氣壓式微噴視覺在線檢測技術(shù)與系統(tǒng)

孫碩

[摘 ? ?要 ]在氣壓式微噴系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用相應(yīng)的機(jī)器視覺算法，基于LabVIEW開發(fā)平臺(tái)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(xué)功能，最終實(shí)現(xiàn)對微小液滴高速移動(dòng)的檢測與運(yùn)動(dòng)分析。通過這樣的液滴視覺監(jiān)測系統(tǒng)，操作人員能預(yù)估實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的液滴體積，進(jìn)而更加有效地指導(dǎo)氣微量液體的分配作業(yè)。

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

[中圖分類號(hào)]TN405 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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(gòu)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(dòng)器帶動(dòng)撞針進(jìn)行高頻振動(dòng)，同時(shí)配合氣泵和壓力調(diào)節(jié)器為儲(chǔ)液瓶中的液體提供壓力，實(shí)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(shí)外界空氣在氣泵壓縮作用下存儲(chǔ)在氣罐中，經(jīng)過空氣過濾器過濾后進(jìn)入電器比例閥。

開始噴射實(shí)驗(yàn)前設(shè)置輸入電壓，電氣比例閥輸出對應(yīng)的線性氣壓，經(jīng)過電磁閥進(jìn)入試劑瓶中。氣壓驅(qū)使試劑沿著管道進(jìn)入VHS電磁閥等待噴射。

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

2 液滴在線視覺檢測平臺(tái)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(zhǔn)確度。文章利用高速相機(jī)配合頻閃燈拍攝液滴圖像，同時(shí)使用采用Labview及其模組Vision Assistant開發(fā)相應(yīng)程序，分析輸出相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.1 視覺檢測平臺(tái)的搭建

視覺檢測平臺(tái)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(hào)發(fā)生器產(chǎn)生突發(fā)脈沖序列，脈沖信號(hào)傳遞給電磁閥驅(qū)動(dòng)電路以激勵(lì)電磁閥噴射液滴;另一路觸發(fā)信號(hào)頻率為10000 Hz，由另一個(gè)脈沖發(fā)生器（BNC-575）接收后，加上設(shè)定的延遲時(shí)間，輸出給工業(yè)相機(jī)以控制拍照時(shí)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(gè)逐漸增加的延遲時(shí)間，它是由相機(jī)的響應(yīng)時(shí)間決定的。實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)整初始延遲時(shí)間以保證壓電噴頭的激勵(lì)時(shí)間點(diǎn)與LED的閃光時(shí)間點(diǎn)一致，同時(shí)相機(jī)的開門也處于打開狀態(tài)。這樣，一個(gè)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(shí)尺寸，還應(yīng)得到一個(gè)圖像像素值與實(shí)際尺寸的換算比，這一數(shù)值與相機(jī)鏡頭參數(shù)、被測物體與鏡頭距離有關(guān)，可以通過直接法或間接法得到。

2.2 程序構(gòu)成模塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算模型

檢測程序的輸出結(jié)果應(yīng)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(jì)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(biāo)值（pixel）;Xleft，Xright為二值化圖像中粒子左端與右端像素坐標(biāo)值（pixel）;μ為實(shí)際值與像素值換算比（μm/pixel）。

由于相機(jī)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(shí)間，液滴的飛行速度可以通過公式（2）進(jìn)行計(jì)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(biāo)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(biāo)像素值（pixel）;F為拍攝圖像時(shí)的幀率（frame/s）;μ為實(shí)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(jìn)行預(yù)處理并二值化方可對二值化圖像進(jìn)行粒子分析。文章將該部分編寫成子VI，共包含9個(gè)輸入和4個(gè)輸出。

2.2.1.1 創(chuàng)建圖像

使用兩個(gè)函數(shù)IMAQ Create與IMAQ ReadFile為圖像創(chuàng)建臨時(shí)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(jì)算機(jī)中的路徑字符串輸入并讀取該圖像，準(zhǔn)備對其后續(xù)處理。

2.2.1.2 設(shè)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(dòng)劃分進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)。

二值化為了進(jìn)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(shè)置一個(gè)閾值范圍，令像素值在其范圍內(nèi)的所有像素點(diǎn)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(diǎn)，值為0。粒子圖像背景亮度最高，同時(shí)會(huì)夾雜一些灰色的雜點(diǎn)，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(guān)函數(shù)需要一個(gè)數(shù)據(jù)簇作為參數(shù)輸入，該數(shù)據(jù)簇由兩個(gè)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(xué)處理

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

程序可以人為選擇開啟或關(guān)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(biāo)粒子進(jìn)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(gè)環(huán)節(jié)。

2.2.2.1 圖像輸入環(huán)節(jié)

當(dāng)選擇了一個(gè)圖像文件時(shí)，程序開始執(zhí)行。它將文件路化為輸入圖像，同時(shí)將選取的ROI數(shù)據(jù)簇設(shè)置存儲(chǔ)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(xué)處理開關(guān)輸入子VI后，VI將以數(shù)組形式輸出至下一環(huán)節(jié)，同時(shí)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(jì)算液滴體積。當(dāng)輸入了2張或以上的圖片時(shí)，開始計(jì)算液滴運(yùn)動(dòng)速度，分別在前面板顯示。

2.3 實(shí)驗(yàn)效果分析

為了驗(yàn)證基于本程序檢測液滴體積的精度，需要求出該液滴的實(shí)際體積。首先利用間接法測量出每次實(shí)驗(yàn)時(shí)試劑的密度，同時(shí)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(jì)算出液滴的體積，即用質(zhì)量除以密度得到液滴的實(shí)際體積，并計(jì)算出測量時(shí)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(yàn)證該方案的可靠性。

3 結(jié)束語

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

雖然文章完成了預(yù)期目標(biāo)的基本要求，但由于本課題涉及的機(jī)器視覺相關(guān)知識(shí)有著一定深度和復(fù)雜性，同時(shí)研究的時(shí)間和能力有限，文中設(shè)計(jì)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(fù)雜多變的微噴環(huán)境。同時(shí)由于部分參數(shù)仍需手動(dòng)調(diào)節(jié)，尚未達(dá)到真正的生產(chǎn)自動(dòng)化要求，未來可以將人工智能與機(jī)器視覺相結(jié)合，在此程序系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行更深入的開發(fā)與完善。

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