嵌入式全自動化學發(fā)光儀溫育 及液壓模塊控制系統(tǒng)設計說明書

1、1 引 言本次設計主要是研究的化學發(fā)光儀的溫控模塊和液壓模塊的設計和安裝及調試?；瘜W發(fā)光儀在國內尚屬高端產品，現(xiàn)在行業(yè)內使用的化學發(fā)光儀基本上都是進口設備，但是隨著免疫學方法的飛速發(fā)展，其應用已經擴展到臨床檢驗的每一個方面。在多相酶免疫分析中，免疫反應之后需要經過洗滌步驟除去結合物和干擾物再進行測定。這樣的測定結果才具有較好的準確性和靈敏性。而以往的手工洗滌微滴板的方法存在著諸多不足：污染環(huán)境，感染操作者，效率低，測量結果不準確。因此洗板機的應用得到了很大的發(fā)展，然而國內現(xiàn)在的市場和研究水平限制，只能進口國外的先進設備，來進行相關檢測和實驗。因此本次設計就根據(jù)化學發(fā)光儀的工作原理進行設計，目標

2、是能夠設計成較完備的功能齊全的儀器。這將為國內的該項目研究提供具有實際意義的參考。 11 全自動化學分析儀國外發(fā)展概況世界上首臺用于臨床生化檢驗的自動分析儀出現(xiàn)在20世紀50年代，1957年美國泰克尼康公司按Skeggs醫(yī)生的設計方案，生產了第一臺單通道連續(xù)流動式自動生化分析儀。60年代出現(xiàn)了可同時測定多項目的自動生化分析儀。80年代以后尤其是90年代，各種自動化學分析儀競相發(fā)展，在檢測精度、檢測速度和自動化程度等方面均獲得巨大進步。目前，國外生化分析儀正朝著專業(yè)化、通用化、自動化、微量化、組合式和微機化的方向發(fā)展。12 全自動化學分析儀國內發(fā)展概況20年前第一臺全自動化學發(fā)光儀SMA在北京協(xié)

3、和醫(yī)院使用的時候，國內就開始了生化分析儀的研究。知道1996年北京生化儀廠才推出了第一臺國產半自動生化分析儀。1997年以后，國內各廠紛紛投入人力開發(fā)自己的生化分析儀產品，并且平均以每年35%的速度遞增。目前國內的生化儀廠家有20多家，但絕大多數(shù)為半自動低檔產品。直到2002年12月第一臺我國自行研究的全自動化學分析儀在中科院光學精密機械與物理研究所問世。該儀器集光學、精密機械、自動控制、生化、計算機軟件等多學科為一體，采用分立式反應裝置，可自動微量加料，自動添加雙試劑，自動清洗加樣針，交叉污染小，測試迅速、準確，可操作性強。國產全自動化學發(fā)光儀的研制成功，徹底打破了日、美等國公司對該項目產品

4、技術和市場的壟斷，對于推進我國醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。13 本課題的意義生化檢驗在臨床檢驗中占有重要位置，可以用于測定人體血液中多種生化指標，對肝、腎、心以及糖尿病的診斷極為重要。目前我國的全自動化學分析儀發(fā)展水平落后，與日本和美國相比還有較大差距。國內大中醫(yī)院皆花巨資購買進口的設備，因其價格昂貴、維護成本高、試劑成本高。難以在一般的中小醫(yī)院普及，因此研制具有自主知識產權的全自動化學分析儀具有重要的意義。1）可以提高與國外產品的競爭能力?？s小同國際上高檔數(shù)字醫(yī)療產品的差距，填補我國技術上的空白，開發(fā)具有我國特點的大型全自動化學發(fā)光分析儀產品。2）可以促進我國的數(shù)字化醫(yī)療設備產業(yè)的發(fā)展。數(shù)字

5、化醫(yī)療設備產業(yè)從某種程度上代表了一個國家的綜合實力，是國民經濟的一個重要組成部分。隨著國產數(shù)字醫(yī)療產品的出現(xiàn)，已經改變了國外產品壟斷中國市場的歷史局面。3）可以改善我國醫(yī)療產品結構，滿足巨大市場的需求，結束了我國大型全自動生化分析儀依賴進口，維修昂貴的局面，促進我國醫(yī)療衛(wèi)生的發(fā)展。2 儀器的總體功能及機械系統(tǒng)組成21 具體試驗過程描述實驗基本操作流程如圖2.1所示圖2.1 實驗操作流程實際實驗如圖2所示（這里使用第一排孔位進行2份樣品的平行測驗。）代表標準樣品加入的孔位代表待測樣品加入的孔位1）首先向S0，S1，S2，S3，S4，S5孔位中分別加入濃度為0，1，2，3，4，5（注意濃度0標準品

