一、水盘水位监控的重要性

1. 湿度维持与细胞生长
   150i培养箱利用水盘蒸发来维持箱内相对湿度（RH）在95%左右，若水位过低，蒸发量不足，湿度下降导致培养基失水、渗透压升高，进而影响细胞形态与增殖速度。

2. 减少人为补水频率
   传统的每日或隔日目测补水，不仅增加操作工作量，还可能因忽视、休假或节假日延误补水，造成湿度波动。自动监控可及时发出警报，实现无人值守状态下的安全补水。

3. 实验数据一致性
   湿度波动会引起CO₂传感器误差，连带影响箱内CO₂浓度精度。稳定的水位监测与补给可降低湿度诱发的系统误差，保证实验可重复性。

二、监控方法概述

基于不同传感原理与技术手段，当前可选的水位监控方法主要包括：

• 手动目测与定期检查

• 浮子式液位开关

• 光电（红外或光学）传感器

• 超声波液位测量

• 重力或压力传感器

• 视觉识别（摄像头）

• 自动化远程监控平台

下面逐一介绍各方法的原理、实现要点及适用场景。

三、手动目测与定期检查

原理与流程
操作人员打开箱门，目测水盘内水线高度，必要时借助刻度尺或刻度贴纸判断水位，并手动加水至安全范围。

优点

• 技术门槛低，无需额外设备；

• 维护与培训成本最低。

缺点

• 受人为因素影响大，易出现疏漏；

• 需中断实验室工作流，打开箱门导致温度、CO₂、湿度瞬时扰动；

• 不适合长节假日或无人值守场景。

四、浮子式液位开关

原理
采用塑料或不锈钢浮子，随水位上下浮动，触发上、下限开关，输出开/关信号。

实现要点

• 选择耐高温、耐腐蚀材质，浮子尺寸需与水盘孔径匹配；

• 在水盘壁钻孔或安装专用支架，固定浮子开关；

• 将开关信号接入控制器或PLC，设置上下限报警。

优缺点

• 优点：结构简单、成本低、可靠性高；

• 缺点：只能二值检测（水位高/低），无法获得连续水位数据；浮子易卡滞，需定期清洁。

五、光电传感器

原理
利用红外发射与接收元件或激光+光电二极管，通过检测水面对光束的反射或遮挡变化来判断液位位置。

实现要点

• 可选单点或多点光电传感器，实现多级水位报警；

• 传感头安装于水盘外壁或顶部，避免与培养基直接接触；

• 需考虑箱内高湿度与高CO₂环境对光学元件的影响，选择封装及密封性能良好的产品。

优缺点

• 优点：非接触检测、响应速度快、可实现多点连续测量；

• 缺点：光学元件易被水汽和凝露干扰，需要定期擦拭与校准；成本高于浮子式。

六、超声波液位测量

原理
在水盘上方一定高度安装小型超声波发射/接收模块，发射超声波脉冲，经液面反射后返回，测量飞行时间换算水深。

实现要点

• 模块必须适配高温高湿环境，选用工业级超声波探头；

• 超声波波束区域需避免杂物与水面波动干扰，可结合静水位测量；

• 传感与信号处理可嵌入微控制器，通过串口或I²C接口读取距离数据。

优缺点

• 优点：连续测量、水位曲线实时可视；

• 缺点：受蒸汽、气泡、波纹干扰较大，对算法滤波及硬件选型要求高；成本中等偏高。

七、重力/压力传感器

原理
将称重式或压力式传感器置于水盘承重底座下方，通过重量变化或下方压力变化推算出水位高度。

实现要点

• 称重传感器需具有微小重量分辨能力（如±0.1 g）；

• 压力式需固定管道与密封底座，保证水压完整传递；

• 需在控制单元中以水密度及水盘尺寸参数进行换算。

优缺点

• 优点：测量结果稳定、抗蒸汽干扰；可实现连续高度测量；

• 缺点：需要改装底座，技术门槛高；需防腐蚀、防结垢设计；成本中高。

八、相机视觉识别

原理
在培养箱内或外部设置微型摄像头，定时拍摄水盘区图像，通过图像处理算法识别水面高度与刻度标识。

