基于機器視覺的全自動氧氣吸入器檢定器研究

毛 敏，陸金霞，洪程鑫，李 赟，全鳳慧

（南通市計量檢定測試所，江蘇 南通 226000）

浮標式氧氣吸入器主要配套于醫用中心供氧系統，供醫療單位急救給氧和缺氧病人做氧氣吸入用，是醫院急診室、病房病人給氧治療的必備器械。為了能穩定、持續地以恒定壓力和流量的供氧，氧氣吸入器的工作性能指標至關重要。按照國標檢定規程JJG913—2015要求，氧氣吸入器的檢定周期不超過半年，而目前市場上的氧氣吸入器檢定器主要以機械式或數字式為主，均需手動控制多種機械閥體進行檢定測試點調節，同時，通過目測的方式判定被檢表以及標準表之間的示值誤差。手動調節誤差較大，檢定人員目測判定結果更加不標準，幾乎不可能做到被檢呼吸器的準確檢定結果[1]。

通過對行業同類產品的深入研究、對機器視覺應用的學習和工業自動化控制理論的研究總結，本團隊以現有市場的機械式以及數字式氧氣吸入器為基礎，研究、討論依靠現代人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術，結合自動化控制設計的全自動氧氣吸入器檢定器，從理論研究和實物開發論證發現，標準的全自動數字化檢定器能直觀反映被檢浮標式氧氣呼吸器的工作狀態，能真實地反映其實際存在的工作誤差[2]。

1 機器視覺

浮標式氧氣吸入器主要是對于其輸入壓力表、輸出氣體流量以及輸出氣體壓力的檢定，其中其壓力表以及浮標流量表均為機械式儀表。以往都是檢定員通過指定檢定點目測讀數作為狀態指示，而按照全自動檢定器的設計目標要求，同時結合標準檢定精度的準確性，必須獲取機械式儀表的相對準確示值讀數，而吸入器為無源設備，所以，此項目采用機器視覺識別技術作為獲取其模擬參數的方式，主要通過指針定位與浮標位置示數識別兩部分。其中，指針定位主要是通過圖像處理視覺技術，確定儀表零刻度與指針的相對角度位置，進而確定指針位置，或者直接利用指針特征確定指針位置；主要方法包括：直線變換法、剪影法、中心投影法、最小二乘法等。通過圖像二值法檢測指針直線，可以參照霍夫變換，其原理是利用圖像空間和霍夫參數空間的線-點對偶性，把圖像空間中的檢測問題轉換到參數空間中進行[3]。

基于圖像特征的指針式儀表讀數識別有很多方法，此項目主要有兩種儀表：指針式機械式儀表、浮標式流量計儀表，因此，可以選用一種較為普遍的解決方案去處理，針對刻度均勻分布的這兩種機械儀表，本文提出一種基于標定的指針式儀表數據讀取方法。首先，通過儀表的標定，識別確定儀表的量程、最小刻度線、最小刻度識別區、儀表最大刻度線識別區、表盤識別區；其次，通過截取當前圖像中標定區域的子圖，完成后續刻度斜率識別、指針示數識別等步驟。

項目中浮標流量計是以浮子在透明玻璃管中利用流通面積和流速導致壓力差的關系原理進行上下浮動，進而對管路氣體流量大小實現標定，而此部分流量，依然對于透明玻璃管中浮子相對刻度進行讀取，采用機械指針式儀表建模標定方法，依次進行刻度分割、浮標玻璃管關鍵參數提取、最大量程識別，最終利用圖像二值分割進行儀表刻度線的幾何特征精準提取，進而最終變換為系統需要的數字化讀數。

圖1 儀表識別

2 高精密流量壓力的數字測量

基于高壓氧氣的特性，本研究對于高壓氧氣的壓力檢測采用防爆測試芯體，按照測試規程，高壓氧氣需達到0.4級高精度要求、流量精度一級誤差，由于目標為測試標準器，所以要求保證線性誤差的一致性。目前，市場主流數字傳感器都難以達到壓力線性0.4級、流量線性一級誤差要求，多數因為傳感器本體線性誤差超過規程要求，傳感器數據的偏移特性，導致線性誤差難以與理想線性保持一致，因此，本項目通過高精度24位模擬轉數字AD采樣變換，降低傳感器本身模數轉換誤差，以提高傳感器本身誤差分辨率，同時采用最小二乘法，使得所有已知的數據點到理想數據直線的距離和最小或平方和最小；采用數據參數二次曲線擬合的算法分析，進一步提高測試數據的高精度要求；通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配，實現算法曲線的最佳擬合[4]。流量曲線誤差如圖2所示。

圖2 流量曲線誤差示意

通過流量曲線的誤差數據擬合，最終采用二次標定消除傳感器本身的線性誤差，以超高精度標準設備作為標定對象進行二次標定，結合以上高精度數模轉換，消除本身的線性誤差（傳感器本身線性誤差高于3%），以此傳感器本身的采樣誤差即為此流量計的最終誤差，而傳感器的采樣誤差可以做到小于等于0.2%，因此，通過以上技術方法，最終此計量檢定部分誤差即可做到檢定規程要求范圍。

3 測試點自動控制設置

本研究中，所有被測試點的選擇都采用全自動控制調節輸出方式，系統自帶操作系統文件輸入，通過編程文件的導入，系統將自動按照編程目標實現多個測試點的自動調節輸出。主系統將目標測試點的信息下發至控制系統，進而驅動控制電機進行閥體調節；為了實現閥體調節的精度以及安全性，系統同步測試輸出壓力進行閉環反饋，使得在控制過程中能穩定運行，系統植入PID控制算法，通過目標輸入值與設定標準值之間的偏差值按照比例、微分、積分的函數關系進行運算，其運算結果用以對閥體的最終輸出控制。設備總體架構如圖3所示。

圖3 設備總體架構

4 結語

系統的理論研究和實際研發驗證，此方法可以很好地填補目前多數浮標式氧氣吸入器檢定器的不足，通過標準自動化數據的采集、輸出，可以實現對目標檢定對象的標準測試，從而可以更科學地實現對浮標式氧氣吸入器的標準檢定，最終保證了設備在現場實際運行的安全。