一種自動(dòng)化微量液體加樣模塊的設(shè)計(jì)①

楊延麗, 鄭新旺, 楊光松

(集美大學(xué)a.誠(chéng)毅學(xué)院,b.信息工程學(xué)院,福建 廈門361021)

0 引 言

近年來,隨著社會(huì)地進(jìn)步在工業(yè)生產(chǎn)、檢測(cè)檢驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)療儀器等領(lǐng)域,對(duì)自動(dòng)化微量液體加樣的功能需求日益增大,越來越多的檢驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目已經(jīng)由傳統(tǒng)的手工檢驗(yàn)分析法逐步向全自動(dòng)化發(fā)展,自動(dòng)化的微量液體加樣是這些自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分,為此設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化的微量液體加樣模塊,可以嵌入到全自動(dòng)化檢測(cè)檢驗(yàn)系統(tǒng)中。

1 總體方案設(shè)計(jì)

從簡(jiǎn)化自動(dòng)化微量液體加樣模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),采用一次性TIP頭作為吸液容器,避免了鋼針吸取液體帶來的交叉污染和需要復(fù)雜清洗裝置的問題。目前液體加樣的方式主要有兩種,蠕動(dòng)泵和注射泵加樣,蠕動(dòng)泵是采用軟管擠壓的方式輸送液體,最高加樣精度只能達(dá)到10u L左右[1],所以選用滾珠直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高精度微量注射針(即注射泵)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。自動(dòng)化微量加樣模塊是安裝在XYZ三軸的機(jī)械臂上的,在此基礎(chǔ)上執(zhí)行完整的加樣流程。微量液體加樣流程如下:機(jī)械臂上的Z軸復(fù)位→Z軸帶動(dòng)TIP頭下移→移動(dòng)到試管口時(shí)放慢速度,邊下移邊查詢下位機(jī)的液面探測(cè)信號(hào)→探測(cè)到液面后繼續(xù)下移一段,下移深度根據(jù)目標(biāo)吸液量計(jì)算得出→微量注射泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)注射針吸液→Z軸上移到復(fù)位位置→機(jī)械臂移動(dòng)到目標(biāo)位置→Z軸下移,微量注射泵電機(jī)反轉(zhuǎn)將TIP頭中液體加到目標(biāo)孔杯中。

模塊采用STM32F103作為下位機(jī)微控制器,用外部中斷檢測(cè)是否取到TIP頭,取到TIP頭后讀取微壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行液面探測(cè)、腔內(nèi)氣壓變化檢測(cè)。微處理器通過串口與上位機(jī)PC通信,根據(jù)上位機(jī)的吸液量要求計(jì)算電機(jī)脈沖數(shù),通過PWM驅(qū)動(dòng)絲桿電機(jī),電機(jī)帶動(dòng)微量注射針的活塞運(yùn)動(dòng)吸樣、吐樣,完成液體加樣。模塊設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化微量液體加樣模塊框圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微量液體加樣模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)包括加樣針模塊(Z軸)和微量注射泵模塊,微量注射泵模塊掛載在Z軸上。加樣針模塊主要包括加樣針管、加樣針外套、加樣模塊運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu);加樣針內(nèi)管(內(nèi)徑1mm)與微量注射泵下端相連,加樣針下端呈錐形,用于取TIP頭,如圖2所示。微量注射泵模塊包括精密微量注射針、直線步進(jìn)電機(jī)和直線導(dǎo)軌等,機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。使用一個(gè)三通將微量注射針內(nèi)腔、TIP頭和微壓力傳感器連接起來[2],加樣針和微量注射泵實(shí)物如圖4所示。

圖2 加樣針機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖3 微量注射泵機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖4 加樣針和微量泵實(shí)物圖

加樣針機(jī)械結(jié)構(gòu)中電機(jī)提供動(dòng)力,電機(jī)通過同步帶傳送動(dòng)力。加樣針外套、同步帶和直線導(dǎo)軌的滑塊固定在一起。加樣針外套內(nèi)安裝加樣針管,并內(nèi)置彈簧,加樣針管下移扎取到TIP頭時(shí),會(huì)受到向上的力,連接加樣針管和加樣針外套的彈簧被壓緊,固定在加樣針管上的光電傳感器(光耦)擋片上移到光耦的U型槽內(nèi),光耦輸出一個(gè)電平信號(hào),由此可判斷取TIP頭成功。該設(shè)計(jì)將光耦放置在內(nèi)部表面發(fā)黑的加樣針套管中,很好的解決了由于環(huán)境光線干擾引起的光耦誤判問題,提高了可靠性。

