CN101526384B - 一种图像法液面探测方法及装置 - Google Patents
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本发明公开了一种图像法液面探测方法及装置，所述的方法包括以下步骤：照亮待测试管内液面及其内壁；自待测试管底部一侧圆弧切点处向试管开口另一侧内边缘做连线并延长形成第一延长线，过试管开口一侧内边缘处做一平行于所述的第一延长线的第二延长线，一个数码相机的镜头平面垂直于所述的第一延长线和第二延长线设置并且其镜头对准试管内壁的整个一侧边缘段拍摄；通过所述的数码相机获得试管顶端内侧点距液面与试管壁交界面的距离从而通过公式计算出所述的待测试管中液面的高度值。本发明的优点在于：采用本发明的方法和装置不受被加样液体导电性能影响、不受试管外壁所贴标签、污渍影响且能够探测出液面气泡、瓶盖是否移走。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触式液面探测方法，特别是需要自动对液体进行微量取样、加样的分析仪器中，如全自动生化分析仪、自动酶标免疫分析仪、血液粘度仪、血液凝聚分析仪等的液面探测方法及装置。
背景技术
分析精度是自动分析仪器的最重要指标。而影响分析精度的诸多因素中，加样精度是最主要因素。自动分析仪器中对液体样本和试剂进行微量加样多是通过加样针探入液体，在与加样针管路相连的加样器的抽吸作用下，定量的被加样液体被抽入加样针内，然后被注射进反应杯或比色杯中进行后续测量。该加样过程中加样针针头不能浸入被加样液体太深，否则加样头外表面会携带过量的残液，造成加样不准，从而影响测试精度。此外，自动分析仪在加样之前首先需要探知被加样液体容器中是否有足够的被加样液体，以免造成加样不足，产生错误测量结果。因而，自动分析仪器中的加样系统中，液面探测功能是必需的。
分析仪器实际工作过程中，还面临着诸多其他问题，例如：被加样液体的导电、粘度等物理因素特性差异较大；液体表面伴有气泡；操作人员忘记将容器盖忘记取下等等。这些问题对仪器的液面探测功能提出更高要求。同时，分析仪器中样品和试剂的加样过程是的快慢是制约分析仪器整体运行速度的关键因素，因而要求液面探测过程所用时间尽量短。
目前自动分析仪器中液面探测方法多种多样，主要可以归类为接触式和非接触式两大类。
接触式是指只有当加样针或传感器接触到被加样液体时，才能探知液体的存在，进而探知液面高度。现有的接触式液面探测技术有电容法(例如中国专利CN101135584A)、管道气压法(例如美国专利4,777,832)、机械振动法(例如美国专利US7,416,706)、光纤法(例如美国专利US3,448,616)等。接触式的最大缺点是：1、液体的导电性等物理性能影响液面探测精度；2、液面气泡会导致加样量不准；3、当被加样液体耗尽时，探测装置要完成探测动作才能得知液体已经耗尽，该动作成为无效动作，因而降低了仪器速度；4、当容器瓶盖忘记取下时，瓶盖可能会损坏加样针。
非接触式是指加样针不必下探到被加样液面即可感知液面高度。现有的非接触式液面探测技术有激光法(例如欧洲专利WO200042384)、超声波法(例如美国专利US5,880,364)和成像法(例如美国专利US5,463,228)等。就所提及的专利而言，WO200042384激光法亦然具有非接触法的缺点；超声法不能探测到气泡和瓶盖；而US5,463,228介绍的成像法采用透射方式成像，照明光源和成像装置与试管在同一水平面。光源发出的光透射过被测试管在成像装置上成像，软件系统对图像分析获得液面高度。该方法最大缺点是只能用于透明试管，并且试管内外壁上不能有污渍，而临床上所用试管外表面均贴有纸质标签或血渍，标签和血渍挡住了液面成像，因此限制了该方法的使用场合。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种非接触、不受被加样液体导电性能影响、不受试管外壁所贴标签、污渍影响且能够探测出液面气泡、瓶盖是否移走的图像法液面探测方法及装置。