6、是必須的，且濃度需要手動任意輸入）的標準品（即含有已知濃度的抗原，加入體積的量最好在軟件上可調）?？筛鶕?jù)濃度由小到大來加標準品，這樣在加樣過程中可以不用沖洗加樣針。2）用洗液對加樣針進行清洗。3）往U1孔位加入待測樣品1（加入體積的量在軟件上可調）。4）用洗液對加樣針進行清洗。U1U2S0S1S2S3S4S5圖2.2 實驗過程流程步驟5）往U2孔位加入待測樣品2（加入體積的量在軟件上可調）。6）用洗液對加樣針進行清洗。7）向上述加入溶液的孔位中加入酶標抗原溶液（加入體積的量在軟件上可調）。（注意：加樣過程中加樣針不要碰到孔板中的液面，以免污染加樣針）8）用洗液對加樣針進行清洗。9）向上述加入溶

7、液的孔位中加入抗體溶液（加入體積的量在軟件上可調）。（注意：加樣過程中加樣針不要碰到孔板中的液面，以免污染加樣針）10）設置溫育系統(tǒng)的溫度為37，將孔板置于該溫育體系下1個小時左右。（溫育時間最好可以調制，一般都在小時之間進行試驗，極個別會需要5-10分鐘）。11）用洗液對加樣針進行清洗。12）往S0，S1，S2，S3，S4，S5，U1，U2孔位中加入一定量的磁顆粒溶液。（加入體積的量最好在軟件上可調）。（注意：加樣過程中加樣針不要碰到孔板中的液面，以免污染加樣針）。13）設置溫育系統(tǒng)的溫度為37，將孔板置于該溫育體系下10分鐘左右。（溫育時間最好可以調制，一般都在小時之間，極個別會需要5-1

8、0分鐘）。14）磁場撤掉，向孔板中加入清洗液，浸泡10秒；15）加上磁場使磁顆粒吸附在96板孔中的邊角落里，洗板機開始排液。16）上述14、15步驟重復35次。17）撤掉磁場，各個孔中加入發(fā)光底物，靜止5分鐘后進行發(fā)光測量。并記錄發(fā)光信號，進行曲線擬和和濃度換算。22 測定路線在測定過程中96孔酶標板的二維移動方式將有以下幾種情況（如圖3所示），可以實現(xiàn)靈活測定的目的，如下：1）一般測定過程是兩孔的平行測定，順序可以從A1，A2開始到H2，H1，然后從A3，A4到H3，H4依次類推從A11，A12到H11，H12，即第一種測定模式；2）兩孔的平行測定還可以用以下順序：從A1，B1開始到B12，

9、A12，依次類推從G1，H1到G11，H12，即第二種測定模式；3）當任意選定幾個孔時，都可以進行選定孔的測定；4）所選定的幾個孔不相互挨著，也可以進行測定。圖2.3 96孔板的二維移動方式23 機械系統(tǒng)組成機械系統(tǒng)是整個儀器的框架和基礎，主要實現(xiàn)儀器的所有機械運動功能和固定支撐功能。根據(jù)儀器整體設計思路，確定儀器整體布局如圖4所示。a 俯視圖 b 內部俯視圖 c 右視圖 d 主視圖 e 左視圖圖2.4 儀器整體布局儀器上表面從前往后依次布置清洗加樣室門、鍵盤和鼠標、顯示屏（a俯視圖）。內部從前往后依次布置清洗加樣室和暗室（b俯視圖內部）。其中，暗室中布置一個檢測二維工作臺和檢測裝置；清洗加樣