吸液主要由注射泵組件完成,微量注射針活塞頂端、絲桿電機(jī)滑塊和直線導(dǎo)軌滑塊固定在一起,增加直線導(dǎo)軌為了確保絲桿滑塊精準(zhǔn)直線運(yùn)動(dòng)軌跡,從而保證了精密微量注射針活塞運(yùn)動(dòng)的直線性,解決了長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后注射針氣密性越來越差的問題,提高了加樣的精度和重復(fù)性指標(biāo)。

吸取液體時(shí),Z軸驅(qū)動(dòng)加樣針模塊向下運(yùn)動(dòng),取一個(gè)TIP頭,軟件檢測(cè)到光耦信號(hào),說明取TIP頭成功,Z軸上移復(fù)位。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到待吸取的樣本容器上方,TIP頭下移,當(dāng)探測(cè)到液面時(shí),微量注射泵絲桿電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),絲桿滑塊沿著直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng),滑塊帶動(dòng)微量注射泵活塞向上運(yùn)動(dòng),吸取液體[3]。達(dá)到上位機(jī)要求吸液量后,微量注射泵運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)停止吸樣,Z軸上移收回。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)吐樣孔杯上方,Z軸帶動(dòng)TIP頭下移到合適的位置,微量注射泵電機(jī)反轉(zhuǎn)吐樣。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

微量液體自動(dòng)加樣模塊硬件電路主要包括TIP頭檢測(cè)、微量注射泵驅(qū)動(dòng)、液面探測(cè)和與上位機(jī)通信電路等。

3.1 TIP頭檢測(cè)

TIP頭檢測(cè)的硬件電路主要是獲取光電傳感器(光耦)信號(hào)。取TIP頭時(shí),擋片上移到光耦的U型槽內(nèi),此時(shí)光耦輸出一個(gè)電平信號(hào),該信號(hào)接到微處理外部中斷上,在中斷服務(wù)程序中將取TIP頭成功的信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)PC。

3.2 微量注射泵驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

微量液體自動(dòng)化加樣依賴于微量注射泵驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì),微量注射針選型和電機(jī)驅(qū)動(dòng)是設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。微量液體加樣的精度、重復(fù)性等指標(biāo),主要是微量注射泵決定的[4]。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的加樣量和加樣精度指標(biāo)要求,經(jīng)過對(duì)比調(diào)研,選擇臺(tái)灣宏濬儀器有限公司的1000μL容量SGCLR-1000型微量注射針,它采用玻璃管身和Teflon型活塞,氣密性好無泄漏,耐用性強(qiáng)。該注射針行程為60mm,容量為1000μL,代入體積公式(1)。驅(qū)動(dòng)活塞的步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°,計(jì)算注射針步進(jìn)電機(jī)每一步的加樣量,也稱為分辨率s,如式(2)所示。

式(2)中,D為活塞直徑;θ為電機(jī)步距角;n為步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù),l為步進(jìn)電機(jī)絲桿導(dǎo)程,上述的后三個(gè)參數(shù)在設(shè)計(jì)中分別為1.8°、40細(xì)分、6 mm(導(dǎo)程=螺距×螺紋頭數(shù)),代入式(2),可得式(3)。在40細(xì)分時(shí),步進(jìn)電機(jī)每發(fā)出一個(gè)脈沖的加樣量為0.0125μL,則1μL需要發(fā)送80個(gè)脈沖。所以微量注射本的加樣速度與發(fā)送脈沖頻率的關(guān)系為式(4)。式(4)中,v為加樣速度;f為發(fā)送的脈沖頻率。

根據(jù)計(jì)算出的加樣精度,可以確定步進(jìn)電機(jī)在加速減速曲線控制中需要發(fā)送的脈沖頻率,以及每個(gè)臺(tái)階數(shù)下電機(jī)走的相應(yīng)步數(shù)。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度取決于脈沖個(gè)數(shù),轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率[5]。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過對(duì)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)頻率、脈沖當(dāng)量與傳動(dòng)比等因素分析對(duì)比后,設(shè)計(jì)選擇了步距角1.8°的42型滾珠絲桿步進(jìn)電機(jī),絲桿長(zhǎng)120mm,導(dǎo)程6 mm,該電機(jī)采用銅芯線圈,響應(yīng)快速,絲杠運(yùn)行平滑精準(zhǔn),低發(fā)熱低噪音。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用東芝THB6064H,它是大功率、高細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,該芯片采用雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng),最高支持64細(xì)分模式,可以實(shí)現(xiàn)高性能、多細(xì)分、大電流的驅(qū)動(dòng)。在絲桿的可運(yùn)行范圍兩端設(shè)計(jì)了定位節(jié)點(diǎn),在絲桿滑塊和直線導(dǎo)軌滑塊相接處設(shè)計(jì)了光耦擋片,兩端定位節(jié)點(diǎn)采用光電傳感器(歐姆龍EE-SX671A型光耦)檢測(cè)擋片,作為位置信號(hào)傳感器。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。微處理器STM32F103運(yùn)行速度快,可以輸出脈寬調(diào)制PWM信號(hào),PWM通過精準(zhǔn)的數(shù)字輸出產(chǎn)生周期、相位、占空比可調(diào)的方波脈沖序列,精確控制步進(jìn)電機(jī)。在步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)、吸樣和吐樣的過程中,需要采用分段方法進(jìn)行升速、恒速和減速的控制,滿足加樣速度和平穩(wěn)運(yùn)行的要求,這個(gè)控制通過調(diào)節(jié)PWM占空比來實(shí)現(xiàn)[6]。