实现要点

• 需在水盘旁粘贴高对比度刻度标尺，方便算法识别；

• 图像处理可采用OpenCV等库，结合边缘检测与标尺定位提取水位；

• 算法需具备自适应光照变化与水面反光补偿功能。

优缺点

• 优点：可远程查看实时画面，方便做实验日志；检测精度高，可达毫米级；

• 缺点：对光照、反射以及CO₂浑浊度有要求；需要整体软件及硬件集成；成本最高。

九、自动化远程监控系统

系统组成

• 传感器模块：可选浮子、光电、超声或压力元件之一或多元组合；

• 数据采集单元：微控制器（如Arduino、Raspberry Pi）或小型PLC；

• 通信接口：Wi-Fi、以太网或NB-IoT，实现数据上传；

• 远程平台：Web或手机App，显示实时水位曲线、历史记录，并设置报警阈值与补水指令。

实现要点

1. 硬件集成：根据箱内空间及电源接口布线，确保安全绝缘、防潮处理；

2. 软件开发：数据存储、可视化界面、报警推送（短信、邮件或App通知）；

3. 自动补水：联动电磁阀与补水泵，实现低水位自动加水，补水量根据阈值与上次水位差自适应。

十、数据记录与报警策略

1. 实时曲线记录

• 将水位、高低报警状态及补水次数存入数据库；

• 图表化展示，可帮助分析湿度与补水周期关系。

2. 多级报警

• 设定“警告”（如低于40 mm）与“危急”（如低于30 mm）两级报警；

• 推送短信、邮件或App通知，确保及时响应。

3. 异常检测

• 利用阈值和斜率检测，若水位变化幅度过大或过小（如连续48 h未变化），可判定传感器故障并报警。

十一、系统集成与软件管理

1. 网络安全

• 接入实验室内网需开启防火墙并强制HTTPS；

• 用户权限分级，运维人员与普通用户分层查看与控制权限。

2. 模块化设计

• 传感器、采集、控制、展示模块松耦合，便于后续扩展或替换；

• 软件采用RESTful API接口，方便与LIMS（实验室信息管理系统）对接。

十二、维护与校准

1. 定期校准

• 浮子与光电、超声模块每月校准一次；

• 重力/压力传感器每季度校准，使用标准砝码或标定管。

2. 防腐、防霉

• 采用PTFE或PPS等耐腐蚀材料；

• 对密封圈进行定期更换，避免CO₂和蒸汽侵蚀。

3. 备件与维修

• 常备浮子、光电元件及密封圈；

• 制定硬件更换流程，维修后需再次功能验收。

十三、安全与风险评估

1. 电气安全

• 传感器与控制器须符合CE或UL认证；

• 采用低压DC供电并加装漏电保护。

2. 生物安全

• 确保传感器与接线部位无漏水或污染；

• 传感器外壳可承受高温高湿清洗消毒。

十四、实施建议

1. 小规模试点

• 先在一台150i培养箱上安装浮子或光电方案，测试稳定性与报警准确率；

• 收集一周数据，评估误差与维护效率提升情况。

2. 分步升级

• 根据试点结果，逐步在整个实验室推行相同或更高级方案；

• 与LIMS或MES系统对接，实现统一监控和报表。

3. 培训与文档

• 制作操作手册与故障排查指南；

• 对实验室人员进行系统使用与维护培训，并进行考核。

结语

针对Thermo Fisher 150i二氧化碳培养箱的水盘水位监控方法多样，从最基础的手动目测到高级的视觉识别与远程自动化监控，各有利弊。实验室可根据预算、人员配备及管理需求，从浮子式、光电、超声、压力传感器中选择一种或多种结合的混合方案，并逐步升级至自动补水与远程监控平台，以实现“实时、准确、无人值守”的湿度管理目标，保障细胞培养环境的稳定性与实验数据的可靠性。