基于机器视觉的全自动氧气吸入器检定器研究

毛 敏，陆金霞，洪程鑫，李 赟，全凤慧

（南通市计量检定测试所，江苏 南通 226000）

浮标式氧气吸入器主要配套于医用中心供氧系统，供医疗单位急救给氧和缺氧病人做氧气吸入用，是医院急诊室、病房病人给氧治疗的必备器械。为了能稳定、持续地以恒定压力和流量的供氧，氧气吸入器的工作性能指标至关重要。按照国标检定规程JJG913—2015要求，氧气吸入器的检定周期不超过半年，而目前市场上的氧气吸入器检定器主要以机械式或数字式为主，均需手动控制多种机械阀体进行检定测试点调节，同时，通过目测的方式判定被检表以及标准表之间的示值误差。手动调节误差较大，检定人员目测判定结果更加不标准，几乎不可能做到被检呼吸器的准确检定结果[1]。

通过对行业同类产品的深入研究、对机器视觉应用的学习和工业自动化控制理论的研究总结，本团队以现有市场的机械式以及数字式氧气吸入器为基础，研究、讨论依靠现代人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术，结合自动化控制设计的全自动氧气吸入器检定器，从理论研究和实物开发论证发现，标准的全自动数字化检定器能直观反映被检浮标式氧气呼吸器的工作状态，能真实地反映其实际存在的工作误差[2]。

1 机器视觉

浮标式氧气吸入器主要是对于其输入压力表、输出气体流量以及输出气体压力的检定，其中其压力表以及浮标流量表均为机械式仪表。以往都是检定员通过指定检定点目测读数作为状态指示，而按照全自动检定器的设计目标要求，同时结合标准检定精度的准确性，必须获取机械式仪表的相对准确示值读数，而吸入器为无源设备，所以，此项目采用机器视觉识别技术作为获取其模拟参数的方式，主要通过指针定位与浮标位置示数识别两部分。其中，指针定位主要是通过图像处理视觉技术，确定仪表零刻度与指针的相对角度位置，进而确定指针位置，或者直接利用指针特征确定指针位置；主要方法包括：直线变换法、剪影法、中心投影法、最小二乘法等。通过图像二值法检测指针直线，可以参照霍夫变换，其原理是利用图像空间和霍夫参数空间的线-点对偶性，把图像空间中的检测问题转换到参数空间中进行[3]。

基于图像特征的指针式仪表读数识别有很多方法，此项目主要有两种仪表：指针式机械式仪表、浮标式流量计仪表，因此，可以选用一种较为普遍的解决方案去处理，针对刻度均匀分布的这两种机械仪表，本文提出一种基于标定的指针式仪表数据读取方法。首先，通过仪表的标定，识别确定仪表的量程、最小刻度线、最小刻度识别区、仪表最大刻度线识别区、表盘识别区；其次，通过截取当前图像中标定区域的子图，完成后续刻度斜率识别、指针示数识别等步骤。

项目中浮标流量计是以浮子在透明玻璃管中利用流通面积和流速导致压力差的关系原理进行上下浮动，进而对管路气体流量大小实现标定，而此部分流量，依然对于透明玻璃管中浮子相对刻度进行读取，采用机械指针式仪表建模标定方法，依次进行刻度分割、浮标玻璃管关键参数提取、最大量程识别，最终利用图像二值分割进行仪表刻度线的几何特征精准提取，进而最终变换为系统需要的数字化读数。

图1 仪表识别

2 高精密流量压力的数字测量

基于高压氧气的特性，本研究对于高压氧气的压力检测采用防爆测试芯体，按照测试规程，高压氧气需达到0.4级高精度要求、流量精度一级误差，由于目标为测试标准器，所以要求保证线性误差的一致性。目前，市场主流数字传感器都难以达到压力线性0.4级、流量线性一级误差要求，多数因为传感器本体线性误差超过规程要求，传感器数据的偏移特性，导致线性误差难以与理想线性保持一致，因此，本项目通过高精度24位模拟转数字AD采样变换，降低传感器本身模数转换误差，以提高传感器本身误差分辨率，同时采用最小二乘法，使得所有已知的数据点到理想数据直线的距离和最小或平方和最小；采用数据参数二次曲线拟合的算法分析，进一步提高测试数据的高精度要求；通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，实现算法曲线的最佳拟合[4]。流量曲线误差如图2所示。

图2 流量曲线误差示意

通过流量曲线的误差数据拟合，最终采用二次标定消除传感器本身的线性误差，以超高精度标准设备作为标定对象进行二次标定，结合以上高精度数模转换，消除本身的线性误差（传感器本身线性误差高于3%），以此传感器本身的采样误差即为此流量计的最终误差，而传感器的采样误差可以做到小于等于0.2%，因此，通过以上技术方法，最终此计量检定部分误差即可做到检定规程要求范围。

3 测试点自动控制设置

本研究中，所有被测试点的选择都采用全自动控制调节输出方式，系统自带操作系统文件输入，通过编程文件的导入，系统将自动按照编程目标实现多个测试点的自动调节输出。主系统将目标测试点的信息下发至控制系统，进而驱动控制电机进行阀体调节；为了实现阀体调节的精度以及安全性，系统同步测试输出压力进行闭环反馈，使得在控制过程中能稳定运行，系统植入PID控制算法，通过目标输入值与设定标准值之间的偏差值按照比例、微分、积分的函数关系进行运算，其运算结果用以对阀体的最终输出控制。设备总体架构如图3所示。

图3 设备总体架构

4 结语

系统的理论研究和实际研发验证，此方法可以很好地填补目前多数浮标式氧气吸入器检定器的不足，通过标准自动化数据的采集、输出，可以实现对目标检定对象的标准测试，从而可以更科学地实现对浮标式氧气吸入器的标准检定，最终保证了设备在现场实际运行的安全。