圖5 微量注射泵驅(qū)動(dòng)模塊電路

微處理器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片之間采用TLP521光耦進(jìn)行隔離,光耦的輸入端是一個(gè)發(fā)光二極管,加電阻是為了限制電流,不加電阻容易燒毀,加二極管(1N4148)是為了保護(hù)光耦。THB6064的ALERT引腳是溫度保護(hù)及過流保護(hù)輸出端,常態(tài)為1,過流保護(hù)時(shí)為0;ENABLE是使能腳,ENABLE=1時(shí)選通,芯片正常工作;CLK是步進(jìn)電機(jī)脈沖輸入端,設(shè)計(jì)中用微處理器的PWM控制電機(jī)脈沖;CW/CCW是電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制端;OUT1A、OUT2A是A相功率輸出端,接步進(jìn)電機(jī)的A相兩端,OUT1B、OUT2B是B相功率輸出端,接步進(jìn)電機(jī)的B相兩端。

3.4 壓力法液面探測(cè)電路設(shè)計(jì)

微量液體加樣過程采用壓力法進(jìn)行液面探測(cè)。經(jīng)對(duì)比選擇GE公司生產(chǎn)的NPH系列的低壓固態(tài)微壓力傳感器NPH8007DH,選擇表壓型,壓力量程7 kPa(0～1psi),表壓型輸出的是腔體內(nèi)壓力與大氣壓的差值,即TIP頭在未接觸到液面時(shí),腔體內(nèi)氣壓與大氣壓相同,一旦TIP頭接觸到液面時(shí),由于TIP頭細(xì)端出氣口被封堵,腔體內(nèi)氣壓突增,微壓力傳感器輸出電壓信號(hào)會(huì)突然上升。在吸樣過程中腔體內(nèi)壓力逐步下降,吐樣過程從最小值逐步增大回到大氣壓值[7]。該傳感器采用了微機(jī)械和超大規(guī)模集成電路的最新技術(shù),感知壓力的壓阻應(yīng)變片被離子注入到惠斯通橋路結(jié)構(gòu)內(nèi),在微機(jī)械的硅隔膜上形成惠斯通橋路結(jié)構(gòu),通過壓力變化使橋臂上應(yīng)變片發(fā)生形變,形變使電阻值發(fā)生變化打破電橋平衡后有電壓輸出。這樣的結(jié)構(gòu)使傳感器具有優(yōu)良的輸出穩(wěn)定性。另外,恒流激勵(lì)使傳感器的輸出電壓與壓力成線性關(guān)系,輸出端信號(hào)可達(dá)100m V。

為此設(shè)計(jì)的微壓力傳感器信號(hào)處理電路如圖6所示,給NPH8007DH傳感器提供恒流源供電,并對(duì)其輸出的差分信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換。圖中LM334為傳感器提供恒流源,傳感器的差分信號(hào)經(jīng)電橋輸出,接到5V單電源供電的AD623放大器,只放大差模信號(hào),有效提高抑制比,同時(shí)將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)AOUT送入微處理器的ADC中。AD623是一款低成本、高精度的儀表放大器,它采用經(jīng)典的三運(yùn)放改進(jìn)設(shè)計(jì),僅需要一個(gè)外部電阻RG來設(shè)置增益,增益范圍為1～10000,增益計(jì)算公式為G=100 kΩ/RG+1,AD623的pin1和pin8之間的電阻就是RG,用一個(gè)187Ω和一個(gè)100 kΩ的電位器并聯(lián)而成。

圖6 微壓力傳感器信號(hào)處理電路

微處理器STM32F103內(nèi)置12位逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,微壓力傳感器輸出信號(hào)電路的AOUT接到STM32F103的PA0-WKUP/ADC_IN0引腳上,將ADC配置為DMA模式,快速的將傳感器壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),判斷是否探測(cè)到液面、吸樣過程壓力變化和吐樣時(shí)壓力變化,傳送給上位機(jī)PC來輔助控制微量加樣的全過程。

