汉中市质量技术检验检测中心 陕西汉中
摘要：作为离心机的一种重要的应用，医用高速离心机广泛的应用于生物细胞和人体血液等相关领域。医用高速离心机通过高速旋转的方式，使生物溶液得到离心沉降处理，让生物细胞、生物大分子和血浆等微小颗粒与其他物质分离，达到溶液提纯、浓缩和分离的效果。目前国内的医用高速离心机的转速校准研究较少。鉴于目前这种的情况，本文旨在设计一种基于地磁传感器的医用离心机转速测试装置，它摆脱了传统的医用离心机转速测量方式，具有一定的前瞻性。
关键词：医用离心机；转速测试；地磁传感器；设计
1 概述
离心机按结构形式不同可以分为台式离心机和落地式离心机；按转速高低不同可以分为低速离心机、高速离心机、超速离心机、超高速离心机。离心机广泛应用于生物制药、血站、医疗、高校、科研单位、农牧业、精细化工、石油、新材料、环保、食品、基因工程等许多领域上。近几年国内外离心机技术发展迅速，朝着高转速，高精度，自我检测，网络化，远程监控，智能化的方向发展。医用高速离心机通过高速旋转的方式，使生物溶液得到离心沉降处理，让生物细胞、生物大分子和血浆等微小颗粒与其他物质分离，达到溶液提纯、浓缩和分离的效果。目前国内的医用高速离心机的转速校准研究较少。本文设计了一种基于地磁传感器的医用离心机转速测试装置，他摆脱了传统的医用离心机转速测量方式，具有一定的前瞻性。
2 基于地磁传感器的医用离心机转速测试装置的设计
基于地磁传感器的医用离心机转速测试装置如图1所示，它包括地磁传感器、微处理器、存储器、电源模块以及控制器局域网络（controller area network，CAN）总线驱动芯片。地磁传感器HMC5883L 模块通过I2C总线协议收集附近地磁感应强度变化信息，然后经过微控制器单元（micro controller unit，MCU）滤波后经过CAN总线发送至数据处理模块，其中存储器用于存储像该信号采集模块的CAN总线的ID等重要信息防止掉电丢失数据。信号采集模块的硬件电路结构如图1所示。CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。本文中系统采用TJA1042高速CAN收发器芯片在CAN协议控制器和物理双线式CAN总线之间提供接口。
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图1 基于地磁传感器的医用离心机转速测试装置图
将地磁传感器放置在医用离心机的转臂上的试管内，当医用离心机高速旋转时，离心机内的试管由于铁磁特性将切割地磁感线扰动地磁场使其强度数值发生变化。地磁传感器HMC5883L测量地磁场强度信息并通过内部集成电路（inter integrated circuit，I2C）总线协议将地磁场强度信息发送给信号采集模块的微处理器，微处理器接收地磁场强度信息后进行滤波，随后通过CAN总线（波特率500kbps）将地磁场强度信息传递至挂载在同一CAN总线的数据处理模块，从而实现对医用离心机转速的测量，医用离心机转速测试系统信息传递流程如图2所示。
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图2 医用离心机转速测试系统信息传递流程
还需要说明的是：为了对医用离心机的转速测量得更加准确，在地磁传感器与MCU处理器之间还需要添加电路处理模块，电路处理模块包括适配电路、A/D 转换器。地磁传感器的输出信号形式为差动式，因为差值的幅值仅在±1.5mV之间，A/D 转换器的采样范围为0~2.5V，因此需要信号调理电路部分将地磁传感器输出的两个信号的差值进行放大至0~2.5V，然后送入A/D 转换器，最后将 A/D 转换器的转换结果转存至 FLASH存储器。在测试完成后回收测试系统，并通过连接模块连接计算机，把数据存储到算机内存中对数据进行分析处理。
3 医用离心机转速测试系统的设计要求
因测试系统往往需要放置到被测医用离心机内，在测试过程中将受到与被测对象相同的极端恶劣的环境力的作用，因此测试系统必须能够抵抗恶劣环境，具有可实现性和可靠性。针对其恶劣的测试环境以及对测试的各项技术要求，往往在系统设计环节中需要考虑以下四项设计原则：
3.1 小体积
由于测试系统在测试过程中必须安放在被测离心机内部与其同步测试，一直到测试结束后才能取回。因此测试系统的体积越小，相对其重量也就较轻，对被测参数产生的影响也就越小。
3.2 微功耗
在整个测试过程中，虽然测试系统在整个过程中只需要花费几分钟的时间，但测试前的准备工作以及测试完成后的后续工作均需要花费一定的时间，所以测试系统必须有较长的单次工作时间，只有这样才能保证测试数据的有效采集和回收。而为了响应测试系统占用容量小的要求，而一般情况下电池容量与电池体积成正比，进而限制了测试系统的电池容量。因此，在测试系统的电路设计中必须均为低功耗的芯片，在测试过程中还要及时关闭测试系统中闲置状态下的电路部分，进而有效控制整个测试系统的功率消耗，有效延长测试系统的单次工作时间。
3.3 高可靠性
测试过程中得到的测试数据必须是被测量的高度还原，要尽量消除噪声的干扰。
4 展望
随着科技的迅速发展，对于地磁传感器的研发越来越快，出现很多高精度的传感器。利用地磁传感器来测量地磁场强度，通过特定的解算算法来确定物体的姿态信息。因其具有精度高、结构简单、抗冲击性强等优点，越来越重视磁探测技术的发展。若将地磁测量数据与其传感器测量数据进行融合。相对于单一传感器技术，利用多传感器数据融合技术在探测、跟踪与识别等方面，增强了整个系统的可靠性、实时性和信息利用率。
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作者简介：
张洪彬，男，1966年12月，单位：汉中市质量技术检验检测中心，高级工程师，研究方向：力学理化类计量器具的检定、校准与研究。