密閉式醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)

黎 虹，李 光，付曉云，叢培田

（1.沈陽(yáng)工學(xué)院基礎(chǔ)課部，遼寧 撫順 113122；2.沈陽(yáng)計(jì)量測(cè)試院，遼寧 沈陽(yáng) 110179；3.沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

密閉式醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)

黎 虹1，李 光2，付曉云3，叢培田3

（1.沈陽(yáng)工學(xué)院基礎(chǔ)課部，遼寧 撫順 113122；2.沈陽(yáng)計(jì)量測(cè)試院，遼寧 沈陽(yáng) 110179；3.沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

針對(duì)當(dāng)前密閉式醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)量檢測(cè)難題，首次提出基于測(cè)振原理的密閉式醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由測(cè)振傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集器和上位機(jī)測(cè)速系統(tǒng)組成，測(cè)振傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量密閉式醫(yī)用離心機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路將振動(dòng)信號(hào)放大、跟蹤、濾波，數(shù)據(jù)采集器對(duì)信號(hào)高速采集然后通過(guò)USB傳輸?shù)缴衔粰C(jī)測(cè)速系統(tǒng)，并基于最小條件的識(shí)別理論進(jìn)行擬合、分析和處理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明：基于測(cè)振原理和最小條件系統(tǒng)識(shí)別法的轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)達(dá)到各種密閉式醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)量校準(zhǔn)要求，該系統(tǒng)具有檢測(cè)準(zhǔn)確度高、自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好和檢測(cè)方便等優(yōu)點(diǎn)，有很好的推廣前景。

密閉式醫(yī)用離心機(jī)；轉(zhuǎn)速；測(cè)振；自動(dòng)跟蹤濾波器；最小條件；計(jì)量

0 引 言

醫(yī)用高速離心機(jī)主要用于對(duì)生物細(xì)胞和人體血液等物質(zhì)進(jìn)行離心沉降處理，將生物細(xì)胞、生物大分子和血漿等微小顆粒進(jìn)行沉降，達(dá)到將待處理溶液提純、濃縮和分離的目的。醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果有非常重要的影響，因此精確測(cè)量其轉(zhuǎn)速具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法都需要在醫(yī)用離心機(jī)內(nèi)安裝傳感器，安裝過(guò)程復(fù)雜，而且不同類(lèi)型的醫(yī)用離心機(jī)安裝方法各異。查閱國(guó)內(nèi)外的研究文獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)密閉式醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量主要有光電式和磁電式2種轉(zhuǎn)速測(cè)量方法。趙毅峰等[1]提出了采用光電式轉(zhuǎn)速表來(lái)測(cè)量醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，該方法在離心機(jī)的任意轉(zhuǎn)動(dòng)臂上粘貼有反射標(biāo)記，并在強(qiáng)制開(kāi)蓋的狀態(tài)下測(cè)量離心機(jī)的轉(zhuǎn)速。該方法需拆解密閉式離心機(jī)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過(guò)程受光線強(qiáng)度以及轉(zhuǎn)速表靈敏度的限制很大[2]。因此，此種方法存在很大的安全隱患，且測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都較差。湖南大學(xué)提出了采用磁電式傳感器來(lái)測(cè)量醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，該方法在醫(yī)用離心機(jī)的內(nèi)壁上粘貼有磁體，在離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的試管內(nèi)裝有霍爾傳感器，使用霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)脈沖數(shù)和時(shí)間，進(jìn)一步計(jì)算醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速[3]。但此種方法不便于安裝，且抗干擾能力較差，轉(zhuǎn)速測(cè)量不是特別準(zhǔn)確。

因此基于現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)需求，本文提出了一種基于測(cè)振原理的密閉式醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)，并引入了最小條件系統(tǒng)識(shí)別法，僅需將測(cè)振傳感器固定在離心機(jī)的外殼上即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測(cè)量，有效地解決了以往密閉式醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的缺陷。

