血液粘度仪旋转锥体角速度误差分析与补偿

　　0　引　言

　　血液粘度是表征人体血液流变特性的重要参数之一,它反映了血液的力学特性。目前,普遍采用毛细管法、旋转法等测量血液粘度。

　　新型锥板式血液粘度仪采用国际血液学标准化委员会(ICSH)推荐使用的旋转锥板稳态法[1]测量血液粘度,但与传统的锥板式粘度仪不同,它不直接测量扭矩,而是通过测量与锥体连接在同一旋转轴上的测速齿形盘的角速度,从而求得被测血液在不同转速下对锥体系统的阻力矩,避免了使用昂贵的高精度扭矩传感器。

　　剪切池内旋转锥体的角速度是新型锥板式血液粘度仪的主要信息源。因为血液属于非牛顿流体,其粘度表现为在低切变率下相当高,随切变率的升高而逐渐减低,所以,传感器所测角速度应该具备单调递减特性,其精度直接影响最终计算出的粘度值。影响角速度精度的原因主要包括下面两方面: 1)测速齿形盘的加工精度造成齿间隔不均匀导致的角度误差; 2)光电传感器的点光源特性和齿形盘转动过程中摆动导致的低频干扰。在文献[2]提出用带遗忘因子的回归参数估计误差,然后用模糊算法修正转速;文献[3]中用递归最小二乘算法估计传感器误差。但是这两种方法只适用于齿形盘保持平衡的情况下,不适用于具备单调特性的转速信号,而且,估计的传感器精度不高。文献[4]指出在转速剧烈变化时,采用三次样条插值的方法可获得很高的角速度精度。有理三次样条插值算法在保单调性,保形上得到了广泛的应用,本文针对角速度的单调递减特性和角度误差在单周期内的随机性,在整个测量过程中呈周期性,提出利用有理三次样条插值算法提高测量精度。

　　1　测速传感器原理与误差源分析

　　目前,锥板式血液粘度仪普遍采用红外光电传感器和齿形盘进行测速,其结构如图1所示,它由红外光电传感器、齿形盘组成。齿形盘与锥体安装在同一旋转轴上,与轴一起旋转。当盘旋转时,盘上的凹凸齿将引起红外光电传感器光通路的开启与阻断,从而使接收管的电压也随之变化,记录下该电压变化的时间,即每个齿通过传感器的时间,该时间可精确到微秒级。齿形盘的角速度表示如下

　　式中　ti和ωi分别为齿形盘第i个齿转过传感器的时间和平均速度,N为齿个数。该测速装置的误差来源主要为以下2个方面:

　　1)齿形盘间隔的加工精度造成的误差:在理想的齿形盘情况下,一个齿间的平均角度为θ=2π/N,然而,由于加工精度的原因,齿形盘的间隔不可能完全相同,如图1所示,第i个齿间的角度θi表示为

　　式中　δi为第i个齿间与平均角度间的差值。