能力。

在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中，容柵傳感器的主要作用是把機(jī)械位移量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的相位變化量，然后送給測(cè)量電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。容柵傳感器通過(guò)精密電壓比較器 TLC354進(jìn)行控制，由繼電器供電，由CPU89C52提供所需的激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)接收其感應(yīng)信號(hào)，并通過(guò)鑒相型電路測(cè)量出激勵(lì)信號(hào)與感應(yīng)信號(hào)的相位差，經(jīng)過(guò)一系列的變化，即可得出活塞移動(dòng)的長(zhǎng)度距離。

2 光電開(kāi)關(guān)

在設(shè)計(jì)中，為了兼容多個(gè)廠家的注射器，我們專門考慮了測(cè)量注射器直徑的問(wèn)題。最初是選用高精度的CCD光學(xué)傳感器，但是考慮到主要的功能為檢測(cè)注射器的直徑，而不同型號(hào)的注射器直徑具有階躍性的特點(diǎn)，為了降低成本，我們將其換成了光電.

光電開(kāi)關(guān)是一種電量傳感器，它把發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，即進(jìn)行電信號(hào)→光信號(hào)→電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以此來(lái)達(dá)到探測(cè)的目的。由于光電開(kāi)關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔離的(即電緣絕)，所以它可以在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用。其工作原理如圖2所示。

在本系統(tǒng)中我們選用光電開(kāi)關(guān)的型號(hào)為HY-301-05，當(dāng)鎖定注射器的閥門被提起，分別提到不同高度時(shí)，通過(guò)對(duì)光電開(kāi)光的遮攔而讀出注射器的直徑。

3 壓力傳感器

壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)的壓電傳感器。目前，壓力傳感器的種類很多，有振動(dòng)筒式、石英波登管式、壓阻式、應(yīng)變片式等。本系統(tǒng)中采用的是電阻式壓力傳感器，其工作原理是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值，通過(guò)測(cè)量此電阻值達(dá)到測(cè)量非電量的目的。傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式壓力傳感器是一種由敏感柵和彈性敏感元件組合起來(lái)的傳感器，如圖3所示。

應(yīng)變片用粘合劑粘貼在彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件受到外施壓力作用時(shí)，將產(chǎn)生應(yīng)變，電阻應(yīng)變片將它們轉(zhuǎn)換成電阻變化，再通過(guò)電橋電路及補(bǔ)償電路輸出電信號(hào)。

在產(chǎn)品中我們采用CZA-102的壓力傳感器，此傳感器的芯片具有精度高、漂移小、測(cè)試范圍大的特點(diǎn)，當(dāng)注射器的針頭的阻力大于正常值時(shí)，壓力傳感器即可檢測(cè)到電壓信號(hào)的變化，然后經(jīng)過(guò)放大，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

圖4為壓力傳感器的應(yīng)用電路圖，該電路采用的電橋構(gòu)成測(cè)量電壓，是一種具有較高靈敏度的測(cè)量方法。無(wú)差壓時(shí)，電橋兩臂平等。差壓信號(hào)加到4個(gè)陶瓷壓敏電阻上，壓敏電阻的阻值隨差壓而變化，引起電橋失衡。電橋失衡引起電流的變化，通過(guò)運(yùn)放LM2904進(jìn)行電流的放大在后面接ADC0834模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再傳輸至CPU進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在比較國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有微量注射泵存在的不足的基礎(chǔ)上，研究了傳感器在微量注射泵中的一些新的應(yīng)用。通過(guò)這些應(yīng)用，成功地提高了注射精度，降低了成本，其適用范圍廣及功能全面等特點(diǎn)使得市場(chǎng)前景十分廣泛。