基于光電開(kāi)關(guān)的輸液瓶液位監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

金 星,潘 玲

（1.遵義師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，貴州遵義563002；2.遵義醫(yī)學(xué)院 附屬醫(yī)院，貴州遵義563000）

基于光電開(kāi)關(guān)的輸液瓶液位監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

金 星1,潘 玲2

（1.遵義師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，貴州遵義563002；2.遵義醫(yī)學(xué)院 附屬醫(yī)院，貴州遵義563000）

設(shè)計(jì)了一種輸液瓶液位監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以光的折射原理為基礎(chǔ)，將光電開(kāi)關(guān)與透鏡結(jié)合到一起，當(dāng)輸液瓶中的液位到達(dá)警戒位置時(shí)，光電開(kāi)關(guān)輸出的微弱信號(hào)經(jīng)放大器放大和比較器濾除干擾信號(hào)后輸出高電平，觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，以此來(lái)提醒醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行相應(yīng)處理。系統(tǒng)靈敏度高，成本低，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

光電開(kāi)關(guān)；輸液瓶；液位；監(jiān)測(cè)；聲光報(bào)警

輸液，又名打點(diǎn)滴或者掛水，是臨床醫(yī)學(xué)不可缺少的治療手段之一。病人輸液時(shí)，如果沒(méi)有醫(yī)護(hù)人員的看護(hù)，可能面臨液體輸完后空氣進(jìn)入血管和血液回流的危險(xiǎn)；如果醫(yī)護(hù)人員一直在旁守護(hù)，又會(huì)造成不必要的人員浪費(fèi)[1]。因此，輸液瓶的液位監(jiān)測(cè)具有實(shí)際的應(yīng)用意義，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)控輸液瓶?jī)?nèi)的液體余量。

本文設(shè)計(jì)了一種輸液瓶液位監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到剩余液體液面低于設(shè)定的液面時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光警報(bào)，提醒醫(yī)護(hù)人員及時(shí)處理，避免輸液瓶?jī)?nèi)的液體流完而導(dǎo)致的危險(xiǎn)。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 光的直線傳播和折射原理

（1）光的直線傳播

光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播，通常簡(jiǎn)稱(chēng)光的直線傳播。

（2）光的折射原理

光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生改變，從而使光線在不同介質(zhì)的交界處發(fā)生偏折，這就是光的折射現(xiàn)象，折射原理如圖1所示。如光從空氣中射入水中，則存在如下規(guī)律：

式中，i為入射角；r為折射角；v1為光在空氣中的傳播速度；v2為光在水中的傳播速度；n為折射率。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

在本設(shè)計(jì)中，采用光的直線傳播和折射原理實(shí)現(xiàn)輸液瓶液面監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)在臨床醫(yī)學(xué)中廣泛采用聚丙烯塑料輸液瓶，由于塑料瓶的壁厚在實(shí)際情況中對(duì)光路的影響極小，本文忽略不計(jì)。取塑料瓶的縱向截面進(jìn)行觀察，在兩側(cè)瓶壁上分別安置發(fā)光源和受光器，并且發(fā)光源和受光器的連線與水平線成一定夾角。

如圖2所示，根據(jù)光的直線傳播原理，初始狀態(tài)下，瓶?jī)?nèi)充滿液體，發(fā)光源發(fā)出的光線沿直線照射到受光器上，受光器信號(hào)無(wú)變化，系統(tǒng)處于靜默狀態(tài)。

如圖3所示，根據(jù)光的折射原理，當(dāng)液面下降到發(fā)光源與受光器連線之間時(shí)，光線在液面處發(fā)生折射并偏離初始路線，受光器失去光照，從而引起信號(hào)端電位變化，觸發(fā)系統(tǒng)啟動(dòng)聲光報(bào)警。