10、室布置有加樣三維工作臺、洗板二維工作臺和磁性分離機械裝置（e左視圖）。另外儀器內部還要集成試劑盒、洗板液壓系統(tǒng)、排風和電控系統(tǒng)等。具體布置會依實際設計情況進行調整。3 加樣系統(tǒng)及其液壓模塊31 加樣三維工作臺系統(tǒng)工作臺上安裝有加樣針，為X-Y-Z三維工作臺，具體原理如圖所示。圖 加樣三維工作臺機械原理圖三維工作臺最下層為X臺，由電機1驅動、同步帶傳動1傳動，直線導軌1（導軌1和滑塊1）導向，實現(xiàn)X向運動。X臺上面為Y臺，由電機2驅動、同步帶傳動2傳動，直線導軌2（導軌2和滑塊2）導向。Y臺上面為Z臺，由電機3驅動、同步帶傳動3和絲杠螺母副傳動，直線導軌3（導軌3和滑塊3）導向。絲杠螺母副采用傳

11、導螺旋設計、并具備自鎖功能，傳動形式為螺桿轉動，螺母移動。螺母和滑塊固聯(lián)在一起，二者由絲杠帶動一起上下（Z向）運動。32 洗針池在加樣過程中需要經常清洗加液針，洗針池具體結構如圖所示。圖洗針池結構原理圖洗針池外形為池形結構，池子底部開一個通孔和一個盲孔。其中通孔在清洗加樣針內壁時使用、盲孔在清洗加樣針外壁時使用。清洗加樣針時，首先通過加樣針三維工作臺把加樣針運動到洗針池的內壁清洗孔上方，加樣針泵泵出純凈水，純凈水沖洗加樣針內壁并把廢液通過內壁清洗孔和管路直接排到廢液瓶中，完成加樣針內壁清洗；接著通過加樣針三維工作臺把加樣針運動到外壁清洗孔上方，把加樣針伸入外壁清洗孔內，加樣針泵泵出純凈水，純凈

12、水排進外壁清洗孔內上翻并沖洗加樣針外壁，溢出外壁清洗孔的廢液流進廢液池內，通過內壁清洗孔和管路排到廢液瓶中，這樣就完成了加樣針的清洗。33 加樣工作過程1）位置的確定：待加樣的試液排放在暗室的一側，根據(jù)排放順序確定各種試液的X、Y坐標；加樣時96孔板通過檢測二維工作臺進入加樣工位，加樣孔的位置可以通過坐標轉換算出其在三維工作臺坐標系中的X、Y坐標；待加樣的試液容器底部以及96孔板底部平齊，這樣取液和加液高度Z一致；2）動作過程：指定取液和加液的目標；96孔板通過檢測二維工作臺進入加樣工位；根據(jù)取液的目標得到取液X、Y坐標，加樣針到達取樣位置；Z向運動到取液高度，取液；Z向運動回到初始高度，根據(jù)

13、加液的目標得到加液X、Y坐標，加樣針到達加樣位置，Z向運動到加樣高度，加樣。34 加樣液壓系統(tǒng)本次設計涉及到液壓的地方有兩個方面，分別是加樣系統(tǒng)和洗板系統(tǒng)。加樣液壓模塊設計主要是要求加樣準確，精度要求比較高，本次設計采用是YYSP-C1型工業(yè)柱塞泵，YYSP-C1是一款結構緊湊，用于精密流體傳輸?shù)腛EM產品，通過計算機或微處理器對其進行控制，自動完成移液、稀釋和分配功能。下面針對其進行簡要介紹。圖加樣泵結構原理圖1）YYSP1-C1主要特點適用注射器尺寸規(guī)格：50uL to 5mL行程控制精度：5（30%滿行程）滿行程：30mm(3000步)控制分辨率：0.01mm(1步)適用閥：3口，3口分

14、配，T型，Y型，4口流體接觸的材料：硼硅酸鹽玻璃Kel-F和Tef1on通訊接口：RS-232/RS-485單程時間：滾珠絲杠驅動活塞，編碼器失步監(jiān)測錯誤報告可編程存儲輸入輸出接口單路24直流電源供電YYSP1-C1功能描述YYSP1-C1使用步進電機驅動注射器和閥完成抽取和分配定量液體。注射器和閥可更換。2）注射器和注射器驅動由步進電機帶動滾珠絲杠驅動活塞推拉器，注射器活塞與活塞推拉器聯(lián)動。通過失步檢測編碼器控制活塞運動。注射器活塞滿行程30mm，共分為3000步，分辨率1步?；钊ㄟ^活塞固定螺釘固定在推拉器上，針管的頂部和閥通過1/41128螺紋連接。3）閥和閥驅動閥由Kel-F閥體和Te