1 密閉式醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

密閉式醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)主要包括密閉離心機(jī)、測(cè)振傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集器和上位機(jī)系統(tǒng)，如圖1所示。將待測(cè)密閉離心機(jī)放置于水平面上，在離心機(jī)的轉(zhuǎn)臂內(nèi)對(duì)稱位置放入不同質(zhì)量的試管，測(cè)振傳感器通過(guò)強(qiáng)磁鐵吸附到離心機(jī)的外殼上，測(cè)振傳感器實(shí)時(shí)地采集醫(yī)用離心機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，并將該振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚磙D(zhuǎn)化為易于采集的電壓信號(hào)[4]，數(shù)據(jù)采集器對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行高速采集，通過(guò)USB通信傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)，并基于最小條件的識(shí)別理論進(jìn)行擬合、分析和處理，計(jì)算離心機(jī)的振動(dòng)頻率[5-6]，由信號(hào)的固有頻率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，計(jì)算出離心機(jī)轉(zhuǎn)速。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)振傳感器

本系統(tǒng)采用北京京儀北方儀器儀表有限公司的YD-8壓電式加速度傳感器作為測(cè)振傳感器。該傳感器能夠提供較寬的頻率范圍和較好電荷靈敏度，軸向電荷靈敏度：0.23～0.56 pC/（m·s-2），頻率響應(yīng)：1～40kHz，最大可測(cè)加速度：5 000 m/s2，最小可測(cè)加速度：0.5m/s2，電容：560pF，適合在離心機(jī)上進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路主要由電荷放大器、信號(hào)放大器和自動(dòng)跟蹤濾波器組成。其基本原理為測(cè)振傳感器拾取離心機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成與振動(dòng)相關(guān)的電荷量，電荷放大器負(fù)責(zé)將電荷量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詼y(cè)量的電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器和自動(dòng)跟蹤濾波器后調(diào)理成易于識(shí)別和檢測(cè)的信號(hào)，便于數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

由于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不僅存在著離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)，還存在轉(zhuǎn)子、軸承、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及其環(huán)境等的影響因素，這些影響因素都給醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量帶來(lái)了影響，所以必須將干擾和噪聲信號(hào)過(guò)濾掉。目前常規(guī)的手段是用低通濾波器將噪聲去除掉，但是低通濾波器的截止頻率是固定的，不會(huì)隨著振動(dòng)頻率的改變而自動(dòng)發(fā)生改變，因此在本系統(tǒng)中采用自動(dòng)跟蹤濾波器進(jìn)行處理，來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤離心機(jī)轉(zhuǎn)速的變化[7]。

圖1 密閉式醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)跟蹤濾波器主要由狀態(tài)變量濾波器、鎖相倍頻器和開(kāi)關(guān)電阻濾波器組成。首先鎖相倍頻器對(duì)被跟蹤的離心機(jī)振動(dòng)頻率信號(hào)進(jìn)行128倍頻，開(kāi)關(guān)電阻濾波通過(guò)頻率來(lái)控制電阻，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電阻濾波器的中心頻率與離心機(jī)振動(dòng)頻率保持一致，達(dá)到了醫(yī)用離心機(jī)的頻率自動(dòng)跟蹤的目的。本文采用雙二階自動(dòng)跟蹤帶通濾波器濾波技術(shù)，并且配合N分路梳狀濾波器電路，不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意轉(zhuǎn)速振動(dòng)信號(hào)的精密窄帶濾波，提高了信噪比，而且還具有處理速度快、檢測(cè)準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 數(shù)據(jù)采集器

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器是一種基于USB總線的高速高精度同步數(shù)據(jù)采集器，可直接插在計(jì)算機(jī)的USB接口上。由8路16位高精度同步AD進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，可在單端模式和差分模式下轉(zhuǎn)換，總采樣率達(dá)400kHz，每通道具有實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)繪畫(huà)數(shù)據(jù)曲線圖、實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)的功能。

