在血液分析仪、体外诊断体系和其他许多化学分析运用中，液体有必要从一个容器中转移到另一个，以便将样本从试管中、或许将试剂从瓶中汲取出来。 这些实验室体系常常需求处理很多样本，因而尽或许缩短处理时刻很重要。 为了进步功率，用来汲取样本的探针有必要快速移动，因而有必要准确地定位探针与所要汲取液体外表的相对方位。 本文演示了电容数字转换器（CDC）的一种新颖运用办法，运用该办法可信心十足地完结这项作业。
CDC 技能
本质上，Σ-Δ型 ADC 运用简略的电荷平衡电路，将数值已知的基准电压以及数值不知道的输入电压施加于固定片内输入电容上。 电荷平衡确认不知道输入电压。 Σ-Δ型 CDC 有所不同，其不知道值为输入电容。 将已知的鼓励电压施加于输入，且电荷平衡检测不知道电容的改动，如图 1 所示。CDC 将保存 ADC 的分辨率和线性度。
图 1. 根本 CDC 架构
集成式 CDC 通过两种办法布置。 单通道 AD7745 和双通道 AD7746 24 位 CDC 与电容一起作业，该电容的一个电极衔接鼓励输出，另一个衔接 CDC 输入。 单电极器材——如集成温度传感器的 24 位 CDCAD7747 或 16 位 CapTouch™可编程操控器 AD7147 可针对同一个电极施加鼓励并读取电容值。 另一个接地的电极可所以实在电极，也可所以触摸屏上的用户手指。 两种类型的 CDC 均可用作电平检测。
电容
在最简略的方式下，电容能够描绘为两块平行板之间的电介质资料。 电容值随平行板面积、两板间隔和介电常数的改动而改动。 运用这些变量，能够丈量十分规电容的改动值，确认探针相对液体外表的方位。
在本运用中，电容由导电板组成，该板坐落试管或移动探针的下方，如图 2 所示。鼓励信号施加于一个电极，另一个衔接 CDC 输入。 不管哪个电极衔接鼓励信号、哪个电极衔接 CDC 输入，测得的电容都相同。 电容肯定值取决于板和探针的尺度、电介质的组成成分、探针与板之间的间隔以及其他环境要素。 留意，电介质包含空气、试管和其间的液体。 此运用运用探针挨近板（更重要的是，挨近液体外表）时混合电介质产生改动的特性。
图 2. 电平检测体系框图
图 3 显现电容值随探针挨近枯燥试管而添加。 通过调查可知，该改动是幂级数函数（二次方程），但系数随液体而改动。 比较空气，液体具有高得多的介电常数，因而液体占电介质的份额越高，电容就上升越快。
图 3. 枯燥试管的电容丈量
当探针十分挨近液体外表时，测得的电容值加快上升，如图 4 所示。这一较大的改动可用来确认挨近液体外表的程度。
图 4. 充盈试管的电容丈量
归一化数据
通过归一化数据，可更好地确认液位。 若探针相对某些参照点的方位准确已知，则体系可在无液体存在的状况下，在多个方位进行特性描绘。 一旦体系完结特性描绘，则挨近液体外表过程中搜集的数据便可通过从挨近数据中减去枯燥数据进行归一化处理，如图 5 所示。
图 5. 归一化电容丈量
除了温度、湿度和其他环境改动外，归一化还可移除电容丈量的体系性要素。 电极尺度、探针与板之间的间隔以及空气和试管的电介质效应均不影响丈量。 此刻，数据标明向混合电介质中参加液体的效应，使挨近操控变得更便利、更连接。
可是，无法在所有状况下运用归一化数据。 例如，运动操控体系或许不行准确，无法精准定位；又或许电机操控器的通讯链路相对 CDC 输出速率而言较慢。 就算归一化数据不可用，本文描绘的办法仍然可行。
运用斜率和断续
如图所示，跟着探针挨近液体外表，测得的电容加快添加，但无法便利地运用此信息操控探针挨近外表时的速度。 当充盈水平较低时，原始电容值将高于容器充盈水平较高时的电容值。 运用归一化数据，则状况相反。 这为寻觅阈值添加了难度——此阈值可在恰当机遇触发，改动探针速度。
斜率（或电容的改动率）与方位改动之间的联系可用于存在肯定电容的状况。 以安稳速度移动探针时，斜率能通过下一个电容读数减去上一个而近似。 如图 6 所示，斜率数据的体现方式与原始电容数据共同。
