【導讀】在血液分析儀、體外診斷系統(tǒng)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(tǒng)經(jīng)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(shù)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(shù)值已知的基準電壓以及數(shù)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(shù)的變化而改變。 利用這些變量，可以測量非常規(guī)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(huán)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(fā)生改變的特性。
圖2. 電平檢測系統(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(shù)據(jù)
通過歸一化數(shù)據(jù)，可更好地確定液位。 若探針相對某些參照點的位置精確已知，則系統(tǒng)可在無液體存在的情況下，在多個位置進行特性描述。 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(huán)境變化外，歸一化還可移除電容測量的系統(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效應均不影響測量。 此時，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。 例如，運動控制系統(tǒng)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(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(shù)據(jù)，則情況相反。 這為尋找閾值增加了難度——此閾值可在適當時機觸發(fā)，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(shù)減去上一個而近似。 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(shù)據(jù)比電容數(shù)據(jù)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(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；但這種方法的一個重要特性將在探針接觸液體時變得更明顯。 在該點處產(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(shù)是接觸前讀數(shù)的兩倍多。 這種關系可能會隨著系統(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(xù)
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(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(jù)位置信息、現(xiàn)有的計算能力以及預先表征系統(tǒng)的能力，該點可通過冪級數(shù)計算、電容閾值或電容曲線的斜率確定，如本文所述。 對數(shù)據(jù)求均值可更可靠地確定該點。 對電容數(shù)據(jù)進行歸一化也能增加系統(tǒng)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(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(shù)的兩個特性數(shù)據(jù)。 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(xiàn)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(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(tǒng)本身在內的幾個因素，但一條經(jīng)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(shù)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(tǒng)使用集成式電容數(shù)字轉換器的方法提供了一種簡單而穩(wěn)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(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，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(jīng)驗豐富的工程師可以本文的思路作為出發(fā)點，針對特定應用環(huán)境對本解決方案加以改進。
參考電路
電容數(shù)字轉換器
電路筆記CN0095：電容數(shù)字轉換器(CDC) AD7150用于近程傳感應用.
Jia, Ning. "醫(yī)療保健應用中的ADI電容數(shù)字轉換器技術." 模擬對話, 第46卷第2期，
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