孫碩

[摘 ? ?要 ]在氣壓式微噴系統(tǒng)的基礎上，使用相應的機器視覺算法，基于LabVIEW開發(fā)平臺及IMAQ Vision視覺工具包搭建視覺檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能通過BCG調(diào)節(jié)、二值化及形態(tài)學功能，最終實現(xiàn)對微小液滴高速移動的檢測與運動分析。通過這樣的液滴視覺監(jiān)測系統(tǒng)，操作人員能預估實驗過程中產(chǎn)生的液滴體積，進而更加有效地指導氣微量液體的分配作業(yè)。

[關鍵詞]液體微量分配技術;機器視覺;氣壓式微噴系統(tǒng); LabVIEW開發(fā);圖像處理

[中圖分類號]TN405 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–0–03

[Abstract]Based on the pneumatic micro-jet system， the corresponding machine vision algorithm is used to build a vision inspection system based on the LabVIEW development platform and IMAQ Vision vision toolkit. The system can finally realize the detection and motion analysis of the high-speed movement of small droplets through BCG adjustment， binarization and morphological functions. Through such a droplet visual monitoring system， the operator can estimate the droplet volume generated during the experiment， and then guide the distribution of gas and trace liquids more effectively.

[Keywords]liquid micro-distribution technology; machine vision; pneumatic micro-jet system; LabVIEW development; image processing

1 氣壓式微噴系統(tǒng)的構成與工作原理

文章選用一種氣壓式式液體微量分配方法，即利用壓電致動器帶動撞針進行高頻振動，同時配合氣泵和壓力調(diào)節(jié)器為儲液瓶中的液體提供壓力，實現(xiàn)對高黏度液體的快速、微量分配。

1.1 氣壓式微噴系統(tǒng)工作原理

圖1為氣壓式微噴系統(tǒng)的組成，大致由電磁閥、液路模塊、氣路模塊、控制電路模塊和反饋監(jiān)測模塊5部分組成。

初始電路通電，向試劑瓶中充入帶測試劑，此時外界空氣在氣泵壓縮作用下存儲在氣罐中，經(jīng)過空氣過濾器過濾后進入電器比例閥。

開始噴射實驗前設置輸入電壓，電氣比例閥輸出對應的線性氣壓，經(jīng)過電磁閥進入試劑瓶中。氣壓驅(qū)使試劑沿著管道進入VHS電磁閥等待噴射。

設置電磁閥的周期、開啟時間和循環(huán)次數(shù)。PCB板首先向電磁閥施加高電平信號，電磁閥通道打開，外部氣壓驅(qū)動液體流出噴嘴;開啟時間結束，電磁閥被施以低電平，閥體關閉，被切斷的液體形成液滴，代表一個液滴的噴射周期結束。

2 液滴在線視覺檢測平臺與程序的開發(fā)

在液滴分配過程中，需要檢測液滴體積，以確保其具有高分配準確度。文章利用高速相機配合頻閃燈拍攝液滴圖像，同時使用采用Labview及其模組Vision Assistant開發(fā)相應程序，分析輸出相關數(shù)據(jù)。

2.1 視覺檢測平臺的搭建

視覺檢測平臺大致，如圖2（a）所示。脈沖發(fā)生器（BNC-505）用來產(chǎn)生兩路頻率不同但是同步的脈沖序列。第一路脈沖頻率為1 Hz，用來觸發(fā)信號發(fā)生器產(chǎn)生突發(fā)脈沖序列，脈沖信號傳遞給電磁閥驅(qū)動電路以激勵電磁閥噴射液滴;另一路觸發(fā)信號頻率為10000 Hz，由另一個脈沖發(fā)生器（BNC-575）接收后，加上設定的延遲時間，輸出給工業(yè)相機以控制拍照時間。

如圖2（b）所示，第二路脈沖序列第一路脈沖序列均存在一個逐漸增加的延遲時間，它是由相機的響應時間決定的。實驗時調(diào)整初始延遲時間以保證壓電噴頭的激勵時間點與LED的閃光時間點一致，同時相機的開門也處于打開狀態(tài)。這樣，一個完整的液滴產(chǎn)生過程才能被記錄下來。

為了得到液滴真實尺寸，還應得到一個圖像像素值與實際尺寸的換算比，這一數(shù)值與相機鏡頭參數(shù)、被測物體與鏡頭距離有關，可以通過直接法或間接法得到。

2.2 程序構成模塊設計數(shù)據(jù)計算模型

檢測程序的輸出結果應包含以下要素：液滴半徑、液滴體積及飛行速度等要素。其中液滴半徑可近似地通過公式（1）計算。

式中RDrop為液滴半徑（μm）;Ytop，Ybottom為二值化圖像中粒子頂部與底部像素坐標值（pixel）;Xleft，Xright為二值化圖像中粒子左端與右端像素坐標值（pixel）;μ為實際值與像素值換算比（μm/pixel）。

由于相機拍攝圖像的幀率已知，因此可得到2張連續(xù)圖像的間隔時間，液滴的飛行速度可以通過公式（2）進行計算。

式中VDrop為液滴速度（m/s）;Px1，Px2為兩張連續(xù)照片的液滴形心在x軸上的坐標像素值（pixel）;Py1，Py2為兩張連續(xù)照片的液滴形心在y軸上的坐標像素值（pixel）;F為拍攝圖像時的幀率（frame/s）;μ為實際值與像素值換算比（μm/pixel）。

