CN108981963A - 一种基于无线供电的测温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于无线供电的测温装置，所述装置，由温度传感器1、旋转体样本盘2、温度信号处理单元3、步进电机4组成，其中，温度传感器1置于旋转体样本盘2内连接温度信号处理单元3，温度信号处理单元3与旋转体样本盘2安装在步进电机4转轴上，与温度传感器1和旋转体样本盘2在电机驱动下同步旋转运动，实现样本旋转运动中温度信号采集和发射。
Description
技术领域：
本发明涉及一种测温装置，特别涉及一种适合聚合酶链式反应变温PCR反应的测温装置。
背景技术：
聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)是DNA扩增的一种分子生物学反应。变温PCR反应成功与否的关键因素之一，是反应体系所需的温度循环条件中温度的控制。所以温度监测是PCR反应的重要环节。传统PCR的热循环***分为接触式测温和非接触式测温两种：接触式测温可以直接把温度传感器放到样品管附近，从而精确反映样本的温度；而非接触式测温通常是采用红外测温，存在精度差、受环境影响大的问题。
接触式多为温度传感器探头测温，精度高、稳定好，但其被测对象通常为固定或者导轨式运动的样本盘。而旋转体样本盘温度监测，由于样本处于运动状态，传统的接触式测温对于布置线路要求高，所以无法实现，只能间接测量水或空气等介质温度，来推测样本温度，或者采用非接触式测温，但有很大的缺点。传统接触式测温方式无法在旋转物体上进行测量，无法进行精确快速控温。
为解决旋转体样本盘高精度的温度采集，保证其准确性、稳定性，本发明提供一种测温装置。
发明内容：
本发明提供一种高精度、高稳定性的旋转体样本盘测温装置，既实现了传统试剂盘接触式测温的高可靠、高稳定性，又实现了精准的无线数据传输。
本发明的装置是PCR仪设备的一个局部发明，所述及图示说明只保留了本发明的主要组成和结构视图，PCR仪所包括的上位机软件、外壳、上盖以及部分运动控制结构将不在此做说明。
本发明的测温装置，其结构如图1所示，由温度传感器1、旋转体样本盘2、温度信号处理单元3、步进电机4组成，其中，温度传感器1置于旋转体样本盘2内连接温度信号处理单元3，温度信号处理单元3与旋转体样本盘2安装在步进电机4转轴上。
所述温度传感器1，采用一个高精度微型NTC热敏传感器，传感器探头置于旋转体样本盘2内，其安装位置位于两个试剂管中间，并靠近距离试剂管底部1/3高度的位置，实现样本温度的精准测量。
所述旋转体样本盘2，是样本置放装置，可放置1个以上的试剂管，试剂管可以随旋转体样本盘2进行旋转，旋转试剂盘为铝镁合金具有良好导热性，传感器嵌入旋转试剂盘，其尾端连线连接温度信号处理单元3中温度信号采集模块302上，旋转过程中温度传感器1将温度信号传输到温度信号处理单元3，温度数据通过上位机软件反应到阅读窗口，从而得到温度数据。
所述温度信号处理单元3，其组成如图2所示，由遮光罩301、温度信号采集模块302、屏蔽罩303、接收线圈304、发射线圈305、屏蔽罩306、以及温度信号处理模块307组成。
所述温度信号处理单元3，其屏蔽罩303粘接于温度信号采集模块302上，接收线圈304焊接在温度信号采集模块302上，粘接置于屏蔽罩303内。遮光罩301、温度信号采集模块302、屏蔽罩303、接收线圈304作为一个组件，与旋转体样本盘2安装在步进电机4转轴上，此组件与温度传感器1和旋转体样本盘2在电机驱动下同步旋转运动，实现样本旋转运动中温度信号采集和发射。
其中屏蔽罩306粘接于温度信号处理模块307上，接收线圈305焊接在温度信号处理模块307上，并粘接于屏蔽罩306内。发射线圈305、屏蔽罩306、以及温度信号处理模块307作为一个组件，固定安装于结构支架上，此组件固定不运动，实现温度信号的接收和处理，并传输给微控制器进行数据处理和上传，在上位机软件中显示温度。
其中温度信号采集模块302、屏蔽罩303、接收线圈304和发射线圈305、屏蔽罩306、以及温度信号处理模块307，同心平行安装；屏蔽罩303和屏蔽罩306以保证试剂盘旋转安全距离嵌套安装。
本发明装置结合了无线供电和可见光通信VLC(Visible Light Communication)技术。无线供电技术方便快捷，无需任何物理连接；可见光通信技术发射功率高、无需申请无线电频谱证，且无电磁干扰。将这两大技术结合在一起，设计温度信号处理单元3，来实现旋转体样本盘中样本的温度监测，是一种全新的数据处理和测温方式。