15、flon閥芯組成。閥芯在閥體內旋轉連通注射器口和不同的輸入和輸出，閥采用步進電機驅動，通過編碼器監(jiān)測位置。此次設計中使用加樣泵來進行加樣，首先管路將純凈水和加樣針通過三口閥接到加樣泵上面，初始化加樣泵使純凈水充滿管路，因為洗板機是一臺精密的儀器，加樣的量需要非常準確，如果不是管路沒有充滿水，而是空氣那么在加樣時就會壓縮空氣而產生誤差。4）加樣的工作過程加樣泵的三口閥下邊的一端接泵本身，另外兩端一個接輸入（純凈水），另一個接輸出（加樣針）。首先加樣泵工作，將連接輸入和輸出的管充滿純凈水，防止有氣泡，引起加樣的誤差，然后加樣針伸入化學試劑的試管，由上位機控制泵的步進電機的運行步數(shù)，柱塞下移，吸取一

16、定量的液體，在由加樣工作臺，載著加樣針移動到指定位置（96模板孔），泵反轉相同步數(shù)，柱塞上移，（同時將輸入端關閉）將剛才吸取的液體，加到模板孔內，完成加樣過程。另外，加樣過程中間在加不同種液體時需要清洗加樣針，避免交叉污染以確保實驗精度。洗針過程為首先移動工作臺至加樣針到達洗針池上方，首先洗內壁，加樣針對準通孔，加樣泵工作噴純凈水，反復幾次。Y軸工作臺平移至加樣針對準盲孔位置，加樣針下移同理噴純凈水，反復幾次，洗針結束。4 洗板系統(tǒng)41 洗板二維工作臺系統(tǒng)工作臺上安裝有洗板頭，為X-Z二維工作臺，具體原理如圖所示。圖 洗板二維工作臺機械原理圖X臺在底部，由電機1驅動，同步帶傳動1傳動、直線導軌

17、副1（導軌1和滑塊1）導向。Z臺安裝在滑塊1上，采用電機2驅動，同步帶傳動2傳動。同步帶豎直（Z向）布置，帶的一邊連接進液針、另一邊連接排液針和磁棒。進液針、排液針和磁棒分別通過豎直（Z向）布置的直線導軌導向。電機正轉時，進液針下降、排液針和磁棒上升，進液針到達進液工位、磁性分離并進行加液。電機反轉時，排液針和磁棒下降，進液針上升，排液針和磁棒到達排液工位、磁性接合并進行排液。在洗板以外的時間，加液針、排液針和磁棒位于中間工位?？紤]到磁性結合和分離的實現(xiàn)以及試驗中96孔板的板孔通常雙排使用，這里進液和排液針均雙排布置，可以在滿足磁性結合和分離的前提下實現(xiàn)洗板效率的翻番。42 洗板液壓系統(tǒng)洗板液

18、壓系統(tǒng)依據(jù)正負壓原理實現(xiàn)清洗液加注和廢液排出，具體原理如圖所示。圖洗板液壓系統(tǒng)原理整個系統(tǒng)由一個進液針洗板頭、一個集成有排液針和磁棒的洗板頭、2個氣泵、一個節(jié)流閥、兩個電磁閥、一個清洗液瓶、一個負壓瓶、一個廢液瓶以及電源及控制信號組成。泵1向清洗液內泵入氣體，流量可通過節(jié)流閥調節(jié)，清洗液瓶內產生正壓力，深入清洗液的管子壓入清洗液，若控制信號打開電磁閥1則清洗液即可通過進液針頭把清洗液注入96孔板。泵2向負壓瓶外泵氣，使負壓瓶中形成負壓力，廢液瓶和負壓瓶通過管路使空氣聯(lián)通，從而廢液瓶中也存在負壓力，若控制信號打開電磁閥2則排液針頭通過管路和廢液瓶聯(lián)結，當排液針頭浸入96孔板的廢液中時，由于負壓作

19、用使廢液排入廢液瓶。實際中遇到的問題：一、在實驗過程中，控制信號和電磁閥之間由固態(tài)繼電器控制，上位機發(fā)送初始信號的時候，由于開始不知道該固態(tài)繼電器為常閉型，在開始給機器供電時會有一個很短的信號，使電磁閥開一下，但是由于清洗液瓶中存有一定壓強，會有沙量液體通過進液針進入96模板，但是等正式加液體時，模板中已經有了少量液體，就會有液體溢出，（加液體的時間是固定的）。經過討論反復試驗，終于發(fā)現(xiàn)原因出在固態(tài)繼電器上面，換了一個常開型的繼電器，該問題得到解決。二、在吸液的時候，為了能夠吸干凈，得讓吸液針伸到96模板孔德底部，否則就會有殘余液體遺留，而影響擦亮精度。但是問題就出現(xiàn)在，吸液針伸到底部時有可能

