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[原创]医疗器械常用光电器件原理及判断

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郑振寰 发表于 2007-9-17 16:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

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对于光电器件本站已经介绍的很多了,但发现询问者依然很多,考虑原因主要是搜索能力差,不会举一反三。这次将我们在医疗器械中常见的光电器件综述一下,希望对大家有所帮助。

光电器件我们常见的很多,叫法也不同:光耦,光电隔离,光电开关,位置传感器,液体传感器,包括血球常用的HGB比色计等等都属于光电器件。

下面分别描述,请在我没有写完之前不要跟贴,以免破坏文章的完整性。

 

首先,说一下固态光电器件,一般多用于电源电路或者马达、泵等驱动电路,有光电三极管,光电可控硅等,大部分是DIP封装的,类似集成电路,但颜色多为白色,而不是常见的集成电路的黑色。

其原理大致如下:

2007-9/200791716213472018.jpg

A图是光电三极管,很多是没有基极引出的,也就是说6脚是空的,B图是光电可控硅,这个在F820的负压泵电路上运用。1、2脚就是一个二极管,只不过是发光二极管,测量好坏只需要按照二极管的测量就可以了,正向导通反向截至,否则就是损坏。在线通电测量是1脚也就是二极管的正端对地应该为2V左右,如果是5V或者更高(根据电源来的,电源是5v那么就最高是5V,如果电源是12V,那么最高会到12V)则是没有导通,也就是没有起作用,可以间接判断为损坏。当然,这种情况是在2脚接地的情况下作出的,如果2脚不是直接接地,是通过一个电阻接地的,那么要检查这个电阻是否断路,如果电阻断路则无论是否有电源都会不导通,因为没有回路。如果1脚没有电压,则是电源没有接通,需要检查前面的触发电路,后面会讲到。输出的判断,静态二极管测量4、5脚,正反向都是不导通的。半通电测量,就是在输入端1、2脚接2.5V左右的电压,4、5脚会测量到导通的信号,1、2脚断电,则4、5脚不导通,前提是断开4、5脚相连的电路。如果没有这个变化,则可以断定输出端损坏。全电路在线测量,1、2脚通电或断电,5脚的电压由5v(或者12v)下降到0v,或者相反由0v上升到5v(或者12v),这是根据电路的不同会有区别,只要有这个变化,就是正常的,否则就是损坏,也有的电路不同,这个电压可能是半幅,也就是说5v(12v)到2v(5v)的变化,这也是正确的.这个前提是输出连接的电源是5V或者12V,直流,如果输出连接的高电压或者交流电路,那就另外测量了。

此种电路的替换原则还是同类型的替换,有人询问是否可以用槽型光电开关替换,这种固态的光电开关响应速度极快,槽型光电开关是没有这么快的速度的,除非你要求不严格,否则替换后其他问题就出来了。

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 楼主| 郑振寰 发表于 2007-9-17 18:26 | 显示全部楼层

自反射型的光电器件应用很多,多用在定位方面,也有应用到液体检测方面(液面对光的折射反射)。

应用到定位方面时,一般在移动部件上有个反射区,例如泰利特50尿机上的白色光点就是反射区。

其发射和接收(也就是输出)的好坏判断,完全与1楼的固态光电器件一样,只不过用于定位和液体检测方面的输出电压不会超过5v(或12v)。

所有的自反射光电器件都有一个反射角度,例如45度,60度,90度,120度等,所以,测试的时候,除了用镜子当反射区外,也要注意角度问题。还有就是反射区离自反射光电器件的距离,太远也是无效的,就需要重新对机械部分进行装配。此类光电器件稳定性极高,绝少有损坏的,大部分是反光区太脏或者机械装配出现问题导致无法反射造成的。

槽型光电器件应用更为广泛,位置传感器或者门限开关(当然采用弹簧开关例外)等都能见到。此类开关损坏率很高,破损率也很高,一般是由于机械部件位置发生改变导致定位块冲撞槽型开关导致机械损伤。

检测方法也是与1楼完全一样,作为位置开关使用时,电路及其简单,发射部分近需要一个电阻分流分压,接收部分一般会经过一个限流电阻给下一级提供一个高(低)电平信号。可以用阻挡的方式来检测接收好坏,在发射通电的情况下,阻挡或不足挡光电开关,接收端输出有高低的变化,就说明正常,否则可以判断为损坏。

这种电路有两种状态,如下图:

2007-9/200791717562474169.jpg

A图是常见的常开电路,也就是说输出平时是关闭的,只有当输入端出现高电平信号,三极管BG导通,12V电源通过分压电阻--发射管--BG--地形成回路,发射管发光,接收管(输出)导通。

B图是常闭电路,发射管平时总是处于通电状态,总是发光的,接收管总是导通的,当输入端出现高电平信号,三极管BG导通,对发射管产生偏置,电流就通过BG流走了,不会经过发射管了,发射管不通电,输出也就关闭了。

