IVD设备液面探测应用实例

液面探测在全自动医疗设备领域几乎已经成为了必须功能，在全自动医疗设备的加样移液过程中，都需要检测探针是否接触到试剂液面，以此作为设备系统进入下一步工作的依据。为了提高检测速度, 目前大部分IVD仪器采用多路液面检测以提高系统工作效率，设备在日常工作中这一液面探测功能会被成千上万次使用，一旦液面探测出现任何偏差就会出现撞针、试剂交叉污染等设备异常运行状态，如何保证多路液面探测有序、稳定、高效地工作也成为全自动医疗设备研发人员的一个工作重点与难点。

在《医疗设备液面探测方案：电容式液位传感器》一文中，已经详细介绍了电容式液位传感器PCS0902相对于传统液面检测方案的不同及几大优势，获得了广大IVD设备厂商的认可。从厂家试样到批量化用于设备生产过程中，我们收到很多工程师关于PCS0902液面探测模块的使用问题，这些疑问大同小异，本文将结合某IVD设备厂商从拿到模块，到最终成功批量化应用的成功项目实例，对某些普遍问题进行分析解答。

此项目实例为全自动免疫分析设备的试剂液面探测应用实例，文章将从初次实验的不理想效果开始，描述到最终达到预期效果的整个过程。

初次测试：

测试方式及工具：采用PCS0902电容式液面探测模块单端模式一进行检测，线缆芯线接单层探针, 上位机电脑上运行谱思公司的PUSICAN工具软件进行实时波形监控。

探测示意图：

实验环境图：

实验试剂：苏木素

    苏木素是从洋苏木中提取的一种染色剂，它在被氧化后生成苏木精，同媒染剂（常用的是三价的铁或铝的盐）一起使用，能够使细胞核染色。苏木素是一种碱性染料

特性：

分子结构：

设备搭建好，初次开机后空针电容值探测曲线图：电容值波动较大，并且不在零位线

点击空针较准后空针情况电容值探测曲线图：电容值回到零位线附近，但波动依然较大

探测试剂为苏木素时电容值曲线变化图：电容值变化很小，只有2pF左右

反复探测苏木素试剂，电容值变化曲线图：

初次实验效果不太理想，除上面描述的问题以外，还存在一些其他问题，但经过分析改进后，最终得到如下图的理想探测波形，实现产品在设备上的批量化应用。从初次测试效果很不理想，到最终的期望效果，我们总结了如下几点主要影响因素, 以下详述改进过程。

影响因素一、模块供电对检测值的影响：

在实验一中，仅用设备主板的5V供电口为模块供电，空针较准后得到的空针检测波形如下：

可以看到空针时的电容检测值波动比较大，检测值不稳定。

改进方式：将模块供电电源与其他系统部件供电分开，改为标准单一的稳压5V供电，将PCS0902模块电源地、设备电源供电地与设备机架地共地处理，之后得到的空针检测值波形如下：

两图对比可以看到，空针检测值波动有明显减小。

另外还有一个客户, 在测试时使用的劣质5V开关电源, 而且将屏蔽层与金属机架接触, 上电后看到的电容波形已经不能用纹波来形容了:

为了对比电源的影响程度, 客户采用纯净电源(电池供电)后的对比波形如下:

关于屏蔽层信号的连接, 我们可以从PCS0902电容式检测模块的内部信号图来分析：

该图表示了模块的外层屏蔽信号和芯线信号，从此原理图可以知道，使用模块时并不是简单的外层屏蔽信号接地，也不是屏蔽层之间接地，而是应该机架接地。

影响因素二、加样针固定材料对检测值的影响

上图红色圈内为实验一中，单层探针固定基座，材料为POM，这种固定材料的介电常数相对较高，会造成电容检测值波动大，基础电容值高，建议采用聚酰亚胺作为探针固定材料。

介电常数又称电容率或相对电容率，表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据，常用ε表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。空气和CS2的ε值分别为1.0006和2.6左右，而水的ε值较大，10℃时为 83.83。

根据物质的介电常数可以判别高分子材料的极性大小。通常，相对介电常数大于3.6的物质为极性物质；相对介电常数在2.8~3.6范围内的物质为弱极性物质；相对介电常数小于2.8为非极性物质。

同理，我们根据高分子材料的极性也可以大致推测材料介电常数大小，极性基团多，介电常数高，极性基团少，介电常数小。

下面是常见绝缘材料的介电常数大小：

        在使用PCS0902液位探测模块配合探针进行试剂电容值检测时，需要选用介电常数尽量小的绝缘材料用作探针与金属机架之间的固定材料。

影响因素三、探针类型对电容检测值的影响

其他条件相同，不使用探针，直接用谱思公司随货提供的同轴线缆代替探针，线缆芯线接触液面如图：

探测波形如下：探测波形非常稳定

使用带屏蔽层双层探针，探测波形如下：

使用不带屏蔽层的单层探针，探测波形如下：

由波形对比可知，在不使用探针直接用同轴线缆探测时，信号探测值最稳定，使用双层探针、单层探针，探测效果依次下降。检测信号从探测终端传输到PCS0902模块的过程中，对检测信号的屏蔽保护尤为重要。因此建议设备厂商采用带屏蔽层的双层探针，并尽量减小检测信号的传输距离，避免不必要的信号干扰。