本发明装置中温度信号处理单元3中，随旋转体样本盘2运动的温度信号采集模块302，其工作电压采用无线供电技术，采用高集成无线供电芯片及接收线圈304、发射线圈305，置于国内先进特殊铁氧体材料制成的屏蔽罩303和屏蔽罩306中，解决了旋转体样本盘2温度采集端的电压供给，而且避免了发射线圈305、接收线圈306在附近金属件上产生的涡流效应，避免增加单元功率消耗，提高了无线供电效率和稳定性。
本发明装置中温度信号处理单元3中，温度数据传输采用可见光通信技术，利用LED具有高亮度、低功耗、适用寿命长、尺寸小、绿色环保以及响应灵敏度高、调制特性好等优点，通过光电信号的转换实现无物理连接的温度信号的传输这一新兴数据传输方式。
所述可见光通讯技术，本发明主要应用可见光短距离传输技术，其传输原理及模型是将LED辐射光近似为球面波进行处理，由麦克斯韦方程组推导得出球面光波传播表达式为：式中，E0为波源电场强度；W为光波的角频率，t为时间；k为光波沿传播方向的波矢量，其主要取决于光波长λ；r为空间坐标；Ψ0为初始相位。由此可见LED发散角较大，则便于光信号接收，因此本发明采用白光LED。将温度传感器采集的模拟信号经滤波、放大处理后，驱动LED发光，在大气中传输，经由光电探测器接收光信号，将光信号转换成电信号，经放大、整形后还原温度值。
本发明装置温度信号处理单元3即为上述原理的在本发明中的具体应用，将温度传感器采集的模拟信号，通过高集成AD芯片和微处理器进行数据处理后，驱动LED光源，实现温度信号的发射；通过光电探测器接收光信号，将光信号转换成电信号，通过温度信号处理模块307的转换后，将温度信号还原得到温度测量值。
附图说明：
图1，测温装置主要模块组成图
1—温度传感器
2—旋转体样本盘
3—温度信号处理单元
4—步进电机
图2，是图1中温度信号处理单元3的详细结构装配关系图
301—遮光罩
302—温度信号采集模块
303—屏蔽罩
304—接收线圈
305—发射线圈
306—屏蔽罩
307—温度信号处理模块
具体实施方式：
本发明的装置旨在解决对旋转体样本盘进行高精度的温度采集，需保证其温度采集的高精度性，又需保证信号传输的准确性、稳定性。
通过附图1、附图2对本发明的测温装置的实施进行详细地说明。
图1是此发明装置的主要组成，由温度传感器1、旋转体样本盘2、温度信号处理单元3组成。
图2是图1中温度信号处理单元3部分的详细组成和结构说明，由遮光罩301、温度信号采集模块302、屏蔽罩303、接收线圈304、发射线圈305、屏蔽罩306、以及温度信号处理模块307组成。
本发明装置中无线供电功能的实现：采用先进供电芯片，在空间上可以使两个空心感应线圈(接收线圈304和发射线圈305)隔离，并在运动中转换效率和稳定性完全可以满足需求。由于接收线圈304和发射线圈305的感应电压会对附近金属模块产生涡流效应，产生大量的热，消耗功率，因此会对两个线圈进行电磁屏蔽处理，设计了屏蔽罩303和屏蔽罩306，两个屏蔽罩里外嵌套安装，将感应线圈置于屏蔽罩之内，即可实现感应供电，又减少了涡流效应，降低了功耗。
本发明实施的温度信号采集，是通过温度传感器1和温度信号采集模块302，采用高精度微型NTC热敏温度传感器(±0.1℃)，温度探头置于旋转体样本盘靠近试剂管的位置，将采集的温度模拟信号传输至温度信号采集模块302的高集成AD芯片，进行AD转换后传输给微处理器进行数据处理，经微处理器处理的温度信号驱动LED光源。
应用LED光源作为光电传输光源，其辐射光近似为球面波进行处理，则其发散角较大，便于光信号的接收。同时可见光的波长与室内大气中的灰尘、气体分子的尺寸相近甚至更小，容易产生光的散射和吸收，造成信号的严重衰减，另外人造光源背景光也会对***的性能产生影响，为此本发明装置中温度信号采集模块302、温度信号处理模块307、屏蔽罩303、屏蔽罩306的加工工艺采用防产生背景光干扰材料，并在安装温度信号采集模块302、屏蔽罩303、接收线圈304、发射线圈305、屏蔽罩306、以及温度信号处理模块307之后又增加了遮光罩301的安装，进一步减少了人造光、背景光等影响，改善温度测量通信的性能。
本发明中可见光通信技术的实施处理是通过采用处理芯片MCU，对温度值进行数字化的解析，温度分辨率为0.01℃，如26.00℃转换为整数位2600，二进制表示为101000101000，在光电信号的传输中，为保证其温度信号的特点性，会在持续无光下发出5ms的光表示信号的开始。MCU处理后会发出10000101000101000数据，每位持续5ms,共17位需85ms传输完成，其中0000101000101000二进制数代表2600。光电信号中第一位为高起始位，和数据无关，剩下16位代表整数化的温度值，可代表0.00℃-655.35℃。1代表LED发光，0代表LED不发光，其余时间为不发光状态，温度信号每500ms发一次，即85ms为起始位和数据发送阶段，415ms为等待阶段(此阶段无光信号)。从而将数字信号转换为光信号。
