超高速醫(yī)用離心機轉(zhuǎn)速校準裝置及校準方法研究

孫恒群 張秀俊

【摘要】醫(yī)用離心機是應用旋轉(zhuǎn)運動的離心力和浮力密度的差異，進行分離和提純生物樣品中各成分的處理裝置。醫(yī)用離心機的轉(zhuǎn)速是反映醫(yī)用離心機質(zhì)量的重要技術指標。本文通過對醫(yī)用離心機以及相關標準進行研究，應用多普勒效應和非接觸式激光技術研制一種用于醫(yī)用離心機的轉(zhuǎn)速校準的裝置，并對其校準方法進行了研究，以期對醫(yī)用離心機的轉(zhuǎn)速參數(shù)進行有效溯源，保障在用醫(yī)用離心機的相關技術指標準確可靠，臨床應用安全有效。

【關鍵詞】醫(yī)用離心機；校準；多普勒效應；非接觸式激光

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.05.023

Research on a High-speed Medical Centrifuge Speed Calibration Device and Calibration Method

SUN Hengqun， ZHANG Xiujun*

（Yancheng Measurement and Testing Institute， Yancheng 224000， China）

Abstract： Medical centrifuge a processing device for separating and purifying components of biological samples using the difference between centrifugal force and buoyancy density of rotating motion. The speed of medical centrifuge is an important technical index to reflect the quality of medical centrifuge. In this paper， through the study of medical centrifuge and related standards， the application of Doppler effect and non-contact laser technology to develop an optical speed detection device for medical centrifuge， and its calibration method was studied， in order to be used to trace the rotational speed parameters of medical centrifuge effectively， to ensure the accuracy and reliability of the relevant technical indicators of medical centrifuge in use. It is safe and effective in clinical application.

Key words： medical centrifuge； calibration； Doppler effect； non-contact laser

醫(yī)用離心機是在醫(yī)學檢驗中，作為分離血清、血漿、沉淀蛋白質(zhì)或尿沉渣檢查的儀器設備。它可使混合液中的懸浮微?？焖俪恋?，進而分離比重不同的各種物質(zhì)的成分[1]。醫(yī)用離心機的工作原理是在相同轉(zhuǎn)速下，不同密度、不同顆粒的物質(zhì)在離心力作用下分離，其分離程度和離心機轉(zhuǎn)速直接相關。隨著醫(yī)療和生物科技的不斷發(fā)展，醫(yī)用離心機正向著高速、高精度方向發(fā)展，因此對轉(zhuǎn)速、噪聲、時間和溫度等相關技術參數(shù)的要求越來越嚴格。醫(yī)用離心機質(zhì)量性能的優(yōu)良直接關系醫(yī)院或醫(yī)學檢驗機構的樣本分離和實驗數(shù)據(jù)顯示結果，因此醫(yī)用離心機的校準工作具有重大的意義[2]。

由于實驗室對醫(yī)用離心機轉(zhuǎn)速的要求不同，所以選擇的醫(yī)用離心機也不同。根據(jù)轉(zhuǎn)速醫(yī)用離心機可分為常速醫(yī)用離心機、高速醫(yī)用離心機和超高速醫(yī)用離心機三種，其對應轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)如表1所示。在醫(yī)用離心機的眾多檢測參數(shù)中，轉(zhuǎn)速是衡量醫(yī)用離心機分離性能的重要指標之一[3]。我國醫(yī)藥行業(yè)標準YY/T 0657—2017《醫(yī)用離心機》和國家標準GB/T 10901—2005《離心機性能測試方法》對醫(yī)用離心機的轉(zhuǎn)速參數(shù)作出了比較詳細的規(guī)定。

傳統(tǒng)的測量醫(yī)用離心機的方法有很多，如使用轉(zhuǎn)速儀、手持式紅外線傳感器、光電式傳感器、磁電式傳感器測量轉(zhuǎn)速[4-5]。使用上述方法對醫(yī)用離心機進行轉(zhuǎn)速測量一方面限制了可測量的離心機種類，需要醫(yī)用離心配備觀測孔或開蓋測量，另一方面在離心機內(nèi)部黏貼磁電傳感器會留下較大的安全隱患。同時，這些測量方法也會導致檢測重復率低、誤差大、測量范圍小等問題[6-7]。

對通用醫(yī)用離心機轉(zhuǎn)速進行測量，難點在于不改變醫(yī)用離心機原有結構，并在正常工作條件下對其轉(zhuǎn)速進行測量。因此，本文針對超高速醫(yī)用離心機轉(zhuǎn)速校準設計了一種基于多普勒效應的非接觸式激光檢測裝置，提高了對超高速醫(yī)用離心機轉(zhuǎn)速測量的準確度。