3 應(yīng)用最小條件系統(tǒng)識(shí)別法測(cè)量離心機(jī)的轉(zhuǎn)速

醫(yī)用離心機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)是正弦函數(shù)，因此可以建立數(shù)學(xué)模型[8-9]為

在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂內(nèi)的對(duì)稱位置放入不同質(zhì)量的試管而產(chǎn)生初始不平衡量，它在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生離心力，此離心力在圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作用下激勵(lì)離心機(jī)產(chǎn)生正弦運(yùn)動(dòng)，醫(yī)用離心機(jī)振動(dòng)曲線如圖2所示。

在醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)量測(cè)試中，數(shù)據(jù)采集器采樣得到振動(dòng)信號(hào)為xn（n=0，1，2，…，N-1），將x（t）進(jìn)行離散化處理[10]得：

應(yīng)用最小條件系統(tǒng)識(shí)別法進(jìn)行逐點(diǎn)的依次逼近和數(shù)據(jù)采集，此時(shí)可以得到相應(yīng)的采樣序列。根據(jù)醫(yī)用離心機(jī)的設(shè)定頻率估算振動(dòng)信號(hào)的幅值A(chǔ)0、振動(dòng)信號(hào)的頻率ωd和初始相位φ0，再將估算出的A0、ωd、φ0代到離散化處理的公式中，然后將估算值的兩側(cè)范圍內(nèi)取出一組值，并與標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)做差方和運(yùn)算[11-12]：

差方和運(yùn)算對(duì)各個(gè)特征系數(shù)（A0、ωd和φ0）為零的條件來(lái)求解特征系數(shù)值，求解過(guò)程如下：

1）首先根據(jù)醫(yī)用離心機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)估，找到此時(shí)的一個(gè)最大值，將其作為振動(dòng)信號(hào)的初始點(diǎn)x0，令A(yù)0=x0，φ0=90°，尋找過(guò)零點(diǎn)計(jì)算振蕩周期Td，從而得出ωd。

2）將其中的特征系數(shù)在估計(jì)值兩側(cè)進(jìn)行小量等間隔細(xì)化，并將結(jié)果帶入式（3）中，此時(shí)會(huì)得到Mx最小值，其對(duì)應(yīng)的ωd值作為替換該參數(shù)的修正值。

3）按照步驟2）進(jìn)行多次循環(huán)，一般循環(huán)的次數(shù)為5次，最終循環(huán)得到的結(jié)果接近于最小條件的真值A(chǔ)0、ωd。

轉(zhuǎn)速計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)擬合的曲線如圖3所示，圖中為循環(huán)一次時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量過(guò)程中頻率擬合過(guò)程的曲線。多次循環(huán)過(guò)程后，只有當(dāng)擬合的特征系數(shù)（A0、ωd、φ0）與數(shù)據(jù)采集器得到的數(shù)據(jù)幾乎相等時(shí)，Mx為最小值，此時(shí)的Mx最小值所對(duì)應(yīng)的頻率即為離心機(jī)的振動(dòng)頻率。通過(guò)信號(hào)的固有頻率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，從而計(jì)算出離心機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖2 離心機(jī)振動(dòng)曲線圖

4 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)及分析

首先將密閉式離心機(jī)放置于水平面上，在離心機(jī)的轉(zhuǎn)臂內(nèi)對(duì)稱位置放入不同質(zhì)量的試管，對(duì)稱位置配重質(zhì)量差遵循以下原則：配重質(zhì)量差不能過(guò)大，否則會(huì)因振動(dòng)過(guò)大而損壞離心機(jī)；配重質(zhì)量差也不能過(guò)小，否則會(huì)因振動(dòng)過(guò)小而檢測(cè)不到振動(dòng)信息。因此，應(yīng)根據(jù)具體型號(hào)的離心機(jī)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的方式來(lái)找到合適的配重質(zhì)量差。然后將測(cè)振傳感器通過(guò)強(qiáng)磁鐵固定在密閉式離心機(jī)的側(cè)面外殼上，啟動(dòng)密閉式醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)入到系統(tǒng)設(shè)置界面，將設(shè)定的離心機(jī)轉(zhuǎn)速輸入到系統(tǒng)的頻率預(yù)置值[13]，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)算和分析，最終得到離心機(jī)的轉(zhuǎn)速。