20、會堵住吸液針的孔，而其它孔中吸收完了以后，負壓瓶中的負壓就回急速下降，從而吸不干凈。故而采取措施，將吸液針的針頭，做成有凹槽型的，這樣就不會完全堵住，試驗后結果證明，效果很好。43 溢液處理洗板過程中可能會出現(xiàn)控制參數(shù)不合適導致溢液，這種情況在系統(tǒng)調試過程中也會出現(xiàn)。這里對檢測二維工作臺臺面進行特殊設計，臺面四周開溢流槽，在其中一個角落開一個排液孔。具體實現(xiàn)原理如圖所示，洗板時96孔板隨檢測二維工作臺臺面運動到暗室外面的加樣、洗板工位，在加樣、洗板工位下面放置一個接液體的容器。洗板過程中出現(xiàn)溢液時，液體通過溢液槽集流、通過排液孔排到接液體的容器中，從而避免了污染溫育模塊的半導體加熱塊和儀器的其

21、它部分。圖溢液處理原理圖44 洗板工作過程1）位置的確定進液針橫向布置，寬度和96孔板寬度一致，每排8個進液針，共2排，一次加清洗液2排16個孔，水平運動時只需根據(jù)實際布置情況確定X坐標；排液針和磁棒橫向布置，寬度和96孔板寬度一致，每排8個排液針，共2排，一次排廢液2排16個孔，每4個排液針中間布置一根磁棒，共4根磁棒。排液針和磁棒與進液針相鄰布置（若進液針對著第3、4排孔，則排液針和磁棒對著第1、2排孔），水平運動時只需根據(jù)實際布置情況確定X坐標；洗板時96孔板通過檢測二維工作臺進入洗板工位，清洗位置可以通過坐標轉換算出其在洗板二維工作臺坐標系中的X坐標；根據(jù)進液針、排液針和磁棒、96孔板

22、的空間布置合理確定加液和排液高度Z。2）動作過程：指令清洗任務和參數(shù)；根據(jù)96孔板尺寸，二維工作臺調整清洗的X坐標，依次雙排清洗。根據(jù)第1、2排目標清洗孔X坐標位置，運動到工作位置；Z工作臺電機正轉，進液針下降、吸液針和磁棒上升，磁性分離，進液針加液；Z工作臺電機反轉，進液針上升、吸液針和磁棒下降，二維工作臺調整清洗的X坐標，進液針運動到第3、4排目標清洗孔X坐標位置；Z工作臺電機反轉，進液針上升、吸液針和磁棒下降，磁性結合，排液針排液；繼續(xù)-完成其它孔排的清洗。5 溫育溫控模塊設計自動溫度控制儀器對溫度進行控制的基本原理是：根據(jù)不同時刻應達到溫度的理論值和實測值進行比較計算后得到一個控制量，

23、再由這個控制量來進行解調輸出，控制過程見圖：圖 溫度控制原理圖本設計采用溫控表，固態(tài)繼電器，鉑電阻，加熱片構成的溫控模塊。其中溫控表是用來設定溫度值，以及顯示溫度的。繼電器是控制加熱板的經加熱電路開 關的，當溫度高于設定溫度時，繼電器就斷開加熱電路，停止加熱，如果溫度低時，就繼續(xù)加熱。鉑電阻就是傳感器，由他來接收溫度信號，傳給溫控表進而進行其它行動。其中心部件是溫控表下面就對其特點和使用方法進行介紹。本設計采用的是XMT7100智能PID溫控儀，以下簡要對其進行介紹。51 XMT7100主要技術指標工作電源：AC85260V/DC85360V整機功耗：小于2W采樣速率：4次/秒測量精度：0.2