在槽型光电器件中,判断是否是开关的好坏,需要注意的是下面两点:

第一,更换原则和质量。此类槽型开关,一般只要尺寸合适就可以替换,但替换质量多少要注意,市面上1元钱一个的槽型开关很多,大多质量低劣,安装上去之后要么很快损坏,要么就是脱落,这里的脱落指的是槽型开关的外壳与发射和接收管之间脱落。由于外壳是注塑的,注塑后,再把发射和接收管插到槽内,好一点儿的会利用粘合剂封装一下,差的干脆就插进去了事,安装到机器上后,由于震动,发射接收管脱落,就剩下一个槽在机器上固定着,发射和接收管根本就不在里面,也就失去了作为开关的作用了。

第二,机械和操作问题。大多数机械传动机构都有自动复位功能,除了KX21的冲洗块,因为设计者认为,无论怎么动作都会回到初始位置的,也就是上端,不会出现在下端不上来的情况,但设计者没有考虑到冲洗块在下部的时候突然停电,再通电的时候就会报位置错误的。

自动复位的,一般也就是单方向复位,如果动作前没有在传感器上检测到移动机构,那么,会自动从远离传感器的方向向传感器方向旋转马达,使移动机构到达传感器检测位置。看下图:

  光电.jpg
上图中,红线区域是传感器的检测位置,当移动装置处于B和C点之间的情况时,再动作开始时,程序会自动让移动装置从C点往B点移动,直到移动装置达到监测区,然后才开始正常的动作。这样是防止由于人为的检查或者调整导致移动机构不在初始位置而导致的错误发生。但这里面也同样出现一个问题,由于槽型光电开关一般都不在移动机构的最顶端,一般都留有一定的空隙,也就是A和B的距离。这样做一般是为了保护光电开关,防止马达或者程序失控冲撞光电开关,或者留有调整的余量。这样的情况下,如果人为的把移动块移动到A和B之间的话,光电开关也是检测不到的,程序依然认为移动块会在B和C之间,所以通知马达从C向B移动,而实际上是从B向A移动,当移动到A点时,传感器依然没有检测到,马达依然旋转,也就带动移动块不断的冲撞顶点,发出很大的噪音。这个时候,只要手工将移动块移动到B和C之间就可以解决这个问题,所有,要细心检查,不一定都是损坏。还有就是有些程序在C向B移动的时候,是记忆步进数,而不受光电器件的监控的,当下降受阻,没有下降到应有的位置而上升时又要按照步数上升,自然就会撞倒顶端,下次动作的时候也就会出错。还是这种情况,如果是光耦损坏,发射或者接收损坏,输出端没有开关信号的改变,就是说总是开路的,那么电路会认为移动部件在光电检测位置,动作开始时需要将移动部件拉离这个位置,但由于损坏,无论怎么运动都没有短路信号的出现,也就继续拉动直到到头,这就是单方向远离光耦运动。如果接收端短路,无论移动部件在什么位置都认为没有到位,于是程序引导移动部件继续朝光耦方向运动直到到头。这就是两种单方向运动的状态。

如果替换的时候,由于标示不清,无法分辨那是发射那是接收时,通过二极管测量正向导通反向截至的原理,即可判断出发射端,至于接收端由于是开关,所以集电极或者发射极方向都是无所谓的。

有些情况下,替换后,依然不起作用,经过测量得知发射端依然是5V(12V)也就是没有导通,那么这种情况就是那个限流电阻的问题了,不同的发射管其限流电阻也不同,都有一个范围,超出这个范围也就不会导通发射管,所以,适当改变限流电阻的阻值会解决这一问题的。



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 楼主| 郑振寰 发表于 2007-9-17 19:02 | 显示全部楼层

在作为液体检测使用的光电开关中,槽型开关还是很多的,常见的ABX,POCH100,COULTER的设备都是采用槽型光电开关的,只不过电路有些不同罢了。

这些光电开关本身的判断根1楼完全一样。电路的不同是在发射端,发射端有一个可调电位器,用来调整发射光的强度,这是因为这种开关由于通过管路检测液体,管路由于经过长时间的液体浸泡,会造成透光度下降,如果固定发射电压的话,就需要经常更换管路,造成不必要的麻烦和费用,在管路太脏的情况下,适当提高发射电压就可以继续使用了。大概电路如下:

光电.jpg.jpg
上图可以看出,发射端接了一个可调电位器,这个电位器可以在5V以内的范围内自由调整,接收端连接的是放大器,在放大器的输入端会有一个测试点,这个测试点是用来监测阈值的。目的是调整可调电位器使OFFSET达到高电平标准。

调整的原则是这样的,当管路中没有液体的时候,这个点的阈值也就是OFFSET电压一定大于3V,因为这是高电平的标准。常见的有3,5V,4V,4.5V等,有液体的时候,这个点的电压一定是小于1V的,一般是0.2以下。但注意的是,只能通过无液体的时候调整,有液体调整不准确。

