静脉输液液位检测方法研究

宋宇　翁新武

摘 要： 提出一种新型光电式液位检测方法，利用输液管对光线的折射原理，检测输液管内的液位是否到达警戒液位，最后通过实验得出最佳检测阈值，该方法能够适用于所有墨菲式输液管及输液液体。

关键词： 静脉输液； 液位检测； 光电式； 光电开关

中图分类号： TN710?34； TP212 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0105?03

0 引 言

静脉输液治疗是临床医疗工作中常用的治疗手段，但目前大多数医院及医疗机构都没有实现输液的自动监控管理，临床输液中采取的应对措施一般是由患者、陪侍或医务人员随时观察监视药液余量情况，加重了护理人员的劳动负担，也不利于病区的综合管理，所以研究一种能够自动检测输液液位的装置，将大大减轻病人、陪护人员及护士的精神负担[1]。目前，研究人员在输液液位传感器方面做了一些研究，出现了称重式[2]、电容式[3]、光电式[4]、光纤式[5]和图像式[6]等液位检测方法。然而称重式液位检测方法适用性较差，电容式液位检测方法的可操作性较差，光电式液滴式液位检测累积误差较大，光纤式液位检测成本较高，图像式液位检测易受周围环境干扰。

针对上述弊端，本文提出了一种基于光电传感器的新型液位检测方法，该液位检测方法具有适应性强、可操作性强、检测灵敏度高、安全可靠等特点，有很高的实用价值。通过理论分析和实验研究，探讨了影响该传感器灵敏度的因素和机理，为传感器的正确设计与测量数据提供了理论依据。

1 光电式液位检测原理

静脉输液采用墨菲式输液滴管，输液管为圆形透明塑料材质，静脉输液的液体通常为无色透明液体，利用光线的反射、折射和全反射现象，在输液管内没有液体时，其表面相当于一个凹透镜，对于平行入射光线有散射作用，使输液管另一端受光很弱，如图1所示。

这样，光线的“强”与“弱”，就反映了管中液体的“有”与“无”，利用这一光学现象[7]，在输液管一侧加装光源另一侧加装光电传感器就可以探测液体有无，实现液位的自动检测。

但是在实际应用中，由于输液液体不全都是透明液体，当液体为有色或浑浊液体时，势必会减少通过输液管的光通量，即存在这样一种情况，在输液管中无液体时和输液管内有浑浊液体的光通量一样，在这种情况下，就不能区分输液管内有无液体，也就不能检测液位，导致检测失败。

2 硬件设计

静脉输液液位检测电路总体框图如图4所示，包括光源，光电管，A/D转换和单片机。其中，光源和光电管采用ITR?9608型光电开关，光源为红外发光二极管，光电管为红外光敏三极管，单片机采用型号为Atmega8L的AVR单片机，A/D转换为单片机自带的10位A/D转换模块。

液位检测硬件电路原理图如图5所示，红外发光二级管接330 Ω限流电阻，红外光敏三级管集电极接15 kΩ上拉电阻，电源电压为3.3 V，红外光敏三极管的集电极作为单片机A/D转换的输入。由该电路图可知，红外光敏三极管检测到光源发出的光，最后以电压形式表示光通量大小，而光通量越大对应集电极检测到的电压就越小，光通量越小对应集电极检测到的电压就越大，由上文可知，电压值较小的对应输液管内无液体，而电压值较大的对应输液管内有液体。

首先，检测在未安装输液管时A/D检测的电压[V1；]然后，将输液管内输液调整好后，将输液管置于检测装置内，即此时检测到的是输液管内有液体的情况，检测电压[V2；]再每隔一小段时间检测一次电压[V3；]若[V2-V3]的值大于某个阈值，则认为液位达到警戒液位，则可触发报警或停止输液，若[V2-V3]的值小于或等于该阈值，则认为液位未达到警戒液位，继续检测。该阈值在设置时应考虑输液管规格、输液管内液体颜色、输液管与传感器位置等方面因素。