本发明装置中通过光电探测器高速接收温度信号采集模块302发射的光信号，将光信号转换为数字信号。数字信号的解析：MCU每1ms读取一次该位的电平。若存在100ms以上的低电平，此阶段为等待阶段，该条件成立后，读取电平为高时则为接收到了起始位电平，由于起始电平为5ms时间，再过2ms读取一次应仍为高电平，接下来会以每隔5ms读取一次并记录，共16位数据，即得到温度值的100倍。在接收到起始位的第86ms应该为低电平，代表发送完成，进入信号的等待阶段。
本发明的测温装置和现有装置比较所具有的优点的实验数据如下：
| 测温对象 | 测温精度 | 测温分辨率 | 能耗 | |
| 本发明装置 | 旋转体 | ±0.1℃ | 0.01℃ | ＞0.5w |
| 现有装置1 | 导轨式运动或无运动 | ±0.3℃ | 0.1℃ | ＜0.5w |
Claims (9)
1.一种基于无线供电的测温装置，其特征在于，所述装置，由温度传感器1、旋转体样本盘2、温度信号处理单元3、步进电机4组成，其中，温度传感器1置于旋转体样本盘2内连接温度信号处理单元3，温度信号处理单元3与旋转体样本盘2安装在步进电机4转轴上。
2.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述温度传感器1，采用一个微型NTC热敏传感器，传感器探头置于旋转体样本盘2内，其安装位置位于两个试剂管中间。
3.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述温度传感器1安装于两个试剂管中间靠近距离试剂管底部1/3高度的位置。
4.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述旋转体样本盘2是样本置放装置，可放置1个以上的试剂管，试剂管可以随旋转体样本盘2进行旋转。
5.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述温度传感器1在旋转体样本盘2中间，其尾端连线连接温度信号处理单元3中温度信号采集模块302上，旋转过程中温度传感器1将温度信号传输到温度信号处理单元3。
6.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述温度信号处理单元3，由遮光罩301、温度信号采集模块302、屏蔽罩303、接收线圈304、发射线圈305、屏蔽罩306、以及温度信号处理模块307组成，其中，屏蔽罩303粘接于温度信号采集模块302上，接收线圈304焊接在温度信号采集模块302上，粘接置于屏蔽罩303内，遮光罩301、温度信号采集模块302、屏蔽罩303、接收线圈304作为一个组件，与旋转体样本盘2安装在步进电机4转轴上。
7.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述温度信号处理单元3，其中屏蔽罩306粘接于温度信号处理模块307上，接收线圈305焊接在温度信号处理模块307上，并粘接于屏蔽罩306内。发射线圈305、屏蔽罩306、以及温度信号处理模块307作为一个组件，固定安装于结构支架上。
8.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述温度信号处理单元3，其中温度信号采集模块302、屏蔽罩303、接收线圈304和发射线圈305、屏蔽罩306、以及温度信号处理模块307，同心平行安装；屏蔽罩303和屏蔽罩306以保证试剂盘旋转安全距离嵌套安装。
9.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述温度信号处理单元3，其中，温度信号处理单元3，随旋转体样本盘2运动的温度信号采集模块302，其工作电压采用无线供电技术，采用高集成无线供电芯片及接收线圈304、发射线圈305，置于国内先进特殊铁氧体材料制成的屏蔽罩303和屏蔽罩306中，解决了旋转体样本盘2温度采集端的电压供给，而且避免了发射线圈305、接收线圈306在附近金属件上产生的涡流效应。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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