影响因素四、在系统管路中有液体时（主要指探针内部及与探针相连的后端管路有清洗液或其他液体），探针管路与探针后端管路是否有用阀断开，对电容检测值的影响

管路中灌注清洗液，接上双层屏蔽探针，并在探针管路与后端液路之间加电磁阀控制液路通断，探针与电磁阀安装如下图:

      

在电磁阀打开，探针液路与后端液路接通时，测得波形如下：空针信号大约33pf，信号变化幅度为4pf

电磁阀关闭，前端液路与后端液路切断时，检测值波形如下：

由两图对比可知，在系统管路中灌注液体后，探针前端液路是否与探针后端液路导通，对电容检测值影响特别大。造成此种现象的主要原理是液体中的导电离子(在大部分清洗液中都会有导电离子)，导致探针和系统后端连成了一体，严重影响电容检测值。

影响因素五、探针前端液路与后端液路接通时，探针前端液路中，清洗液是否与探测液之间有空气柱对检测值的影响。

电磁阀关闭，前端液路与后端液路断开，探针前端液路中，清洗液与探测液之间无空气柱断开，对试剂进行探测，检测值波形如下：试剂探测值与空针检测值无法区分

电磁阀关闭，前端液路与后端液路断开，探针前端液路中，清洗液与探测液之间有200ml空气柱，对试剂进行探测，检测值波形如下：试剂探测值与空针检测值可以区分

两图对比可知，电磁阀关闭，系统前端液路与后端液路断开时，前端液路中是否有空气柱在清洗液与探测试剂之间进行阻断，对探测值得影响非常大，有空气柱阻断探测效果会好很多，此种波形最终达到设备要求。

因此，在使用电容式检测模块PCS0902配合探针对试剂进行探测时，首先需要设计合理的检测流程，此处推荐一种成功的探测流程作为参考（不同设备可能有细微差异）：

1、打开阀门，导入清洗液，对探针进行冲洗；

2、保持阀门打开，吸取固定的空气体积，方便后续与测试液体之间形成空气柱，防止混液。这个体积一般为20uL；

3、关闭阀门，切断后端清洗液池的连接，这个步骤是为了防止后端大量清洗液对探针前端测试电容值的影响，因为清洗液是带电离子；

4、空针校准；

5、吸取测试液体，测试电容值；

6、测试液体完成后，将测试液体放入反应试管中，然后打开阀门，对探针用清洗液进行清洗；

7、第二次测试的时候重复上述步骤，但是此时可以减去空针校准环节，因为第二次探针前端剩余的清洗液的电容值和第一次基本是一致的，所以探针前端到阀之间的长度L尽量越小越好，越小的话，测试产生的漂移就越小。

影响因素六、大功率干扰源对电容检测值的影响

       在客户反馈的众多问题中，我们也有发现大功率器件对检测值造成影响的问题.

       实验环境如下：

 

       在大功率泵工作时，空针测得波形如下：

 

      客户换了多家液位检测模块和探针连接方法, 均无法有效去除掉这种强干扰. 最后客户在谱思的工程师协助下, 修改了PCS0902模块的滤波器参数， 将干扰信号的特定频率滤掉, 更新固件之后, 当大功率泵工作时，空针检测波形如下：

从波形图可以看出，修改固件滤波器参数后，干扰明显减弱。这个案例反映了PCS0902电容检测模块的算法灵活性, 不同于一些采用集成液位芯片的解决方案, PCS0902基于纯软件算法, 如下图:

因此在这种情形下, 可以根据客户实际的机架分布电容和固有的干扰特性, 来调整和修改滤波器参数, 从而获得独特的检测效果，工程师首先通过pusican工具, 获得设备的干扰频率特性, 然后再对应修改参数,  最后获得理想的检测波形.

       数字滤波器信号图如下：

影响因素七、不同探测试剂对电容检测值的影响

在避免以上五大影响因素可能带来问题的情况下，分别检测相同体积不同试剂得到的波形图如下：

检测试剂为一抗时波形如下：

检测试剂为苏木素是波形如下：

检测试剂为DAB稀释液时波形如下:

检测试剂为DAB浓缩液时波形如下：

检测试剂为增强剂时波形如下：

从图可以看出，不同试剂得到的检测波形会有所不同，主要原因就是不同的试剂会有不同的介电常数，介电常数值越高，越容易被检测。