2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)采用對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)工作原理，把發(fā)射端和接收端之間光線的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測(cè)的目的。系統(tǒng)由發(fā)光源、受光器和檢測(cè)電路三部分組成。系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，科技是突破產(chǎn)業(yè)發(fā)展桎梏的重要武器。人是生產(chǎn)力中最具決定性的力量。企業(yè)要加快構(gòu)建“政用產(chǎn)學(xué)研”的創(chuàng)新合作體系，加大特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)與高校、職業(yè)院校的合作力度，既要培養(yǎng)引領(lǐng)創(chuàng)新發(fā)展的高素質(zhì)人才，也要培養(yǎng)技術(shù)一流的生產(chǎn)線工人，還要培養(yǎng)通曉國(guó)際慣例的涉外人才，采取多重優(yōu)惠政策和激勵(lì)機(jī)制吸引國(guó)外的高端復(fù)合型人才，為青海的發(fā)展提供人才支撐。

在發(fā)光器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光二極管（LED）發(fā)光，對(duì)準(zhǔn)受光器發(fā)射光束，光束不間斷地發(fā)射。受光器為光電三極管，當(dāng)光束照射到受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，并由輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電-光-電的轉(zhuǎn)換，在其后面的是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)，并應(yīng)用該信號(hào)觸發(fā)聲光報(bào)警裝置。

由于發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的光是散射光，因此，在發(fā)光源和受光器的前面裝有光學(xué)透鏡，以便更好的聚光和濾除干擾光。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)應(yīng)符合以下幾方面要求：光源指向性好、有足夠的穿透力,并不能破壞藥液的成分；系統(tǒng)啟動(dòng)操作簡(jiǎn)單迅速；堅(jiān)固、耐震，耐用。

3.1 發(fā)光源

發(fā)光二極管(Light-EmittingDiode，LED)是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件，它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能，具有效率高、壽命長(zhǎng)、不易破損、開(kāi)關(guān)速度快、高可靠性等傳統(tǒng)光源不及的優(yōu)點(diǎn)[2]。相比傳統(tǒng)照明，LED具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和較低的能耗，是一種節(jié)能環(huán)保的發(fā)光器件[3]。

LED的種類(lèi)繁多，依發(fā)光波長(zhǎng)大致分為可見(jiàn)光與不可見(jiàn)光兩類(lèi)；按發(fā)光強(qiáng)度角分布圖分為高指向型、普通型和散射型三類(lèi)[4]。

根據(jù)系統(tǒng)要求，發(fā)光源采用高指向型不可見(jiàn)光LED，它可以將電能直接轉(zhuǎn)換成紅外光（不可見(jiàn)光）并能輻射出去[5]，光強(qiáng)半值角為5°～20°，波長(zhǎng)852～1550nm。

如圖5所示，發(fā)光源電路采用3V直流供電，為保證流過(guò)LED電流的一致性和電壓的穩(wěn)定性，由Q1和Q2組成整流穩(wěn)壓電路，采用單顆LED作為發(fā)光源。整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，光照連續(xù)穩(wěn)定。

雖然已經(jīng)采用高指向型LED，但為了保證光路一致性，所以在LED前放置一塊凸透鏡，以此來(lái)保證良好的聚光效果，聚光模擬圖如圖6所示。

3.2 受光器

受光器的作用是接收發(fā)光源發(fā)出的紅外光，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后通過(guò)運(yùn)算放大器放大輸出。本文采用光電三極管作為受光器的主要元件。

光電三極管是在光電二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的光電器件[6]。它不但能實(shí)現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換，還能放大光電流，靈敏度比光電二極管高[7]，輸出的光電流經(jīng)過(guò)放大電路后可以直接由各種處理器接收。它具有抗干擾性好、隔噪聲、響應(yīng)快、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

受光器電路圖如圖7所示，在光電三極管前端安置光學(xué)透鏡（圖中未畫(huà)出）聚光并過(guò)濾掉外部干涉光，光敏三極管將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大器放大后輸出。當(dāng)發(fā)光源發(fā)出的光直接照射到受光器時(shí)，光電三極管導(dǎo)通，輸出電壓較低，經(jīng)過(guò)比較器后輸出低電平，報(bào)警系統(tǒng)處于靜默狀態(tài)；當(dāng)液面下降到發(fā)光源與受光器連線之間時(shí)，發(fā)光源發(fā)出的光線由于液面折射作用發(fā)生偏移，光電三極管接收到的光線強(qiáng)度不足以使其導(dǎo)通，輸出的電壓增高，經(jīng)過(guò)比較器后輸出高電平，使得報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警。