4 实 验

4.1 测试条件

静脉输液管采用墨菲式输液滴管，其细管的直径为4 mm的塑料圆管，管壁厚度为0.5 mm，常见的有透明和浑浊两种。输液管内液体设无色透明的氯化钠注射液、黄色的液体、白色的液体、浑浊的液体四种情况。光电传感器的中心光线与输液管管壁距离为[D，]设[D=]0 mm，1 mm，2 mm三种情况。

4.2 测试方法

将静脉输液管置于光电开关的槽内，其结构如图7所示。利用该装置，检测输液管内有液体和无液体时电压大小，输液管透明和输液管浑浊时电压的大小，输液管内有无色液体、白色液体、黄色液体及浑浊液时电压的大小。

由测试结果可计算得到两种输液管在间距为0 mm时能分辨液位的最小阈值为36 mV，在间距为1 mm时最小阈值为22 mV，在间距为2mm时最小阈值为14 mV，由此可知间距越大阈值越小；间距发生细微的变化将引起检测电压值发生抖动，由测试结果知1 mm的间距变化最大能引起20 mV的电压抖动；由于单片机的A/D转换精度有限，所以光电传感器的中心光线与输液管管壁距离为[D]最好取0～1 mm之间某值，且保持不变，此时阈值取20 mV能保证区分开输液管内有无液体。

5 结 论

本文的创新之处在于提出一种基于光电传感器的新型液位检测方法，可以很好克服传统的液位检测中对不同输液液体难以区分、测量误差较大、适应性较差等弊端，同时本设计电路结构简单，性能稳定、成本低、分辨率高、能适应所有规格的输液瓶（袋）、适应所有墨菲式滴管的输液管、适应所有的输液液体。对于本设计尚可在做以下改进：采用软件滤波减小系统测量误差，提高装置器材的精度进一步减少系统固有误差，采用多个光电传感器提高测量稳定性等。

参考文献

[1] 张爱华，朱亮.医用输液液位实时检测系统在康复护理中的作用[J].中国临床康复，2003（20）：1112?1113.

[2] 张中华，谭婷，陈明兰，等.对输液瓶液位监控报警系统的研究[J].科技信息，2011（31）：79?81.

[3] 杨晓龙，陈孝友.电容法测液位高度和浓度实验[J].四川工业学院学报，2001（7）：76?78.

[4] 王元庆，王兴森.光电式液滴传感器[J].安徽机电学院学报，1996（12）：64?68.

[5] 宋晴，裘祖荣，张国雄.光纤、电容液滴传感器的设计研究[J].传感器技术，2002（8）：5?9.

[6] 李敏，朱华生，孙辉，等.基于图像的静脉输液无液检测的新方法[J].南昌工程学院学报，2009（2）：8?11.

[7] 田安华，朱彦.一种非接触式液位检测控制系统的设计与分析[J].四川理工学院学报：自然科学版，2011（8）：468?471.

摘 要： 提出一种新型光电式液位检测方法，利用输液管对光线的折射原理，检测输液管内的液位是否到达警戒液位，最后通过实验得出最佳检测阈值，该方法能够适用于所有墨菲式输液管及输液液体。

关键词： 静脉输液； 液位检测； 光电式； 光电开关

中图分类号： TN710?34； TP212 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0105?03

0 引 言

静脉输液治疗是临床医疗工作中常用的治疗手段，但目前大多数医院及医疗机构都没有实现输液的自动监控管理，临床输液中采取的应对措施一般是由患者、陪侍或医务人员随时观察监视药液余量情况，加重了护理人员的劳动负担，也不利于病区的综合管理，所以研究一种能够自动检测输液液位的装置，将大大减轻病人、陪护人员及护士的精神负担[1]。目前，研究人员在输液液位传感器方面做了一些研究，出现了称重式[2]、电容式[3]、光电式[4]、光纤式[5]和图像式[6]等液位检测方法。然而称重式液位检测方法适用性较差，电容式液位检测方法的可操作性较差，光电式液滴式液位检测累积误差较大，光纤式液位检测成本较高，图像式液位检测易受周围环境干扰。