本发明的一种图像法液面探测方法，它包括以下步骤：
(1)照亮待测试管内液面及其内壁；
(2)自待测试管底部一侧圆弧切点处向试管开口另一侧内边缘做连线并延长形成第一延长线，过试管开口一侧内边缘处做一平行于所述的第一延长线的第二延长线，一个数码相机的镜头平面垂直于所述的第一延长线和第二延长线设置并且其镜头对准试管内壁的整个一侧边缘段拍摄；
(3)在所述试管内壁的图像上获得试管顶端内侧点距液面与试管壁交界面的距离，再根据该距离计算出所述的待测试管中液面的高度值。
本发明的一种图像法液面探测装置它包括一个数码照相机，所述的数码照相机的镜头平面垂直于第一延长线和第二延长线设置并且其镜头对准试管内壁的整个一侧边缘段，所述的第一延长线为自样本试管底部一侧圆弧切点处向试管开口另一侧内边缘做连线并延长形成，所述的第二延长线为过试管开口一侧内边缘处做一平行于所述的第一延长线形成，它还包括一个位于所述的试管侧壁或者试管开口上方的照明装置。
本发明的优点在于：采用本发明的方法和装置不受被加样液体导电性能影响、不受试管外壁所贴标签、污渍影响且能够探测出液面气泡、瓶盖是否移走。
附图说明
图1是本发明的图像法液面探测方法的原理示意图；
图2是试管液面照片示意图；
图3是本发明的另一种试管试剂瓶的结构示意图；
图4是本发明的另一种实施方式原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明的一种图像法液面探测方法，它包括以下步骤：(1)照亮待测试管内液面及其内壁；(2)自待测试管底部一侧圆弧切点处向试管开口另一侧内边缘做连线并延长形成第一延长线，过试管开口一侧内边缘处做一平行于所述的第一延长线的第二延长线，一个数码相机的镜头平面垂直于所述的第一延长线和第二延长线设置并且其镜头对准试管内壁的整个一侧边缘段拍摄；(3)通过所述的数码相机获得试管顶端内侧点距液面与试管壁交界面的距离从而通过公式计算出所述的待测试管中液面的高度值。所述的步骤(3)中的公式可以为h＝ax+b，其中式中的a，b为通过定标方法求解得到的常数，h为待测试管内的液面高度，x为通过所述的步骤(3)获得的试管顶端点距液面与试管壁交界面的距离，所述的a，b的定标方法的步骤可以为：(a)用凝胶制作两只标准样本管，所述的标准样本管的管口直径以及高度与待测试管的管口直径以及高度相同；(b)分别设定所述的每只标准样本管的凝胶高度；(c)通过所述的步骤(1)至(3)获得每只标准样本管顶端点距液面与试管壁交界面的距离；(d)通过公式对a＝(h1-h2)/(x1-x2)和b＝(h2x1-h1x2)/(x1-x2)中的a，b值定标，其中式中的h1和h2为每只标准样本管中的凝胶高度，x1和x2为通过所述的步骤(c)测得的试管顶端点内侧距液面与试管壁交界面的距离。
首先以采用二维加样方式(指加样针只能上下和水平转动，试剂盘和样本盘只能转动)的分析仪器为例说明本发明的一种实施方式。
如图1所示的数码相机4的安装位置描述如下：自样本试管3底部圆弧切点A处向试管开口右侧内边缘B做连线并延长B’，过试管口左侧内边缘C处做一平行于线段AB’的平行线CC’。数码相机4镜头平面垂直于平行线AB’和CC’。镜头对准试管内壁的左边缘AC段。选择合适的数码相机镜头光圈使AC段在数码相机内均能成基本清晰的图像。图中h为液面高度。