24、%FS溫度顯示范圍：-19999999SSR驅動電平：開路電壓8V，短路電流40mA顯示數(shù)碼管：英寸超限顯示：“EEEE”環(huán)境溫度：0+50攝氏度，濕度小于85%RH繼電器觸點容量：AC220V 3A外形尺寸：48x24x75（毫米）開孔尺寸：45x22（毫米）52 面板說明1）AL-繼電器指示燈（有輸出時亮）參數(shù)向下選擇鍵/增加鍵參數(shù)向上選擇鍵/減小鍵移位鍵/自整定鍵設定鍵/確認鍵OUT-控制輸出指示燈（有輸出時亮）、AL-自整定時閃爍（長按自整定鍵后）儀表顯示窗口53 參數(shù)設定說明531初始功能參數(shù)（進入方式，按（set鍵），輸入密碼0089） 1）初始功能參數(shù)介紹注1： 0：繼電器報警輸

25、出；無SSR電平輸出。常用于上下限報警或位式控制，SV值在此輸出方式時無效。 1：繼電器有觸點式PID控制輸出；無SSR電平輸出。（儀表控制的目標值為SV，AH1，AL1無需設定）。 2：繼電器報警輸出；SSR電平無觸點式PID控制輸出。注2：自整定時下調值，用于防止自整定時出現(xiàn)超調。注3：溫度單位選擇corf：0為攝氏度（）；1為華氏度（）。當溫度單位為“1”時，儀表顯示的溫度值和其它參數(shù)值均為華氏溫度。2）初始功能參數(shù)設定方法設定要點：按set鍵進入設定狀態(tài)；使用鍵、AL1繼電器動作見圖1常用于上限報警；AH1鍵，直到“AT”燈開始閃爍，這時儀表進入自整定狀態(tài)；當“AT”燈熄滅，自整定過程

26、完成，儀表按自整定時計算出的PID參數(shù)開始運行。（控制輸出方式時“outy”選1或2）中止自整定：自整定過程中，長按鍵，直到“AT”燈熄滅，自整定過程中止，原PID參數(shù)不變。55 端子圖*：該儀表在使用直流電源供電時，1號端子為正極，2號端子為負極。56 儀表應用用戶需要控制加熱溫度，溫度要求測溫范圍為，溫度控制在37，系統(tǒng)供電電源為AC220V，儀表開孔尺寸為44X20（mm）驅動器采用固態(tài)繼電器（SSR）。1)儀表選型：儀表選用XMT7100智能PID溫控儀溫度傳感器選用K型熱電偶。2)儀表接線：見圖3)參數(shù)設定：溫度傳感器類型（inty）=K控制輸出方式（outy）=2自整定偏移值（At

27、du）=10傳感器零點誤差修正值（Psb）=0工作方式（rd）=0溫度單位選擇（Corf）=0數(shù)字濾波系數(shù)（Filt）=0PID參數(shù)使用自整定結果溫度設定及報警參數(shù)設定如下溫度設定值（SV）繼電器吸和值（AH1）=37繼電器釋放值（AL1）4)啟動儀表：（用自整定方式進行PID控制）儀表上電后，長按鍵，直到“AT”燈開始閃爍，這時儀表進入自整定狀態(tài)；“AT”燈熄滅后，自整定過程完成，儀表按自整定出的PID參數(shù)開始正常運行，將爐溫控制在37。57 本次設計過程中出現(xiàn)的問題及解決辦法在設計中按SSR固態(tài)繼電器接法安裝結果表明溫度不能穩(wěn)定在設定溫度。本次采用的XMT7100型號的溫控表外接的SSR繼

28、電器只能是交流的，如果接直流的，會因為波形的不同而不能正常工作。后來經過試驗和向老工程師咨詢后，發(fā)現(xiàn)固態(tài)繼電器的波形和溫控表9、10引腳的輸出波形不匹配，不能控制固態(tài)繼電器的通斷，而直接將加熱電路接入4、5引腳，直接由溫控表控制加熱電路的通斷，進而將溫度穩(wěn)定在需要的溫度。工作原理是溫控表預先設定好溫度（SV=37），然后通過熱電偶反饋將溫育板的溫度檢測結果傳給溫控表，通過溫控表的PID控制，控制4、5引腳的通斷，如果溫度高于設定溫度則斷開，停止加熱。反之則繼續(xù)加熱。另外實際操作中發(fā)現(xiàn)原來使用的加熱片是兩片功率為5W的加熱片，但是加熱到37很慢，甚至當外界溫度不高時，無法達到預設溫度（由于散熱過