3.3 聲光報(bào)警

如圖8所示，當(dāng)報(bào)警電路接收到受光器輸出的高電平時(shí)，觸發(fā)報(bào)警電路工作，電信號(hào)經(jīng)三極管放大，推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲響，同時(shí)控制紅色超高亮發(fā)光二極管發(fā)出光信號(hào)，以此提醒醫(yī)護(hù)人員采取處理措施。我們還可以在電路中加入定時(shí)電路，實(shí)現(xiàn)間隔報(bào)警聲和閃爍光信號(hào)，以增強(qiáng)警示效果。

報(bào)警系統(tǒng)既可以安裝在病房，也可以安裝在護(hù)士站，在保證病人輸液安全的基礎(chǔ)上，提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于光的折射原理，將光電開(kāi)關(guān)與透鏡整合到一起，設(shè)計(jì)出靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、方便靈活的輸液瓶液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)所需元件簡(jiǎn)單、體積小，成品可封裝在U型夾具上，使用時(shí)可按需固定在輸液瓶的瓶頸或瓶身的任意位置；可利用多芯雙絞線，按照結(jié)構(gòu)化布線要求進(jìn)行大范圍安裝，達(dá)到規(guī)?；褂眯枨螅幌到y(tǒng)原理簡(jiǎn)單，成本低廉，便于維護(hù)，除了在輸液領(lǐng)域，還可用于多種領(lǐng)域的液位監(jiān)測(cè)，具有很好的生產(chǎn)推廣價(jià)值。

[1]吳誤,張小洪.模擬輸液瓶液位測(cè)量及報(bào)警系統(tǒng)[J].中國(guó)西部科技,2010,(8)：45-47.

[2]夏繼軍,江仁杰.半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的應(yīng)用及發(fā)展前途[J].湖南農(nóng)機(jī),2007,(5)：17-18.

[3]戴麗昕.照明的綠色革命[N].上?？萍紙?bào),2007-03-28.

[4]任鳳娟.基于LabVIEW的LED特性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].焦作：河南理工大學(xué),2010.

[5]劉全恩.LED的原理、術(shù)語(yǔ)、性能及應(yīng)用[J].電視技術(shù),2012, (24)：52-59.

[6]任致程.怎樣選用元器件講座(三)光電三極管[J].家庭電子, 1997,(3)：43.

[7]馬繼瑞.手把手教你學(xué)習(xí)單片機(jī)(3)[J].電子制作,2007,(10)：60-63.

（責(zé)任編輯：朱彬）

The Monitoring and Alarm System of Infusion Bottle Liquid Level Based on the Photoelectric Switch

JIN Xing1,PAN Ling2
(1.Physics and MechanicaL&Electrical Engineering Institution，Zunyi Normal College,Zuniyi 563002,China;2.Affiliated Hospital of Zuiyi Medical College,Zuniyi 563000,China)

This paper designs a kind of monitoring and alarm system of infusion bottle liquid level.This system is based on the principle of light refraction and combines photoelectric switch with optical lens,when the liquid level in the infusion bottle reaches to the alert position,the weak signal exported by the photoelectric switch is enlarged through enlarger and filtered out interfering signals through comparer and exports the high electrical level,then it trigger the alarm system to send out audible alarm and in order to remind the medical staff to deal with the matter.The system has high sensitivity,low cost and good application value.

photoelectric switch;infusion bottle;liquid level;monitoring;audible alarm

TH247

A

1009-3583（2014）-0078-03

2014-04-13

貴州省科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目（黔科合J字LKZS[2014]11號(hào)）;貴州省省級(jí)重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（黔學(xué)位辦[2013]18號(hào)）;貴州省教育廳產(chǎn)學(xué)研基地項(xiàng)目（黔教合KY字[2013]127號(hào)）

金 星，男，貴州遵義人，遵義師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院副教授，碩士，主要從事自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)方面的教學(xué)和研究。