但有时候替换件的性能跟原件不是那么相符,无液体阈值虽然调整到了要求,但有液体时电压却达到1V以上甚至2V以上,这就无法达到低电平的要求。这样的情况就要调整有液体的 状态下,此点电压要1V以下,并且验证无液体的情况下要达到3V以上,这样反复调整才可以。当然这是临时处理方案。

还有的类似光电开关是完全分离的,就是说发射和接收是完全不同的两个东西。这种光电开关最常见的是在血球中定量管检测电路中,例如ABBOTT的定量监测,分别替换检查就是。

要说明的是,上述光电开关都是非可见光的,也就是红外线发光的,可见光不会对其有任何影响,有些人用强光手电照射来判断是否损坏是无效的。

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 楼主| 郑振寰 发表于 2007-9-17 20:01 | 显示全部楼层

在HGB比色中,也是光电检测电路,不过不同点还是很多的。看下图:

  光电.jpg.jpg

首先是HGB比色中的发射光是可见光,而且有波长要求,采用氰化高铁比色法的,采用540NM波长,采用无氰比色法的,采用550-555NM波长,这些发射管一般采用定做波长的LED,也有采用白色光加滤光片的,效果都是一样的。

其次,发射端一定是恒流源,电流的恒定才能保证发光的稳定,不会导致闪烁的发生。恒流源一般采用专用的电源电路进行匹配,一般导通的时候发射管电压为2-2.5V左右。也是二极管特性,不过这个好坏检测变得容易很多,光看发射光是否有就行了。不过,有时候发射光会黯淡,有两个可能,一个是发射管老化导致光亮度下降,这个时候就要更换发射管,或者提高恒流源的电压来提高发射管的亮度(至于如何调整,就要看恒流电路是如何的了),另一个是池子或者滤光片透光性不好了。

还有就是接收端的电路差别,一般HGB接收电路需要经过2级以上的放大电路,初级放大是用来放大信号的,次级放大是用来调整和放大信号的。

由于发射端的不可调整,那么在有稀释液的时候(注意是干净的稀释液,不是无液体),接收端二级放大电路中,就需要有一个增益的调整,将初级放大信号调整到高电平的范围,也就是3V以上。常见的有3.5V,4V,4.5V,4.8V等等,一般在5V以下。当溶血剂作用下的标本进入的时候,电压会下降,下降的幅度不定,根据标本的HGB浓度改变。所以,当这一点增益的电压无论怎么调整都不改变的情况下,基本上可以断定初级电路或者接收管损坏。

由于接收端一般采用光电接收二极管,这样灵敏度很高,准确性线性都很好,很少采用光电接收三极管或者光电池的,但电路标示一般都画成三极管模样。直接进行光线的阻挡,可以通过二极管档方便的测量出不导通和导通的状态,并且光线强度的不同,导通状态也随之改变。通过此法可以简单的判断接收管是否损坏。

由于接收管接收到的信号很微弱,需要通过MV才能测量出来,而且由于是可见光,受光线的影响也非常大,因此需要避光,所以,经常见到HGB单元是黑色密闭容器或者有黑色屏蔽装置。

当出现HGB值混乱的时候,排除发射管和其他因素后,问题固定到接收和电路部分的时候,可以通过测量接收管的空白电压和标本电压来进行计算,来判断一下接收管是否正常。用已知HGB值得标本,例如HGB为110g/L,空白接收电压为45mv,标本电压为35MV,那么HGB约等于log(空白电压/标本电压)也就等于109左右,这与靶值差不多,说明接收管没有问题,往下一级一级的排差就是,初级放大就会到V级, 如果每一级都准确,那么就是A/D转换电路或者设置问题了。

还有一点要注意的是,HGB比色系统,往往是发射管和接收管与比色池制作在一起,远离放大电路,因此,发射接收绝对不能受潮的,否则,系统就会报错甚至停止工作。

医疗器械常用的光电器件大概就是这些,看看大家还有什么要补充的,还有什么没有说到的,一起讨论一下。


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yellow 发表于 2007-9-17 20:21 | 显示全部楼层

好文章,拜读了

郭宣成 发表于 2007-9-18 14:14 | 显示全部楼层
谢谢!
pc168_2000 发表于 2007-9-18 15:28 | 显示全部楼层
学习中,受益非浅!
shanyang1237 发表于 2007-9-19 11:02 | 显示全部楼层
顶!谢谢!最好将医用灯泡也归一下类!
westjk8 发表于 2007-9-19 11:12 | 显示全部楼层
虽然刚注册  但是看了好文章还是要支持下 论坛的牛人不少啊  呵呵
 楼主| 郑振寰 发表于 2007-9-19 13:23 | 显示全部楼层
以下是引用shanyang1237在2007-9-19 11:02:00的发言:

     顶!

     谢谢! 最好将医用灯泡也归一下类!

你要干什么?灯泡还要修?

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