摘 要：针对当前密闭式医用离心机转速的计量检测難题，首次提出基于测振原理的密闭式医用离心机转速计量检测系统。该系统由测振传感器、信号调理电路、数据采集器和上位机测速系统组成，测振传感器实时测量密闭式医用离心机的振动信号，信号调理电路将振动信号放大、跟踪、滤波，数据采集器对信号高速采集然后通过USB传输到上位机测速系统，并基于最小条件的识别理论进行拟合、分析和处理。通过实验表明：基于测振原理和最小条件系统识别法的转速检测系统达到各种密闭式医用离心机转速的计量校准要求，该系统具有检测准确度高、自动化程度高、稳定性好和检测方便等优点，有很好的推广前景。
关键词：密闭式医用离心机；转速；测振；自动跟踪滤波器；最小条件；计量
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）11-0070-04
0 引 言
医用高速离心机主要用于对生物细胞和人体血液等物质进行离心沉降处理，将生物细胞、生物大分子和血浆等微小颗粒进行沉降，达到将待处理溶液提纯、浓缩和分离的目的。医用离心机转速的准确测量对检验结果有非常重要的影响，因此精确测量其转速具有十分现实的意义。
传统的转速测量方法都需要在医用离心机内安装传感器，安装过程复杂，而且不同类型的医用离心机安装方法各异。查阅国内外的研究文献，实现密闭式医用离心机的转速测量主要有光电式和磁电式2种转速测量方法。赵毅峰等[1]提出了采用光电式转速表来测量医用离心机的转速，该方法在离心机的任意转动臂上粘贴有反射标记，并在强制开盖的状态下测量离心机的转速。该方法需拆解密闭式离心机进行测量，测量过程受光线强度以及转速表灵敏度的限制很大[2]。因此，此种方法存在很大的安全隐患，且测量准确度和稳定性都较差。湖南大学提出了采用磁电式传感器来测量医用离心机的转速，该方法在医用离心机的内壁上粘贴有磁体，在离心机转动轴的试管内装有霍尔传感器，使用霍尔传感器来检测脉冲数和时间，进一步计算医用离心机的转速[3]。但此种方法不便于安装，且抗干扰能力较差，转速测量不是特别准确。
因此基于现场的检测需求，本文提出了一种基于测振原理的密闭式医用离心机的转速计量检测系统，并引入了最小条件系统识别法，仅需将测振传感器固定在离心机的外壳上即可实现对转速的准确测量，有效地解决了以往密闭式医用离心机转速测量的缺陷。
1 密闭式医用离心机的转速计量检测系统总体方案设计
密闭式医用离心机的转速计量检测系统主要包括密闭离心机、测振传感器、信号调理电路、数据采集器和上位机系统，如图1所示。将待测密闭离心机放置于水平面上，在离心机的转臂内对称位置放入不同质量的试管，测振传感器通过强磁铁吸附到离心机的外壳上，测振传感器实时地采集医用离心机的振动信号，并将该振动信号进行适当的处理转化为易于采集的电压信号[4]，数据采集器对该电压信号进行高速采集，通过USB通信传输到上位机系统，并基于最小条件的识别理论进行拟合、分析和处理，计算离心机的振动频率[5-6]，由信号的固有频率和转速之间的关系，计算出离心机转速。
2 硬件系统的设计
2.1 测振传感器
本系统采用北京京仪北方仪器仪表有限公司的YD-8压电式加速度传感器作为测振传感器。该传感器能够提供较宽的频率范围和较好电荷灵敏度，轴向电荷灵敏度：0.23～0.56 pC/（m·s-2），频率响应：1～40 kHz，最大可测加速度：5 000 m/s2，最小可测加速度：0.5 m/s2，电容：560 pF，适合在离心机上进行振动监测。
2.2 信号调理电路
信号调理电路主要由电荷放大器、信号放大器和自动跟踪滤波器组成。其基本原理为测振传感器拾取离心机的振动信号，并将其转换成与振动相关的电荷量，电荷放大器负责将电荷量转变为可以测量的电压信号，该信号经信号放大器和自动跟踪滤波器后调理成易于识别和检测的信号，便于数据采集器进行数据采集。
由于检测现场不仅存在着离心机转动的振动信号，还存在转子、轴承、基础结构及其环境等的影响因素，这些影响因素都给医用离心机的转速测量带来了影响，所以必须将干扰和噪声信号过滤掉。目前常规的手段是用低通滤波器将噪声去除掉，但是低通滤波器的截止频率是固定的，不会随着振动频率的改变而自动发生改变，因此在本系统中采用自动跟踪滤波器进行处理，来实时跟踪离心机转速的变化[7]。
自动跟踪滤波器主要由状态变量滤波器、锁相倍频器和开关电阻滤波器组成。首先锁相倍频器对被跟踪的离心机振动频率信号进行128倍频，开关电阻滤波通过频率来控制电阻，实现了开关电阻滤波器的中心频率与离心机振动频率保持一致，达到了医用离心机的频率自动跟踪的目的。本文采用双二阶自动跟踪带通滤波器滤波技术，并且配合N分路梳状滤波器电路，不但实现了对任意转速振动信号的精密窄带滤波，提高了信噪比，而且还具有处理速度快、检测准确度高等优点。