图 6. 运用归一化电容的斜率数据
原始或归一化电容读数的斜率在可变充盈水平下比读数自身要远为共同，且不管何种充盈水平下，找到斜率的阈值相对而言更为简略。 斜率数据比电容数据略为噪杂，因而对其求均值将很有用。 当核算得到的斜率值上升至噪声以上时，探针十分挨近液体外表。 运用这种办法能够创立十分安稳的挨近曲线。
目前为止触及的数据都标明跟着探针挨近液体外表，体系的体现怎么；但这种办法的一个重要特性将在探针触摸液体时变得更显着。 在该点处产生了很多的断续，如图 7 所示。这并非像触摸后数据点所显现的那样为电容曲线正常加快的一部分。 该点处的电容读数是触摸前读数的两倍多。 这种联系或许会跟着体系配置而改动，但它是安稳而共同的。 断续的尺度巨细使寻觅电容阈值变得相对简略，通过该阈值便能牢靠地指示打破液体外表的程度。 本运用的方针之一就是将探针刺进液体已知的短间隔，因而这种特性很重要。
图 7. 液体外表的断续
若要使吞吐速率最大，探针应以或许的最高速度移动，一起尽量削减探针被推动的太远而形成损坏的风险。 有时候或许不供给高精度电机操控体系，因而该解决计划有必要要能在无法得知探针准确方位的状况下作业。 目前为止，咱们评论的丈量办法能够让您信心十足地完结这项作业。
办法
图 8 所示的流程图列出了挨近液体时选用的技能。
探针以能到达的最高速度移动，直到极端挨近液体外表。 依据方位信息、现有的核算才干以及预先表征体系的才干，该点可通过幂级数核算、电容阈值或电容曲线的斜率确认，如本文所述。 对数据求均值可更牢靠地确认该点。 对电容数据进行归一化也能添加体系的牢靠性。
当探针满足挨近外表时，探针速度大幅下降，以便终究挨近液体外表。 为使功率最大化，该点应尽量挨近外表，但在穿透液体外表之前挨近速度有必要下降，以确保探针中止移动之前对穿刺间隔具有杰出的操控。
与液体外表的触摸可运用电容值并通过该点的断续程度加以确认（如本文所述），也可通过电容曲线斜率确认。 求均值可下降噪声，但不履行该操作也能牢靠地检测出较大的偏移。 归一化电容数据可改进安稳性，但其影响不如挨近阶段那么大。
随后，便可将探针驱至外表以下的预订间隔。 具有精细电机操控才干时，这很简略做到。 若无精细电机操控，可预算速度，且探针可移动一段固定的时刻。
图 8. 简化操控流程图
穿透液体之后，会得到电容读数的两个特性数据。 首要，跟着探针在液体中移动，丈量值的改动相对较小。 尽管咱们希望安稳改动速率有助于确认穿透深度，但并未调查到这样的现象。 其次，不同液位下的丈量值改动极小，如图 9 所示。穿透灌满的试管与穿透简直为空的试管之后，测得的电容值根本相同。
图 9. 电容与液位的联系
可是，归一化的数据却有所不同。 跟着液位的下降，归一化电容值也随之下降。 若要在牢靠的方位数据不可用的状况下确认液位是否下降，那么这种特性或许会有所协助。
穿透液体外表之后，探针需求多少时刻才干中止取决于包含电机操控体系自身在内的几个要素，但一条通过细心研讨的挨近曲线可确保严格操控探针，并使探针速度最大化。 实验室中，探针以最大速度在两个电容读数之间移动约 0.45 mm，可在穿透外表 0.25 mm 间隔之内中止。 若采样速率更高且探针在两个样本之间移动大约 0.085 mm，则它可在间隔液体外表 0.05 mm 间隔之内中止。 不管何种状况，探针均以最大速度作业，直到间隔液体外表大约 1 mm 至 3 mm 处，然后供给最高功率和吞吐速率。
定论
这种打破传统运用集成式电容数字转换器的办法供给了一种简略而安稳的电平检测解决计划。 挨近曲线一起运用电容和斜率丈量操控探针的运动。 备用布置计划具有更高的安稳性，或许供给更多信息。 本解决计划可在穿透外表后快速牢靠地使探针中止移动，一起尽或许以最高探针速度移动至终究方位。 本文仅粗浅地描绘了 CDC 技能用于电平检测的状况。 经验丰富的工程师能够本文的思路作为起点，针对特定运用环境对本解决计划加以改进。
责任编辑:pj
