毛 敏，陸金霞，洪程鑫，李 赟，全鳳慧

（南通市計(jì)量檢定測(cè)試所，江蘇 南通 226000）

浮標(biāo)式氧氣吸入器主要配套于醫(yī)用中心供氧系統(tǒng)，供醫(yī)療單位急救給氧和缺氧病人做氧氣吸入用，是醫(yī)院急診室、病房病人給氧治療的必備器械。為了能穩(wěn)定、持續(xù)地以恒定壓力和流量的供氧，氧氣吸入器的工作性能指標(biāo)至關(guān)重要。按照國(guó)標(biāo)檢定規(guī)程JJG913—2015要求，氧氣吸入器的檢定周期不超過(guò)半年，而目前市場(chǎng)上的氧氣吸入器檢定器主要以機(jī)械式或數(shù)字式為主，均需手動(dòng)控制多種機(jī)械閥體進(jìn)行檢定測(cè)試點(diǎn)調(diào)節(jié)，同時(shí)，通過(guò)目測(cè)的方式判定被檢表以及標(biāo)準(zhǔn)表之間的示值誤差。手動(dòng)調(diào)節(jié)誤差較大，檢定人員目測(cè)判定結(jié)果更加不標(biāo)準(zhǔn)，幾乎不可能做到被檢呼吸器的準(zhǔn)確檢定結(jié)果[1]。

通過(guò)對(duì)行業(yè)同類(lèi)產(chǎn)品的深入研究、對(duì)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的學(xué)習(xí)和工業(yè)自動(dòng)化控制理論的研究總結(jié)，本團(tuán)隊(duì)以現(xiàn)有市場(chǎng)的機(jī)械式以及數(shù)字式氧氣吸入器為基礎(chǔ)，研究、討論依靠現(xiàn)代人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)，結(jié)合自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)的全自動(dòng)氧氣吸入器檢定器，從理論研究和實(shí)物開(kāi)發(fā)論證發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)的全自動(dòng)數(shù)字化檢定器能直觀反映被檢浮標(biāo)式氧氣呼吸器的工作狀態(tài)，能真實(shí)地反映其實(shí)際存在的工作誤差[2]。

1 機(jī)器視覺(jué)

浮標(biāo)式氧氣吸入器主要是對(duì)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(biāo)流量表均為機(jī)械式儀表。以往都是檢定員通過(guò)指定檢定點(diǎn)目測(cè)讀數(shù)作為狀態(tài)指示，而按照全自動(dòng)檢定器的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，同時(shí)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)檢定精度的準(zhǔn)確性，必須獲取機(jī)械式儀表的相對(duì)準(zhǔn)確示值讀數(shù)，而吸入器為無(wú)源設(shè)備，所以，此項(xiàng)目采用機(jī)器視覺(jué)識(shí)別技術(shù)作為獲取其模擬參數(shù)的方式，主要通過(guò)指針定位與浮標(biāo)位置示數(shù)識(shí)別兩部分。其中，指針定位主要是通過(guò)圖像處理視覺(jué)技術(shù)，確定儀表零刻度與指針的相對(duì)角度位置，進(jìn)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(xiàn)變換法、剪影法、中心投影法、最小二乘法等。通過(guò)圖像二值法檢測(cè)指針直線(xiàn)，可以參照霍夫變換，其原理是利用圖像空間和霍夫參數(shù)空間的線(xiàn)-點(diǎn)對(duì)偶性，把圖像空間中的檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間中進(jìn)行[3]。

基于圖像特征的指針式儀表讀數(shù)識(shí)別有很多方法，此項(xiàng)目主要有兩種儀表：指針式機(jī)械式儀表、浮標(biāo)式流量計(jì)儀表，因此，可以選用一種較為普遍的解決方案去處理，針對(duì)刻度均勻分布的這兩種機(jī)械儀表，本文提出一種基于標(biāo)定的指針式儀表數(shù)據(jù)讀取方法。首先，通過(guò)儀表的標(biāo)定，識(shí)別確定儀表的量程、最小刻度線(xiàn)、最小刻度識(shí)別區(qū)、儀表最大刻度線(xiàn)識(shí)別區(qū)、表盤(pán)識(shí)別區(qū)；其次，通過(guò)截取當(dāng)前圖像中標(biāo)定區(qū)域的子圖，完成后續(xù)刻度斜率識(shí)別、指針示數(shù)識(shí)別等步驟。