2.2.1 粒子原始數(shù)據(jù)分析

必須對圖像進行預處理并二值化方可對二值化圖像進行粒子分析。文章將該部分編寫成子VI，共包含9個輸入和4個輸出。

2.2.1.1 創(chuàng)建圖像

使用兩個函數(shù)IMAQ Create與IMAQ ReadFile為圖像創(chuàng)建臨時內(nèi)存，賦予圖像名及圖像類型（文章為Grayscale灰度）。將所需要的圖像在計算機中的路徑字符串輸入并讀取該圖像，準備對其后續(xù)處理。

2.2.1.2 設定ROI

初始圖像一般只有一部分區(qū)域含有待分析液滴，其他部分可能包含一些不需要分析的對象，這樣的區(qū)域被稱為ROI（Region of Interest），需要手動劃分進行后續(xù)處理。

2.2.1.3 BCG調(diào)節(jié)

得到的圖像里液滴與背景的分界線通常比較模糊，直接二值化效果并不理想，因此需要對圖像的亮度、對比度及伽馬值（合稱為BCG）進行調(diào)節(jié)。

二值化為了進行粒子分析，采集到的灰度圖像需要轉(zhuǎn)化為二值圖像，以便突出液滴粒子，獲得粒子的大小、面積和中心。

二值化過程的原理就是設置一個閾值范圍，令像素值在其范圍內(nèi)的所有像素點都被判定為屬于特定物體，即令其在二值化圖像里數(shù)值為1;其余被排除的像素點，值為0。粒子圖像背景亮度最高，同時會夾雜一些灰色的雜點，而液滴顏色最深，亮度最低，因此二值化閾值下限可以取0，確保液滴所有像素都在可取范圍內(nèi)。

二值化相關函數(shù)需要一個數(shù)據(jù)簇作為參數(shù)輸入，該數(shù)據(jù)簇由兩個數(shù)值元素組成，分別代表閾值的上下限。

2.2.1.4 形態(tài)學處理

經(jīng)二值化處理后的圖像可能含有雜點小顆粒，同時液滴除邊界外也應被剔除。

程序可以人為選擇開啟或關閉這些功能，方便前文的二值化處理步驟。

2.2.1.5 粒子數(shù)據(jù)分析

得到二值化處理的圖像后，即可對目標粒子進行數(shù)據(jù)分析，使用Particle Analysis功能并從中選取所需數(shù)據(jù)類型即可輸出。

2.2.2 數(shù)據(jù)后期處理與總程序框架

圖3為總程序框圖，分為圖像輸入、參數(shù)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理和重置程序4個環(huán)節(jié)。

2.2.2.1 圖像輸入環(huán)節(jié)

當選擇了一個圖像文件時，程序開始執(zhí)行。它將文件路化為輸入圖像，同時將選取的ROI數(shù)據(jù)簇設置存儲在局部變量內(nèi)。

2.2.2.2 參數(shù)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)

本環(huán)節(jié)調(diào)用了前文的子VI，將原始圖像、BCG參數(shù)、二值化上限和形態(tài)學處理開關輸入子VI后，VI將以數(shù)組形式輸出至下一環(huán)節(jié)，同時將二值化處理后的圖像通過控件顯示。

2.2.2.3 數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)

參數(shù)調(diào)節(jié)與原始數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)利用前文提到的公式通過原數(shù)據(jù)計算液滴體積。當輸入了2張或以上的圖片時，開始計算液滴運動速度，分別在前面板顯示。

2.3 實驗效果分析

為了驗證基于本程序檢測液滴體積的精度，需要求出該液滴的實際體積。首先利用間接法測量出每次實驗時試劑的密度，同時利用質(zhì)量天平稱取噴射出來的液滴質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量-密度換算公式計算出液滴的體積，即用質(zhì)量除以密度得到液滴的實際體積，并計算出測量時的相對誤差，如表1所示。

從表1中可以看到，基于文章粒子分析程序檢測得到的液滴體積，其相對誤差可以控制在6%左右，基本可以驗證該方案的可靠性。

3 結束語

文章主要是針對基于機器視覺的微噴視覺檢測系統(tǒng)的程序開發(fā)進行研究，通過這樣的液滴視覺監(jiān)測系統(tǒng)，操作人員能預估實驗過程中產(chǎn)生的液滴體積，進而很好地指導氣壓閥控式微噴系統(tǒng)進行分配作業(yè)。

雖然文章完成了預期目標的基本要求，但由于本課題涉及的機器視覺相關知識有著一定深度和復雜性，同時研究的時間和能力有限，文中設計開發(fā)的微噴視覺檢測系統(tǒng)的程序存在一定的局限性，難以適用于較為復雜多變的微噴環(huán)境。同時由于部分參數(shù)仍需手動調(diào)節(jié)，尚未達到真正的生產(chǎn)自動化要求，未來可以將人工智能與機器視覺相結合，在此程序系統(tǒng)的基礎上進行更深入的開發(fā)與完善。

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