29、快）。后采用兩片10W的加熱片，能夠較快的到達預設溫度，減少預熱時間，同時降低了對環(huán)境溫度的要求，提高了操作人員的工作效率。6 光電倍增管PMT及檢測系統(tǒng)簡介61 光電倍增管簡介光電倍增管：Photo Multiplier Tube，簡稱PMT，是靈敏度極高，響應速度極快的光探測器?？蓮V泛應用于光子計數(shù)、極微弱光探測、化學發(fā)光、生物發(fā)光研究、極低能量射線探測、分光光度計、旋光儀、色度計、照度計、塵埃計、濁度計、光密度計、熱釋光亮儀、輻射量熱計、掃描電鏡、生化分析儀等儀器設備中。61 1 光電倍增管的一般結構光電倍增管有光發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極（陽極）等組成。典型的

30、光電倍增管按入射光接收方式分為端窗式和側窗式兩種類型。其主要工作過程如下：當光照射到光陰極時，光陰極向真空激發(fā)出光電子。這些光電子聚焦極電場進入倍增系統(tǒng)，并通過進一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因為采用了二次發(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電彈出去中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應速度快、成本低、陰極面積大等優(yōu)點。612 光電倍增管的基本特性1）靈敏度和工作光譜區(qū)光電倍增管的靈敏度和工總光譜區(qū)主要取決于光電倍增管陰極和陽極的光電發(fā)射材料。當入射到陰極表面的光子能量足以使電子脫離該表面時才發(fā)生電

31、子的光電發(fā)射。隨著入射光子波長減小，產生光電子發(fā)射的效率將增大，但光電倍增管窗材料對光的吸收也隨之增大。顯然，光電倍增管的短波響應的極限主要取決于陰極和陽極材料的性能。一般用于可見-紅外光譜區(qū)的光電倍增管用玻璃窗，而用于紫外光譜區(qū)的用石英窗。光陰極一般選用表面功函數(shù)低的金屬材料，如和紅外光譜區(qū)選用銀-氧-銫陰極，而紫外光譜區(qū)的采用多堿光陰極或梯-碲陰極。光電倍增管的靈敏度S是指在1lm的光通過量照射下所輸出的光電流的強度，即S=i/F。顯然，靈敏度隨入射光的波長而變化，這種靈敏度稱為光譜靈敏度，而描述光譜靈敏度隨波長而變化的曲線稱為光譜響應曲線，由此可確定光電倍增管的工作光譜區(qū)和最靈敏波長。2

32、）暗電流與線性響應范圍光電倍增管在全暗條件下工作時，陰極所收集到的電流稱為暗電流。對某種波長的入射光，光電倍增管輸出的光電流為：i= KIi + io，式中，Ii對應于產生光電流i的入射光強度，k為比例系數(shù)，io為暗電流。由此可見，在一定范圍內，光電流與入射光強度呈線性關系，即為光電倍增管的線性響應范圍。當入射光強度國語強大時，輸出的光電流歲光強的增大而趨向于飽和。線性響應范圍的大小與光陰極的材料有關。暗電流的來源主要是由于極間的歐姆漏阻、陰極或其它部件的熱電子發(fā)射以及殘余氣體的離子發(fā)射、場致發(fā)射和玻璃閃爍等引起。當光電倍增管在很低電壓下工作時，玻璃芯柱和管座絕緣不良引起的歐姆漏阻是暗電流的主

33、要成分，暗電流隨工作電壓的升高成正比增加；當工作電壓較高時，暗電流主要來源于熱電子發(fā)射，由于光電陰極和倍增極材料的電子溢出功很低，甚至在室溫也可以有熱電子發(fā)射，這種熱電子發(fā)射隨電壓升高暗電流成指數(shù)倍增；當工作電壓較高時，光電倍增管內的殘余氣體可被光電離，產生帶正電荷的分子離子，當與陰極或打拿極碰撞時可產生二次電子，引起很大的輸出噪聲脈沖，另外高壓時在強電場作用下也可以產生場致發(fā)射電子引起噪聲，另外當電子偏離正常軌跡打到玻殼上會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象引起暗電流脈沖，這些暗電流均隨工作電壓升高而急劇增加，使光電倍增管工作不穩(wěn)定，因此為了減少暗電流，對光電倍增管的最高工作電壓均加以限制。3）噪聲和信噪比在入射