1設計技術原理

多普勒效應測振法已是當前最為普及、最易實現(xiàn)且精度較高的測振方法。它是通過測量激光探頭的示蹤粒子的多普勒信號，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關系實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測量。該測量方法無須干涉儀組件，裝配容易。由于被測物體振動速度矢量與多普勒頻移呈線性關系，該方法也適于各種復雜的物體運動測量[8]。

現(xiàn)有多普勒測速設備多為測量直線運動的速度而設計。由于醫(yī)用離心機設備的轉(zhuǎn)筒位于離心機內(nèi)側腔體中，直接對離心機設備的轉(zhuǎn)筒進行檢測校準時只能檢測轉(zhuǎn)筒內(nèi)腔，這就需要激光傾斜射入轉(zhuǎn)筒的內(nèi)腔。但每種離心機的轉(zhuǎn)筒直徑和深度都不同，這便對激光直接照射轉(zhuǎn)筒產(chǎn)生了一定的阻礙，故而需要采用激光多普勒轉(zhuǎn)速校準裝置。

激光測振傳感器借助激光的方向性、單色性、相干性等優(yōu)良特性，可以實現(xiàn)遠距離、高精度的測量。激光測振傳感器無需將機械器件安裝在被測物體的振動表面，從而完全避開傳感器的附加質(zhì)量而帶來的影響。它可以穿過窗口或水進行若干米以外的振動測量，因而測量距離更遠。相比接觸式測振方法，激光測振這類非接觸式的振動測量傳感器具有范圍廣、精度高、測量距離遠、實時性強等優(yōu)勢[9]。

本文所采用激光多普勒效應測量離心機的振動，通過測試系統(tǒng)對設備的振動信號進行采集，然后再對所采集的振動信號進行分析處理，以鑒別旋轉(zhuǎn)機械的當前運行狀態(tài)。采用微型激光測振傳感器測量離心機振動頻率，編制專用上位機軟件進行數(shù)據(jù)采集和實時分析，進而實現(xiàn)離心機轉(zhuǎn)速的在線測量。在離心機不開蓋正常工作條件下，將激光束對準離心機外壁，通過激光多普勒效應就可以采集到離心機的振動頻率，從而實現(xiàn)對離心機轉(zhuǎn)速的非接觸式測量。本文研制的基于多普勒效應的非接觸式激光檢測裝置可以解決所有種類離心機轉(zhuǎn)速的高精度測量。

2檢測裝置的設計

非接觸式激光多普勒醫(yī)用離心機轉(zhuǎn)速校準裝置的結構如圖1所示。

校準裝置殼體的內(nèi)側設有調(diào)控腔，調(diào)控腔的一端設有安裝腔二，另一端設有安裝腔三。其中安裝腔三的里側設置連接發(fā)射器的氦氖激光器。安裝腔二的里側依次設有半波片一和聲光調(diào)制器。安裝腔二一端有漏斗形的腔體，腔體和安裝腔三直接連通。安裝腔三的底端插接有風冷機構。調(diào)控腔的里側依次設有反射鏡一、反射鏡二、半波片二和透鏡一。其中，反射鏡一和半波片二都位于調(diào)控腔的頂部并和調(diào)控腔的內(nèi)壁轉(zhuǎn)動連接，半波片二設在透鏡一和反射鏡一之間，反射鏡二位于調(diào)控腔的中部位置。調(diào)控腔內(nèi)壁的底部設有出氣槽，其中出氣槽的里側設置透鏡二和光電接收器。光電接收器安設于一個支架上，支架固定在出氣槽的內(nèi)側，出氣槽的底端插接著濾網(wǎng)一。調(diào)控腔遠離安裝腔二的一端設有連通槽。殼體位于半波片二附近的位置安設水平蓋，殼體遠離連通槽的位置對應安放著檢測柱體。利用檢測柱體和連動套的使用，使檢測柱體與離心機內(nèi)部的轉(zhuǎn)筒連動，進而可以在離心機的外側檢測柱體的轉(zhuǎn)動情況，且檢測柱體的半徑是已知的，不需要知曉轉(zhuǎn)筒的內(nèi)徑便可對轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速進行檢測，從而大大方便了檢測結構的計算。通過測量檢測柱體的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對離心機內(nèi)的轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速進行非接觸式測量，然后以測得的轉(zhuǎn)速為依據(jù)對離心機內(nèi)的轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速進行校準。