针对上述弊端，本文提出了一种基于光电传感器的新型液位检测方法，该液位检测方法具有适应性强、可操作性强、检测灵敏度高、安全可靠等特点，有很高的实用价值。通过理论分析和实验研究，探讨了影响该传感器灵敏度的因素和机理，为传感器的正确设计与测量数据提供了理论依据。

1 光电式液位检测原理

静脉输液采用墨菲式输液滴管，输液管为圆形透明塑料材质，静脉输液的液体通常为无色透明液体，利用光线的反射、折射和全反射现象，在输液管内没有液体时，其表面相当于一个凹透镜，对于平行入射光线有散射作用，使输液管另一端受光很弱，如图1所示。

这样，光线的“强”与“弱”，就反映了管中液体的“有”与“无”，利用这一光学现象[7]，在输液管一侧加装光源另一侧加装光电传感器就可以探测液体有无，实现液位的自动检测。

但是在实际应用中，由于输液液体不全都是透明液体，当液体为有色或浑浊液体时，势必会减少通过输液管的光通量，即存在这样一种情况，在输液管中无液体时和输液管内有浑浊液体的光通量一样，在这种情况下，就不能区分输液管内有无液体，也就不能检测液位，导致检测失败。

2 硬件设计

静脉输液液位检测电路总体框图如图4所示，包括光源，光电管，A/D转换和单片机。其中，光源和光电管采用ITR?9608型光电开关，光源为红外发光二极管，光电管为红外光敏三极管，单片机采用型号为Atmega8L的AVR单片机，A/D转换为单片机自带的10位A/D转换模块。

液位检测硬件电路原理图如图5所示，红外发光二级管接330 Ω限流电阻，红外光敏三级管集电极接15 kΩ上拉电阻，电源电压为3.3 V，红外光敏三极管的集电极作为单片机A/D转换的输入。由该电路图可知，红外光敏三极管检测到光源发出的光，最后以电压形式表示光通量大小，而光通量越大对应集电极检测到的电压就越小，光通量越小对应集电极检测到的电压就越大，由上文可知，电压值较小的对应输液管内无液体，而电压值较大的对应输液管内有液体。

首先，检测在未安装输液管时A/D检测的电压[V1；]然后，将输液管内输液调整好后，将输液管置于检测装置内，即此时检测到的是输液管内有液体的情况，检测电压[V2；]再每隔一小段时间检测一次电压[V3；]若[V2-V3]的值大于某个阈值，则认为液位达到警戒液位，则可触发报警或停止输液，若[V2-V3]的值小于或等于该阈值，则认为液位未达到警戒液位，继续检测。该阈值在设置时应考虑输液管规格、输液管内液体颜色、输液管与传感器位置等方面因素。

4 实 验

4.1 测试条件

静脉输液管采用墨菲式输液滴管，其细管的直径为4 mm的塑料圆管，管壁厚度为0.5 mm，常见的有透明和浑浊两种。输液管内液体设无色透明的氯化钠注射液、黄色的液体、白色的液体、浑浊的液体四种情况。光电传感器的中心光线与输液管管壁距离为[D，]设[D=]0 mm，1 mm，2 mm三种情况。

4.2 测试方法

将静脉输液管置于光电开关的槽内，其结构如图7所示。利用该装置，检测输液管内有液体和无液体时电压大小，输液管透明和输液管浑浊时电压的大小，输液管内有无色液体、白色液体、黄色液体及浑浊液时电压的大小。

由测试结果可计算得到两种输液管在间距为0 mm时能分辨液位的最小阈值为36 mV，在间距为1 mm时最小阈值为22 mV，在间距为2mm时最小阈值为14 mV，由此可知间距越大阈值越小；间距发生细微的变化将引起检测电压值发生抖动，由测试结果知1 mm的间距变化最大能引起20 mV的电压抖动；由于单片机的A/D转换精度有限，所以光电传感器的中心光线与输液管管壁距离为[D]最好取0～1 mm之间某值，且保持不变，此时阈值取20 mV能保证区分开输液管内有无液体。

5 结 论

本文的创新之处在于提出一种基于光电传感器的新型液位检测方法，可以很好克服传统的液位检测中对不同输液液体难以区分、测量误差较大、适应性较差等弊端，同时本设计电路结构简单，性能稳定、成本低、分辨率高、能适应所有规格的输液瓶（袋）、适应所有墨菲式滴管的输液管、适应所有的输液液体。对于本设计尚可在做以下改进：采用软件滤波减小系统测量误差，提高装置器材的精度进一步减少系统固有误差，采用多个光电传感器提高测量稳定性等。

参考文献

[1] 张爱华，朱亮.医用输液液位实时检测系统在康复护理中的作用[J].中国临床康复，2003（20）：1112?1113.