4 通信協(xié)議

實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信需要制定完備的通信協(xié)議,下位機(jī)按照要求執(zhí)行上位機(jī)的動(dòng)作要求,響應(yīng)或發(fā)送執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息,包括復(fù)位、參數(shù)設(shè)置、光耦信號(hào)、TIP頭有無、液面探測(cè)狀態(tài)、吸樣、吐樣、釋放電機(jī)等。根據(jù)通信內(nèi)容要求,制定通信協(xié)議部分指令如表1所示。

表1 部分通信指令表

下位機(jī)對(duì)PC指令進(jìn)行解析后,解讀PC指令內(nèi)容,再執(zhí)行指令,或者返回PC所需要的數(shù)據(jù),出現(xiàn)異常或錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)向上位機(jī)報(bào)錯(cuò)。下位機(jī)軟件解析通信指令流程如圖7所示。

圖7 執(zhí)行動(dòng)作、設(shè)置參數(shù)、PC索取參數(shù)指令處理流程

5 指標(biāo)測(cè)試

考慮到本模塊的實(shí)用性的要求,對(duì)加樣精度、重復(fù)性、液面探測(cè)準(zhǔn)確性、取TIP頭的準(zhǔn)確性等編寫了測(cè)試用例,設(shè)計(jì)了軟件測(cè)試工具,進(jìn)行了單元測(cè)試、集成測(cè)試、整體功能測(cè)試和指標(biāo)測(cè)試。其中加樣重復(fù)性測(cè)試采用精密微量電子天平稱重,記錄加樣數(shù)據(jù),測(cè)算加重復(fù)性指標(biāo)。根據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)JJG 646-2006移液器檢定規(guī)程[8],定量移液50μL的要求:重復(fù)性誤差≤1.5%,容量允許誤差±3.0%。

通過移液重復(fù)性指標(biāo)測(cè)試可以確定本自動(dòng)化加樣裝置的微量液體加樣重復(fù)性。對(duì)于微量液體測(cè)量采用直接測(cè)量體積方法很困難,因此改為重量法測(cè)量。恒溫22℃時(shí)使用精度為0.01mg的精密微量電子天平逐個(gè)對(duì)30個(gè)孔杯稱重,記錄空孔杯重量,將拆下來的30個(gè)孔杯裝回微孔板上,向30個(gè)孔杯中各加入50μL的蒸餾水,再逐個(gè)對(duì)加液后的孔杯稱重,兩者相減就是加入的液體的重量。在進(jìn)行誤差計(jì)算時(shí),理論上應(yīng)該將重量除以密度換算成體積,但是根據(jù)誤差計(jì)算公式,分子分母上都需要除以密度,所以直接用重量計(jì)算誤差即可[9]。根據(jù)重復(fù)性計(jì)算公式,使用有限次測(cè)值的算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值公式[10]對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值與算術(shù)平均值的比值就是重復(fù)性指標(biāo)(CV值)。采用該測(cè)量方法對(duì)加樣量50μL、100μL、500μL、1000μL進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量計(jì)算重復(fù)性指標(biāo)。根據(jù)取加樣50μL的其中一次測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算樣誤差、標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值、重復(fù)性,得:

可以看出重復(fù)性CV≤1.5%,最大加樣容量誤差≤3%,滿足國(guó)標(biāo)要求。

6 結(jié) 論

根據(jù)微量液體加樣模塊自動(dòng)化流程的需求,設(shè)計(jì)了加樣針模塊和微量注射泵模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)、微量注射泵驅(qū)動(dòng)電路、液面探測(cè)電等,下位機(jī)微處理器通過采集微壓力傳感器信號(hào)獲取液面探測(cè)信號(hào),根據(jù)吸樣量計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的脈沖數(shù),再通過微處理器的PWM精確控制絲桿電機(jī)的平穩(wěn)、精確運(yùn)行,同時(shí)與上位機(jī)通信執(zhí)行指令和傳遞參數(shù),完成自動(dòng)化精準(zhǔn)加樣流程。測(cè)試結(jié)果表明,加樣重復(fù)性、最大誤差等指標(biāo)滿足國(guó)標(biāo)要求。模塊研制過程不斷遇到問題,又不斷改進(jìn)、優(yōu)化設(shè)計(jì),解決了TIP頭檢測(cè)光耦誤判、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后注射泵氣密性變差、加樣指標(biāo)和運(yùn)行可靠性達(dá)不到要求等問題,具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。在下一階段的研究中,進(jìn)一步研究如何實(shí)現(xiàn)更小加樣量以及如何達(dá)到更好的性能指標(biāo)。