表1列出了湖南湘儀公司的密閉式離心機(jī)在1 000，4 000，7 000，10 000 r/min 工況下采用本系統(tǒng)獲得的轉(zhuǎn)速值，得到的轉(zhuǎn)速誤差均不超過(guò)1%，保證了準(zhǔn)確度的要求，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了本系統(tǒng)測(cè)得轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)美國(guó)索福、日本日立、湖南湘儀、安徽中科中佳、北京時(shí)代北利等國(guó)內(nèi)外具有影響力的醫(yī)用離心機(jī)進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)不同型號(hào)的醫(yī)用離心機(jī)均適用的特點(diǎn)。實(shí)測(cè)表明在轉(zhuǎn)速100～20000r/min范圍內(nèi)的任一轉(zhuǎn)速下進(jìn)行測(cè)量，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到檢測(cè)要求，并且測(cè)量準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定可靠、自動(dòng)化程度高，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖3 轉(zhuǎn)速計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)擬合的曲線圖

表1 離心機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量值

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以密閉式醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速為研究對(duì)象，從醫(yī)用離心機(jī)的檢測(cè)需求入手，以測(cè)振傳感器、自動(dòng)跟蹤濾波器、最小條件的系統(tǒng)識(shí)別理論為研究重點(diǎn)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集后送入到上位機(jī)系統(tǒng)。本文通過(guò)測(cè)振的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)密閉式醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，實(shí)現(xiàn)了在不拆解和保持離心機(jī)原始狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)，解決了密閉式醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)量校準(zhǔn)難題。該檢測(cè)系統(tǒng)采用自動(dòng)跟蹤濾波器作為硬件核心，基于最小條件的系統(tǒng)識(shí)別理論進(jìn)行擬合、分析和處理作為軟件核心，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化檢測(cè)，同時(shí)避免了人工操作的誤差，提高了轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，具有良好的科學(xué)性和實(shí)用性。

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（編輯：商丹丹）

Speed measurement test system of closed medical centrifuges

LI Hong1， LI Guang2， FU Xiaoyun3， CONG Peitian3
（1.Basic Course Department，Shenyang Institute of Technology，F(xiàn)ushun 113122，China；2.Shenyang Metrology and Testing Institute，Shenyang 110179，China；3.School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110168，China）

In view of current speed measurement difficulty of closed medical centrifuges，a speed measurement system based on the principle of vibration is proposed.The system consists of vibration sensors， signal conditioning circuit， data acquisition unit and PC speed measuring system.The vibration sensors measure the real-time vibration signals of the closed medical centrifuges， the signal conditioning circuit amplifies， tracks and filters the vibration signals， the data acquisition unit collects the signals at a high speed and transmits them to PC speed measuring system via USB， and finally the PC speed measuring system conducts fitting， analysis and processing based on the recognition theory of minimum conditions.Experimental results show thatthe speed measurementsystem based on the principle ofvibration and the minimum conditions system identification method can meet the speed measurement requirements of various closed medical centrifuges， and the system has the advantages of high accuracy， high degree of automation， good stability and convenient measurement， with a good prospect of promotion.

closed medical centrifuges； speed； vibration； automatic tracking filter； minimum conditions；metrology

A

1674-5124（2017）11-0070-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.014

2017-01-18；

2017-03-05

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014QK105）

黎 虹（1981-），女，遼寧沈陽(yáng)市人，教授，碩士，主要從事控制理論與測(cè)控系統(tǒng)的研究。