基于HY-301-05開關(guān)芯片和容柵傳感器實現(xiàn)微量注射泵系統(tǒng)的應(yīng)用方案

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，長時問進(jìn)行均勻微量注射的儀器?，F(xiàn)今國內(nèi)外微量注射泵面臨的難點是精度不夠和成本比較高。國內(nèi)同類產(chǎn)品采用軟件控制注射的精度，這導(dǎo)致儀器容錯性很差，并且只能使用單一廠家的注射器。而國外同類產(chǎn)品采用電位計控制注射的精度，要達(dá)到相對高的精度則對電位計的要求很高。

傳感器是一種能感受或響應(yīng)規(guī)定的被測量物理量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置，它可將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供檢測的電信號，并將各種參量送入計算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行智能監(jiān)測、控制，是測量系統(tǒng)中的一種前置部件。近年來，傳感器的應(yīng)用正朝著兩個方向發(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)傳感器的測量精度和可靠性，又提高微處理機(jī)的運算精度，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、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、自然災(zāi)害預(yù)報、醫(yī)療保健以及癌癥診斷等各個領(lǐng)域。

本文研究了幾種傳感器在測量中的應(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，成功地提高了注射精度，并兼容多個廠家的注射器，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)簡單、分辨率和準(zhǔn)確度高、測量速度快、功耗小、成本低、對使用環(huán)境要求不高等突出的特點，因此在電子測量技術(shù)中占有十分重要的地位。隨著測量技術(shù)向精密化、高速化、自動化、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)用越來越廣泛。

本系統(tǒng)中主要是對直線位移的測量，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，如果把隨時間變化的周期信號，通過電子電路的控制，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)信號將與該瞬間加載的激勵信號具有相同的相位分布。

容柵傳感器動?xùn)?、定柵各極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?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，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，動?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)的輸入信號源直接接入“地”，對傳感器的輸出信號不產(chǎn)生影響，可是為了導(dǎo)出φ（x）（φ（x）為傳感器的輸出信號相對于某一驅(qū)動信號的相位移）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“地” 形成電容，而仍把它們看作對定柵板形成電容，只不過此時它們的電容量為零而已。由于這些電容量為零，則其阻抗為無窮大。相應(yīng)的信號源全部落在這些電容上，同樣，對傳感器的輸出信號無影響。

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路信號中的第1路信號的相位為參考值，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，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）可采用鑒相型測量電路測出，即可得到相對位移x，可見容柵傳感器是一種相位跟蹤型的位移傳感器，這種傳感器對輸入信號的幅值變化不敏感，故具有較好的抗干擾能力。

在整個測量系統(tǒng)中，容柵傳感器的主要作用是把機(jī)械位移量轉(zhuǎn)變成電信號的相位變化量，然后送給測量電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。容柵傳感器通過精密電壓比較器 TLC354進(jìn)行控制，由繼電器供電，由CPU89C52提供所需的激勵信號，同時接收其感應(yīng)信號，并通過鑒相型電路測量出激勵信號與感應(yīng)信號的相位差，經(jīng)過一系列的變化，即可得出活塞移動的長度距離。

2 光電開關(guān)

在設(shè)計中，為了兼容多個廠家的注射器，我們專門考慮了測量注射器直徑的問題。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注射器的直徑，而不同型號的注射器直徑具有階躍性的特點，為了降低成本，我們將其換成了光電接近開關(guān)。

光電開關(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→光信號→電信號的轉(zhuǎn)換，以此來達(dá)到探測的目的。由于光電開關(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)中我們選用光電開關(guān)的型號為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，通過對光電開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的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值，通過測量此電阻值達(dá)到測量非電量的目的。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，將產(chǎn)生應(yīng)變，電阻應(yīng)變片將它們轉(zhuǎn)換成電阻變化，再通過電橋電路及補(bǔ)償電路輸出電信號。

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、測試范圍大的特點，當(dāng)注射器的針頭的阻力大于正常值時，壓力傳感器即可檢測到電壓信號的變化，然后經(jīng)過放大，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

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)成測量電壓，是一種具有較高靈敏度的測量方法。無差壓時，電橋兩臂平等。差壓信號加到4個陶瓷壓敏電阻上，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，通過運放LM2904進(jìn)行電流的放大在后面接ADC0834模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再傳輸至CPU進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語

本文在比較國內(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使得市場前景十分廣泛。

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