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直流电机驱动分光光度计

在分光光度法中,样品吸收的光量和光波长可揭示存在的分子类型和浓度。DS-11 等微量分光光度计可让研究人员快速获得准确结果,使用最少的样本量,更快地回答研究人员试图解决的问题。

要获得最佳吸光度测量,必须根据每个样品的大小和特性调整光程长度 (OPL)。不幸的是,这些计算中通常使用的转换因子假设 OPL 为 10 毫米。因此,必须针对每个样本和每次测量调整 OPL,然后进行缩放以提供真实值。OPL 越准确、重复性越高,分析结果越准确。DS-11 的关键创新是 DeNovix 的 SmartPath 技术,该技术可自动优化 OPL,确保获得可靠、可用的结果。

设计效率

从一开始,DeNovix 团队就从易用性角度设计 DS-11。该仪器采用 Android 操作系统,用于触摸屏操作和分析,无需额外计算机。它由一个 20 x 33 厘米底座和用于微量和反应杯模式的样品架组成。在微量设计中,光纤将仪器基座上的氙灯信号传输到样品座的顶端。

在测量过程中,用户放下铰链式测量臂,使光纤电缆与样品接触。一触摸屏幕,分析算法即开始运行,在整个数据采集期间不断微调支架位置。

直流电机驱动分光光度计
DS-11 分光光度计提供高动态范围测量(由 DeNovix 提供)

电磁能量(190 到 840 纳米)通过光纤和光学连接传播到分光计,然后由具有 2048 像素的线阵 CCD 探测器读出计数进行分析。

SmartPath Technology 使用初始吸光度测量来调整样品架的位置,优化 OPL。该系统基于复杂的算法,但要高效地工作,还需要可在几秒内进行多次迭代的精确闭环光电定位系统。似乎这还不够具有挑战性,DeNovix 团队又为自己设定了一个雄心勃勃的产品开发时间表。他们需要创新工程,但也需要高效设计。

第一步是通过放宽限制简化设计过程。他们没有尝试优化 OPL 的三个维度,而是将重点放在沿 Z 轴定位样本架,同时让它在其他维度中“浮动”。这可从最终设备中移除组件,从而减少成本、集成时间和故障点。

该设计通过采用闭环反馈的伺服电机驱动细螺纹螺杆来实现 Z 轴定位。行星减速箱通过一定减速比来使电机的一次旋转相当于螺杆的部分旋转。高分辨率磁编码器可提供反馈,让系统循环访问 SmartPath 算法并确定最佳 OPL。

直流电机驱动分光光度计
(由 DeNovix 提供)

挑选电机

DeNovix 团队需要能够可靠且经济地完成任务的运动解决方案,同时该解决方案还要确保他们专注于核心价值主张(分光光度计)以及尽快将他们的产品推向市场。这种应用需要间歇性的短促运动,精度达到微米级。经过研究和测试,他们最终选择由 FAULHABER 生产的无铁芯直流有刷电机模块和编码器以及一个全塑行星减速箱。

T有刷电机可大大简化设计和集成过程。标准的无刷伺服电机会更复杂。它需要八个连接:三个电源相,三个用于霍尔效应传感器,两条线路用于为电子设备供电。相比之下,有刷电机只需要两个连接点,使得驱动方案、组装和整个系统更加简单。

“使用有刷直流电机会让事情变得很简单。”DeNovix 的工程经理 Dave Ward 说道。“这也意味着我们拥有传统制动能力。我们想要两全其美。被动系统在进行测量时是稳定的,这让我们开发出一种主动制动算法。这种组合让我们获得仪器所需要的快速、可重复、精确运动。”

很多设计师认为无刷电机的性能最好,是他们的首选。但它并不总是理想的解决方案。诚然,由于电刷和换向器之间的磨损,有刷电机最终可能会出现故障,但这是时间问题。低电感无铁芯直流电机可运行数千小时,远远超出大多数应用的需要。DS-11 的间歇性运动使得运动系统的占空比较低,帮助有刷直流电机解决了这个问题。

电机的选择还帮助团队实现另一个设计目标:运行速度。单独调整样品架的 Z 轴位置需要 0.25 到 0.5 秒,总数据采集时间不足 4 秒。通过选择无铁芯电机,DeNovix 团队将惯性降至最低,使运动轴能够快速可靠地定位,而不会出现过冲或振铃情况。“这就是电机的用武之处。”DeNovix 的业务总监 Kevin Kelley 说道。“系统做出大量实时决策,电机的反应速度使其能够精确控制路径长度,这是仪器最重要的部分。”

集成模块

一旦团队确定他们的需求,下一个问题就是如何满足。他们从商用现成组件开始,通过从 FAULHABER  选择完整的预集成齿轮电机(可供安装),将一些令人头痛的问题抛给他们的供应商。“最大的挑战是尽快将产品推向市场,然而由于有多个原型电机组件可用于快速评估,使得项目的这一部分易于处理。”Kelley 说道。该电机公司在原型阶段在齿轮轴上加工平面,以辅助组装。由于仪器已增加产能,平面在工厂加工。

直流电机驱动分光光度计
来自氙闪光灯的激发信号穿过样品, 并通过一系列光学连接传输到分光计。(由 DeNovix 提供)

我们交付的运动模块让 DeNovix 能够专注于光学部分,并将运动设计留给我们。它还可简化制造过程,并消除集成过程中损坏运动部件的风险。“我们不想一件件地组装,所以内置封装很重要。”Ward 说道。

借助由精确运动提供支持的 SmartPath Technology,DS-11 可使用低至 0.03 毫米的 OPL 测量样品。这与标准 10 毫米等效 OPL(表示 BSA 蛋白质浓度为 750 毫克/毫升或 dsDNA 浓度为 25000 纳克/微升)下的 500 个吸光度单位相关。该仪器由可靠的运动系统驱动,重复性优于 1%。

该系统通过了严格的寿命测试。到目前为止,DeNovix 还没有收到现场出现电机故障的报告,这在一定程度上归功于运动控制模块的性能。

产品

直流微电机
1516 ... SR
精密合金换向
数据表
主要参数
直径:
8 ... 22 mm
长度:
15.8 ... 32.2 mm
名义电压:
3 ... 36 V
转速可达:
17000 min⁻¹
转矩上至:
10 mNm
持续输出功率高达:
8.5 W
系列 1516 ... SR

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