临床检验仪器中液位检测技术的应用

马晓欢 郭阳宽 张晓青

（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192）

0.引言

液位检测技术是检测生物试剂和样本量的一项重要测量手段。在酶免分析仪、血凝分析仪、尿液分析仪等现代临床检验仪器中[1-2]，试剂和样本量的精确度直接影响后续检验结果的准确性[3]，所以液位检测就尤为重要。本文主要介绍了在临床检验仪器领域的液位检测方法，综述了各方法在临床检验仪器上的应用，最后总结并讨论了液位检测技术在仪器应用中的发展趋势。

1.临床检验仪器液位检测方法

液位检测方法[4]可分为接触式液位检测和非接触式液位检测。接触式液位检测方法主要有压力法、电容法等，非接触式液位检测方法主要包括超声波法、激光法等。

1.1 压力法液位检测

1986年，意大利Armando Prodosmo发明了一种通过气压传感器检测移液器管道内气压变化来判断液位高度，该方法为气压法，后被Hamilton 公司改称为压力法液位检测技术。在该方法的基础上，各大公司纷纷开发各具特色的压力法LLD技术。

2019年东南大学的学者[5]设计了一种基于压力传感器的液位检测系统用于检测临床测试处理平台上加样的液位高度。压敏膜在压力变化时会发生变形。该压力传感器具有高度的可靠性和敏感性。实时压力曲线变化图如图1所示。

图1 实时压力曲线变化图

2019年中国科学院苏州生物医学工程技术研究所的学者[6]基于气动置换技术，根据移液器内的实时压力变化，来计算液位高度以及吸液过程中异常情况的监测。采用位置-速度双闭环PID算法对直线步进电机进行精确控制。当接近目标位置时，电机逐渐减速，平稳停止，有效减缓电机运动惯性，提高液位检测的精确度。

1.2 电容法液位检测

1970 年，瑞士Greiner Electronic 公司首先将电容法引入检验仪器。电容法平行板式结构如图2[7]。加样针和容器下方基座分别作为两极，检测两极板间电容值。未接触时电容值为Ca，加样针向下运动，当接触到液面时电容值为Cb，通过Cb的大小来计算液位的高度。

图2 电容法平行板式结构

2012年湖南大学的学者利用双层针-平板电容器作为检测液位的传感器。在硬件上采用了电容匹配的方法，来保证整个振荡电路的稳定性。在软件上采取了自适应算法。软件硬件皆做进一步改进从而共同消除外界干扰对测量结果的影响，结构简单具有很强实用性。

2013年北京信息科技大学的学者基于探针式电容传感器利用电机控制加样针动态运动进行液位检测。不断快速切换电机正反转，完成加样针的小幅度上下等距离往返运动。有助于减小单方向的运动惯性以达到消除电机运动惯性对液位探测所带来的的影响，液位检测精度由±0.3mm提高到±0.1mm。

1.3 超声波法液位检测

2016年山东一家公司基于超声波法设计了一套全自动酶免液位检测系统。微处理器控制发出超声波信号，信号接收器接收液面反射回的超声波信号，并进行同步处理，实现试剂液位高度情况的精确检测。2020年湖南的一家公司设计了一款基于超声波法检测CS-VolumeCheck全自动微孔板的液位高度标准仪，多个超声波探头可同时检测多个微孔的液位高度和试剂体积，精可达0.1mm，响应时间低至0.7ms，最低可检测10ul液体。

1.4 激光法液位检测

2009年，天津大学的学者设计了一种基于激光反射原理以检测临床分析仪加样试剂液位高度的系统。光线与液面垂线成一定夹角照射到液面上，被液面反射到与液面平行并位于液面上方的接收器上，通过反射光点在传感器水平方向的位置反映出液面的高度。激光法液位检测原理图如图3。液面高度探测精度可达0.1mm。

图3 激光法液位检测原理图

2015年，广东的学者基于激光三角法原理，利用激光发射器发射激光束，高精度转角电机控制其从原点即垂直向下位置旋转角度直至位置传感器接收到反射信号，根据发射器旋转的角度计算出液位高度，检测精度可达0.1mm。

2.液位检测方法综合对比及趋势

随着自动化、智能化要求的推进，液位检测方法和技术也在逐步地改进和提高。但目前没有哪一种液位检测方法能够适应所有的介质和应用场景，应通过每种测量方法的特点和优势结合检测对象和检测环境等条件选择合适且实用的检测方法。表1 为几种不同液位检测方法性能比较表。

表1 液位方法性能比较表

液位检测技术必将向着高精度、适用范围广、低功耗、智能化方向发展，也将不断应用于生物医学等各种临床、生产及科研领域。

3.结论

文章综述了典型的四种液位检测方法在临床检验仪器中的应用，并分析了四种方法的特点。压力法和电容法液位检测技术在目前研究和应用较多。超声波法和激光法仍有很大的研究空间和发展前景。液位检测技术总体将向着更智能化、更高精度的方向发展。