2.3 数据采集器
本系统的数据采集器是一种基于USB总线的高速高精度同步数据采集器，可直接插在计算机的USB接口上。由8路16位高精度同步AD进行设计，对模拟信号进行测量，可在单端模式和差分模式下转换，总采样率达400 kHz，每通道具有实时采集、实时绘画数据曲线图、实时保存数据的功能。
3 应用最小条件系统识别法测量离心机的转速
医用离心机在旋转过程中产生的振动信号是正弦函数，因此可以建立数学模型[8-9]为
x（t）=A0sin（ωdt+？准0）（1）
在离心机转臂内的对称位置放入不同质量的试管而产生初始不平衡量，它在高速旋转过程中会产生离心力，此离心力在圆周旋转运动作用下激励离心机产生正弦运动，医用离心机振动曲线如图2所示。
在医用离心机的转速计量测试中，数据采集器采样得到振动信号为xn（n=0，1，2，…，N-1），将x（t）进行离散化处理[10]得：
x（nΔt）=A0sin（ωd·nΔt+？准0）（2）
应用最小条件系统识别法进行逐点的依次逼近和数据采集，此时可以得到相应的采样序列。根据医用离心机的设定频率估算振动信号的幅值A0、振动信号的频率ωd和初始相位？准0，再将估算出的A0、ωd、？准0代到离散化处理的公式中，然后将估算值的两侧范围内取出一组值，并与标准振动信号做差方和运算[11-12]：
差方和运算对各个特征系数（A0、ωd和？准0）为零的条件来求解特征系数值，求解过程如下：
1）首先根据医用离心机的设定转速对采集到的数据进行预估，找到此时的一个最大值，将其作为振动信号的初始点x0，令A0=x0，？准0=90°，寻找过零点计算振荡周期Td，从而得出ωd。
2）将其中的特征系数在估计值两侧进行小量等间隔细化，并将结果带入式（3）中，此时会得到Mx最小值，其对应的ωd值作为替换该参数的修正值。
3）按照步骤2）进行多次循环，一般循环的次数为5次，最终循环得到的结果接近于最小条件的真值A0、ωd。
转速计量检测系统拟合的曲线如图3所示，图中为循环一次时转速测量过程中频率拟合过程的曲线。多次循环过程后，只有当拟合的特征系数（A0、ωd、？准0）与数据采集器得到的数据几乎相等时，Mx为最小值，此时的Mx最小值所对应的频率即为离心机的振动频率。通过信号的固有频率和转速之间的关系，从而计算出离心机的转速。
4 系统测试实验及分析
首先将密闭式离心机放置于水平面上，在离心机的转臂内对称位置放入不同质量的试管，对称位置配重质量差遵循以下原则：配重质量差不能过大，否则会因振动过大而损坏离心机；配重质量差也不能过小，否则会因振动过小而检测不到振动信息。因此，应根据具体型号的离心机通过实验和经验的方式来找到合适的配重质量差。然后将测振传感器通过强磁铁固定在密闭式离心机的侧面外壳上，启动密闭式医用离心机的转速计量检测系统并进入到系统设置界面，将设定的离心机转速输入到系统的频率预置值[13]，系统自动进行运算和分析，最终得到离心机的转速。
表1列出了湖南湘仪公司的密闭式离心机在1 000，4 000，7 000，10 000 r/min工况下采用本系统获得的转速值，得到的转速误差均不超过1%，保证了准确度的要求，从而进一步验证了本系统测得转速的准确性。通过对美国索福、日本日立、湖南湘仪、安徽中科中佳、北京时代北利等国内外具有影响力的医用离心机进行反复实验，进一步验证了该系统对不同型号的医用离心机均适用的特点。实测表明在转速100～20 000 r/min范围内的任一转速下进行测量，各项指标均达到检测要求，并且测量准确度高、稳定可靠、自动化程度高，具有很强的实际应用价值。
5 结束语
本文以密闭式医用离心机的转速为研究对象，从医用离心机的检测需求入手，以测振传感器、自动跟踪滤波器、最小条件的系统识别理论为研究重点，经数据采集器对信号进行采集后送入到上位机系统。本文通过测振的方式来实现密闭式医用离心机转速测量是国内首创，实现了在不拆解和保持离心机原始状态下对其进行转速检测，解决了密闭式医用离心机转速的计量校准难题。该检测系统采用自动跟踪滤波器作为硬件核心，基于最小条件的系统识别理论进行拟合、分析和处理作为软件核心，实现了自动化检测，同时避免了人工操作的误差，提高了转速测量结果的准确性，具有良好的科学性和实用性。
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（编辑：商丹丹）