[2] 张中华，谭婷，陈明兰，等.对输液瓶液位监控报警系统的研究[J].科技信息，2011（31）：79?81.

[3] 杨晓龙，陈孝友.电容法测液位高度和浓度实验[J].四川工业学院学报，2001（7）：76?78.

[4] 王元庆，王兴森.光电式液滴传感器[J].安徽机电学院学报，1996（12）：64?68.

[5] 宋晴，裘祖荣，张国雄.光纤、电容液滴传感器的设计研究[J].传感器技术，2002（8）：5?9.

[6] 李敏，朱华生，孙辉，等.基于图像的静脉输液无液检测的新方法[J].南昌工程学院学报，2009（2）：8?11.

[7] 田安华，朱彦.一种非接触式液位检测控制系统的设计与分析[J].四川理工学院学报：自然科学版，2011（8）：468?471.

摘 要： 提出一种新型光电式液位检测方法，利用输液管对光线的折射原理，检测输液管内的液位是否到达警戒液位，最后通过实验得出最佳检测阈值，该方法能够适用于所有墨菲式输液管及输液液体。

关键词： 静脉输液； 液位检测； 光电式； 光电开关

中图分类号： TN710?34； TP212 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0105?03

0 引 言

静脉输液治疗是临床医疗工作中常用的治疗手段，但目前大多数医院及医疗机构都没有实现输液的自动监控管理，临床输液中采取的应对措施一般是由患者、陪侍或医务人员随时观察监视药液余量情况，加重了护理人员的劳动负担，也不利于病区的综合管理，所以研究一种能够自动检测输液液位的装置，将大大减轻病人、陪护人员及护士的精神负担[1]。目前，研究人员在输液液位传感器方面做了一些研究，出现了称重式[2]、电容式[3]、光电式[4]、光纤式[5]和图像式[6]等液位检测方法。然而称重式液位检测方法适用性较差，电容式液位检测方法的可操作性较差，光电式液滴式液位检测累积误差较大，光纤式液位检测成本较高，图像式液位检测易受周围环境干扰。

针对上述弊端，本文提出了一种基于光电传感器的新型液位检测方法，该液位检测方法具有适应性强、可操作性强、检测灵敏度高、安全可靠等特点，有很高的实用价值。通过理论分析和实验研究，探讨了影响该传感器灵敏度的因素和机理，为传感器的正确设计与测量数据提供了理论依据。

1 光电式液位检测原理

静脉输液采用墨菲式输液滴管，输液管为圆形透明塑料材质，静脉输液的液体通常为无色透明液体，利用光线的反射、折射和全反射现象，在输液管内没有液体时，其表面相当于一个凹透镜，对于平行入射光线有散射作用，使输液管另一端受光很弱，如图1所示。

这样，光线的“强”与“弱”，就反映了管中液体的“有”与“无”，利用这一光学现象[7]，在输液管一侧加装光源另一侧加装光电传感器就可以探测液体有无，实现液位的自动检测。

但是在实际应用中，由于输液液体不全都是透明液体，当液体为有色或浑浊液体时，势必会减少通过输液管的光通量，即存在这样一种情况，在输液管中无液体时和输液管内有浑浊液体的光通量一样，在这种情况下，就不能区分输液管内有无液体，也就不能检测液位，导致检测失败。

2 硬件设计

静脉输液液位检测电路总体框图如图4所示，包括光源，光电管，A/D转换和单片机。其中，光源和光电管采用ITR?9608型光电开关，光源为红外发光二极管，光电管为红外光敏三极管，单片机采用型号为Atmega8L的AVR单片机，A/D转换为单片机自带的10位A/D转换模块。