安裝腔二的底端預留溝通外界的安裝口，安裝腔二的安裝口接有密封板。風冷機構包括風冷座、驅(qū)動電機、氣流發(fā)生槽、過濾網(wǎng)一和風扇葉片。其中，風冷座的內(nèi)側設有氣流發(fā)生槽，氣流發(fā)生槽的底端設有過濾網(wǎng)一，風冷座的里側安設驅(qū)動電機，驅(qū)動電機的旋桿連接有風扇葉片。安裝腔二內(nèi)側靠近聲光調(diào)制器的位置設有斜置的導氣片。風冷機構產(chǎn)生氣流依次通過安裝腔三、安裝腔二和調(diào)控腔，從出氣槽處排出，使安裝腔三、安裝腔二、出氣槽和調(diào)控腔內(nèi)的結構得到冷卻。氣流發(fā)生槽的里側安設若干個干燥球，干燥球的里側有碳粉顆粒和氯化鈣顆粒，干燥器上部有若干個小孔洞，小孔洞的直徑為0.03～0.05 mm。碳粉顆粒和氯化鈣顆?？墒惯M入調(diào)控腔內(nèi)的空氣得到凈化和干燥。

殼體的一端設置有鉸接座，鉸接座上鉸接水平蓋，鉸接座的一端固定連接著止位桿，止位桿水平安設。其中水平蓋靠近鉸接座的一端開設有卡接槽，卡接槽和止位桿可變動連接，另一端設置有限位桿，水平蓋的一側安設著水平承接板，水平承接板的一端開設有限位槽，限位槽和限位桿使用滑動連接，限位桿的形狀為梯形柱，限位桿上安設著檢測柱體。水平承接板為離心機、檢測柱體提供穩(wěn)定的水平平臺，使離心機和檢測柱體能夠被快速、穩(wěn)定地放置。透鏡一安設于安裝座的內(nèi)側，安裝座的外側設有橡膠密封圈，安裝座的頂端設有滑塊，調(diào)控腔的頂端設有滑動道，滑動道的內(nèi)側和滑塊活動連接。殼體的里側設置有伺服電機，伺服電機的旋桿固定連接絲桿，絲桿的外側和滑塊螺紋連接。絲桿和滑塊配合可使透鏡一和調(diào)控腔的相對位置進行調(diào)節(jié)。

3檢測方法

激光多普勒轉(zhuǎn)速校準裝置采用差動激光多普勒原理，設檢測柱體切線方向的速度為V。1級和0級線路的頻率分別為F1和F1+F2。F2為聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率，經(jīng)過透鏡一后的夾角為A，它們與切線方向的夾角分別為a1和a2，觀測方向與切線方向的夾角為a3。

測量光路采用了差動激光多普勒原理，發(fā)射器輸出激光進入40 MHz聲光調(diào)制器后，由于反常布拉格衍射輸出頻率相差40 MHz且強度大致相同，振動方向相互垂直的0級和1級衍射光，在1級衍射光光路中加入半波片二，調(diào)節(jié)方位使其快軸與1級衍射光的振動方向成45°，使其偏振方向改變90°，從而使兩束光的偏振方向相互平行；調(diào)節(jié)反射鏡一使兩束光平行，1級和0級兩束光經(jīng)過透鏡一時偏轉(zhuǎn)，匯聚到正在轉(zhuǎn)動的檢測柱體的表面，再用透鏡一和反射鏡二來收集此表面散射的部分差拍光信號，并用透鏡二將此差拍信號匯聚到光電接收器的光敏面上；光電接收器產(chǎn)生的電壓信號先通過硬件電路進行預處理，兩級放大電路進行信號放大，然后通過帶通濾波器濾波之后，與從聲光調(diào)制器出來的光對比運算。

信號一起進入相敏檢波電路，使包含物體運動的多普勒頻移信號與40 MHz的聲光調(diào)制器頻率分離，最后通過低通濾波器濾波。從硬件電路出來的信號進入數(shù)據(jù)采集卡，通過LabVIEW軟件編寫的程序進行數(shù)據(jù)采集和處理，最后得到測量結果。

4結束語

本研究擬采用激光多普勒效應測量離心機的轉(zhuǎn)速，采用微型激光測振傳感器測量離心機振動頻率，編制專用上位機軟件進行數(shù)據(jù)采集和實時分析，進而實現(xiàn)醫(yī)用離心機轉(zhuǎn)速的非接觸式測量。該裝置可以解決所有種類離心機轉(zhuǎn)速的高精度測量。同時，該裝置的研制和測量方法的設計對于超高速醫(yī)用離心機規(guī)范的實施具有積極的作用，滿足行業(yè)對超高速醫(yī)用離心機的日常質(zhì)量檢測維護以及校準需求，減少了檢測誤差。

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【作者簡介】

孫恒群，男，1973年出生，高級工程師，研究方向為化學計量。通訊作者：張秀俊，男，1970年出生，高級工程師，研究方向為醫(yī)學計量，郵箱：xiujun8099@163.com。

（編輯：李加鵬）