34、光強度不變的情況下，暗電流和信號電流兩者的統(tǒng)計起伏叫做噪聲。這是由光子和電子的量子性質而帶來的統(tǒng)計起伏以及負載電阻在光電流經過時其電子的熱騷動引起的。輸出光電流強度與噪聲電流強度之比值，稱為信噪比。顯然，降低噪聲，提高信噪比，將能檢測到更微弱的入射光強度，從而大大有利于降低響應元素的檢出限。4）工作電壓和工作溫度光電倍增管的工作電壓對光電流的強度有很大的影響，尤其是光陰極與第一打拿極間的電壓差對增益（放大倍數(shù)）、噪聲的響應更大。因此，要求電壓的波動不得超過0.05%，應采用高性能的穩(wěn)壓電源供電，但工作電壓不許超過最大值，否則會引起自發(fā)放電而損壞管子，工作環(huán)境要求恒溫和低溫，以減少噪聲。62 檢

35、測系統(tǒng)簡介621 檢測二維工作臺系統(tǒng)工作臺上安裝有溫育模塊的半導體加熱器，為Y-X二維工作臺，具體原理如圖所示。圖 檢測二維工作臺機械原理圖工作臺下層為Y臺，由電機1驅動、同步帶傳動1傳動，直線導軌1（導軌1和滑塊1）導向，實現(xiàn)Y向運動。X臺通過固定在Y臺的滑塊1上，由電機2驅動、同步帶傳動2傳動，直線導軌2（導軌2和滑塊2）導向，實現(xiàn)X向運動。每個工作臺安裝2個位置傳感器，作為極限位置限定，其中一個可以作為初始工作位置使用。62 2 光路開關機械裝置光路開關機械裝置為單自由度Z向運動裝置，具體原理如圖所示。圖 光路開關機械裝置原理圖光電倍增管通過廠家專配的安裝座固定在安裝法蘭上，安裝法蘭固定

36、在一個和暗室側壁固聯(lián)在一起的固定板上。遮光法蘭通過外圓柱面和固定板內孔實現(xiàn)帶導向的Z向（上、下）運動。遮光法蘭通過螺栓和固定板上面的安裝板固定在一起，安裝板通過一個拉式電磁鐵驅動。檢測時，電磁鐵斷電，靠彈簧彈力把遮光法蘭壓在96孔板上；換檢測孔時，電磁鐵通電動作帶動遮光法蘭上升，使遮光法蘭脫離96孔板。62 3暗室門機械裝置暗室門機械裝置具體原理如圖所示。圖6.3 暗室門機械裝置原理圖儀器關機狀態(tài)或檢測時檢測二維工作臺位于檢測工位，工作臺臺面位于暗室內。當開機以及加樣、溫育和洗板時需要檢測二維工作臺運動至加樣、洗板工位，這時檢測二維工作臺臺面頂開暗室門，伸到暗室外面。當關機或檢測時檢測二維工作

37、臺運動到檢測工位，暗室門靠扭轉合頁的彈力自動關閉。 結 束 語此次畢業(yè)設計，基本上完成了預期目標，儀器的各項功能都能夠較好的完成，且結果相對較準確。機械方面：各種運動均能實現(xiàn)，且具有較好的容錯功能，對各種可能出現(xiàn)的問題，加以修正，避免了錯誤操作，可能引起的儀器損壞。另外機械外觀設計還在滿足要求的前提下盡量滿足了美觀實用的要求。雖然本次設計基本上完成了，但是由于時間有限且是第一臺，在所難免會有各種不足。在實際工作中我們通過各種措施，盡量減少了這些不足。如在加樣過程中，X軸運動系統(tǒng)會產生震動，導致噪聲很大，然而單獨運動X軸沒有震動，后來經過分析，看兩次的不同的地方，發(fā)現(xiàn)X軸的運動系統(tǒng)，需要帶動Y、Z軸一塊運動，而加樣的過程中，Y軸電機運動到懸臂梁的較遠端，因此易產生共振，后來，程序調試，使其X方向運動之前先將Y軸的電機運動到懸臂梁的根部，盡量減少懸臂力矩，結果噪聲有了很大的改善。另外這臺儀器結構比較復雜，要求實現(xiàn)的功能較多，所以線路布局可能不太美觀，這些在當初設計時沒有完全考慮好。但是經過第一臺的設計，對這一方面有了更好的掌握。此次畢業(yè)設計由于設計的是樣機且時間限制，難免有各種不太規(guī)范的地方，在下一步的設計中將會將會把以前出過的問題得到很好的改善。 致 謝實踐是檢驗真理的唯一標準，當然也是檢驗學習成果的標準。在經過一段時間