液位检测硬件电路原理图如图5所示，红外发光二级管接330 Ω限流电阻，红外光敏三级管集电极接15 kΩ上拉电阻，电源电压为3.3 V，红外光敏三极管的集电极作为单片机A/D转换的输入。由该电路图可知，红外光敏三极管检测到光源发出的光，最后以电压形式表示光通量大小，而光通量越大对应集电极检测到的电压就越小，光通量越小对应集电极检测到的电压就越大，由上文可知，电压值较小的对应输液管内无液体，而电压值较大的对应输液管内有液体。

首先，检测在未安装输液管时A/D检测的电压[V1；]然后，将输液管内输液调整好后，将输液管置于检测装置内，即此时检测到的是输液管内有液体的情况，检测电压[V2；]再每隔一小段时间检测一次电压[V3；]若[V2-V3]的值大于某个阈值，则认为液位达到警戒液位，则可触发报警或停止输液，若[V2-V3]的值小于或等于该阈值，则认为液位未达到警戒液位，继续检测。该阈值在设置时应考虑输液管规格、输液管内液体颜色、输液管与传感器位置等方面因素。

4 实 验

4.1 测试条件

静脉输液管采用墨菲式输液滴管，其细管的直径为4 mm的塑料圆管，管壁厚度为0.5 mm，常见的有透明和浑浊两种。输液管内液体设无色透明的氯化钠注射液、黄色的液体、白色的液体、浑浊的液体四种情况。光电传感器的中心光线与输液管管壁距离为[D，]设[D=]0 mm，1 mm，2 mm三种情况。

4.2 测试方法

将静脉输液管置于光电开关的槽内，其结构如图7所示。利用该装置，检测输液管内有液体和无液体时电压大小，输液管透明和输液管浑浊时电压的大小，输液管内有无色液体、白色液体、黄色液体及浑浊液时电压的大小。

由测试结果可计算得到两种输液管在间距为0 mm时能分辨液位的最小阈值为36 mV，在间距为1 mm时最小阈值为22 mV，在间距为2mm时最小阈值为14 mV，由此可知间距越大阈值越小；间距发生细微的变化将引起检测电压值发生抖动，由测试结果知1 mm的间距变化最大能引起20 mV的电压抖动；由于单片机的A/D转换精度有限，所以光电传感器的中心光线与输液管管壁距离为[D]最好取0～1 mm之间某值，且保持不变，此时阈值取20 mV能保证区分开输液管内有无液体。

5 结 论

本文的创新之处在于提出一种基于光电传感器的新型液位检测方法，可以很好克服传统的液位检测中对不同输液液体难以区分、测量误差较大、适应性较差等弊端，同时本设计电路结构简单，性能稳定、成本低、分辨率高、能适应所有规格的输液瓶（袋）、适应所有墨菲式滴管的输液管、适应所有的输液液体。对于本设计尚可在做以下改进：采用软件滤波减小系统测量误差，提高装置器材的精度进一步减少系统固有误差，采用多个光电传感器提高测量稳定性等。

参考文献

[1] 张爱华，朱亮.医用输液液位实时检测系统在康复护理中的作用[J].中国临床康复，2003（20）：1112?1113.

[2] 张中华，谭婷，陈明兰，等.对输液瓶液位监控报警系统的研究[J].科技信息，2011（31）：79?81.

[3] 杨晓龙，陈孝友.电容法测液位高度和浓度实验[J].四川工业学院学报，2001（7）：76?78.

[4] 王元庆，王兴森.光电式液滴传感器[J].安徽机电学院学报，1996（12）：64?68.

[5] 宋晴，裘祖荣，张国雄.光纤、电容液滴传感器的设计研究[J].传感器技术，2002（8）：5?9.

[6] 李敏，朱华生，孙辉，等.基于图像的静脉输液无液检测的新方法[J].南昌工程学院学报，2009（2）：8?11.

[7] 田安华，朱彦.一种非接触式液位检测控制系统的设计与分析[J].四川理工学院学报：自然科学版，2011（8）：468?471.