項(xiàng)目中浮標(biāo)流量計(jì)是以浮子在透明玻璃管中利用流通面積和流速導(dǎo)致壓力差的關(guān)系原理進(jìn)行上下浮動(dòng)，進(jìn)而對(duì)管路氣體流量大小實(shí)現(xiàn)標(biāo)定，而此部分流量，依然對(duì)于透明玻璃管中浮子相對(duì)刻度進(jìn)行讀取，采用機(jī)械指針式儀表建模標(biāo)定方法，依次進(jìn)行刻度分割、浮標(biāo)玻璃管關(guān)鍵參數(shù)提取、最大量程識(shí)別，最終利用圖像二值分割進(jìn)行儀表刻度線(xiàn)的幾何特征精準(zhǔn)提取，進(jìn)而最終變換為系統(tǒng)需要的數(shù)字化讀數(shù)。

圖1 儀表識(shí)別

2 高精密流量壓力的數(shù)字測(cè)量

基于高壓氧氣的特性，本研究對(duì)于高壓氧氣的壓力檢測(cè)采用防爆測(cè)試芯體，按照測(cè)試規(guī)程，高壓氧氣需達(dá)到0.4級(jí)高精度要求、流量精度一級(jí)誤差，由于目標(biāo)為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)器，所以要求保證線(xiàn)性誤差的一致性。目前，市場(chǎng)主流數(shù)字傳感器都難以達(dá)到壓力線(xiàn)性0.4級(jí)、流量線(xiàn)性一級(jí)誤差要求，多數(shù)因?yàn)閭鞲衅鞅倔w線(xiàn)性誤差超過(guò)規(guī)程要求，傳感器數(shù)據(jù)的偏移特性，導(dǎo)致線(xiàn)性誤差難以與理想線(xiàn)性保持一致，因此，本項(xiàng)目通過(guò)高精度24位模擬轉(zhuǎn)數(shù)字AD采樣變換，降低傳感器本身模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差，以提高傳感器本身誤差分辨率，同時(shí)采用最小二乘法，使得所有已知的數(shù)據(jù)點(diǎn)到理想數(shù)據(jù)直線(xiàn)的距離和最小或平方和最?。徊捎脭?shù)據(jù)參數(shù)二次曲線(xiàn)擬合的算法分析，進(jìn)一步提高測(cè)試數(shù)據(jù)的高精度要求；通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，實(shí)現(xiàn)算法曲線(xiàn)的最佳擬合[4]。流量曲線(xiàn)誤差如圖2所示。

圖2 流量曲線(xiàn)誤差示意

通過(guò)流量曲線(xiàn)的誤差數(shù)據(jù)擬合，最終采用二次標(biāo)定消除傳感器本身的線(xiàn)性誤差，以超高精度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備作為標(biāo)定對(duì)象進(jìn)行二次標(biāo)定，結(jié)合以上高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換，消除本身的線(xiàn)性誤差（傳感器本身線(xiàn)性誤差高于3%），以此傳感器本身的采樣誤差即為此流量計(jì)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(guò)以上技術(shù)方法，最終此計(jì)量檢定部分誤差即可做到檢定規(guī)程要求范圍。

3 測(cè)試點(diǎn)自動(dòng)控制設(shè)置

本研究中，所有被測(cè)試點(diǎn)的選擇都采用全自動(dòng)控制調(diào)節(jié)輸出方式，系統(tǒng)自帶操作系統(tǒng)文件輸入，通過(guò)編程文件的導(dǎo)入，系統(tǒng)將自動(dòng)按照編程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出。主系統(tǒng)將目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)的信息下發(fā)至控制系統(tǒng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)進(jìn)行閥體調(diào)節(jié)；為了實(shí)現(xiàn)閥體調(diào)節(jié)的精度以及安全性，系統(tǒng)同步測(cè)試輸出壓力進(jìn)行閉環(huán)反饋，使得在控制過(guò)程中能穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)植入PID控制算法，通過(guò)目標(biāo)輸入值與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差值按照比例、微分、積分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用以對(duì)閥體的最終輸出控制。設(shè)備總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 設(shè)備總體架構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)的理論研究和實(shí)際研發(fā)驗(yàn)證，此方法可以很好地填補(bǔ)目前多數(shù)浮標(biāo)式氧氣吸入器檢定器的不足，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)的采集、輸出，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)檢定對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，從而可以更科學(xué)地實(shí)現(xiàn)對(duì)浮標(biāo)式氧氣吸入器的標(biāo)準(zhǔn)檢定，最終保證了設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的安全。