图2是数码相机拍到的照片示意图，图中x为试管顶端内侧C点距液面与试管壁交界面的距离。在该照片上，通过图像识别的方式，可以找到试管和液面的边界，从而找到试管顶端内侧C点距液面与试管壁交界面的距离x。通过几何推导，可以证明x与图1中液面高度h的关系为线性关系，其关系为：
h＝ax+b -----方程1
其中系数a，b是常数，可以通过标准液面试管定标获得。一旦系数a，b确定，在获得某一试管的照片后，可以分析出其x的数值，从而推导出液面高度h。
本发明方法适用于其高度和开口直径都与标准样管相同的试剂瓶，如图3所示的试剂瓶5的液面探测也能应用该方法，试剂瓶5的高度和开口直径都与试管相同，但盛装试剂部分的容器截面被设计成矩形，且开口在试剂瓶的一端。试剂瓶的厚度为一端薄一端厚，便于将试剂瓶放置在圆形试剂盘上。
为了拍摄到清晰的图像，足够亮度的照明是必需的。对于采用二维加样方式的分析仪器，数码相机和照明装置分别固定在主机内靠近样本和试剂装盘处，并且照明装置对样板和试剂侧向照明以照亮容器侧壁。每当一个试管随转盘转动到拍摄区时，照明驱动电路点亮强光发光管阵列1，光线经毛玻璃2柔光后照亮试管3外壁。因试管是用透明材料制成，并且试管上的纸质标签也是半透明的，试管3内部会被照亮。实验表明，以试管内部的液面处亮度为准选择数码照相机4的合适增益或快门时间，故意使试管壁曝光过度，就会排除试管3外壁的标签、污渍的影响。
以图4为例说明本发明的另一种实施方式。
对于采用三维移动的分析仪器(指加样针可以在上下、前后、左右三个方向做直线运动，而试剂瓶和样本管不做运动)，数码相机和照明装置固定于加样臂上随加样臂移动，见图4。当加样臂移动到样本试管或试剂盘上方时，高亮度发光二极管被点亮，直接照亮容器内液面和试管内壁。图像分析出液面高度后，加样针再决定是否向下移动、移动多少。
定标方法
方程1中系数a，b定标过程如下：(a)用凝胶(当然也可以选取其它材质，只要表面反光，高度固定、高度已知且高度不同的两个任意材质即可)制作两只标准样本管；(b)分别设定所述的每只标准样本管的凝胶高度；(c)照亮试管内液面及其内壁；(d)自样本试管底部一侧圆弧切点处向试管开口另一侧内边缘做连线并延长形成第一延长线，过试管开口一侧内边缘处做一平行于所述的第一延长线的第二延长线，一个数码相机的镜头平面垂直于所述的第一延长线和第二延长线设置并且其镜头对准试管内壁的整个一侧边缘段拍摄；(e)通过所述的数码相机获得试管顶端内侧点距液面与试管壁交界面的距离通过下式计算出所述的a，b值；
a＝(h1-h2)/(x1-x2)
b＝(h2x1-h1×2)/(x1-x2)
分辨率
测量分辨率取决于数码相机的像素。对于像素为1600×1200的数码相机，如果试管高度为75mm，则理论最大分辨率为75/1600＝0.05mm。使用640×480像素的普通网络摄像头，理论最大分辨率可达75/640＝0.12mm，满足全自动分析仪器对液面高度0.5mm的探测精度要求。实施例1
用凝胶事先制作两只样本试管，第一样本试管和第二样本试管。第一样本试管中凝胶的高度是试管高度的20％，第二样本试管中凝胶的高度是试管高度的80％。目前临床常用的样本试管的高度为75mm，直径10mm，则第一样本试管中凝胶的高度为15mm，第二样本试管中的凝胶高度为60mm。
照亮样本试管内液面及其内壁；自样本试管底部一侧圆弧切点处向试管开口另一侧内边缘做连线并延长形成第一延长线，过试管开口一侧内边缘处做一平行于所述的第一延长线的第二延长线，一个数码相机的镜头平面垂直于所述的第一延长线和第二延长线设置并且其镜头对准试管内壁的整个一侧边缘段拍摄；通过所述的数码相机获得试管顶端内侧点距液面与试管壁交界面的距离，在图像上找出各自x1和x2值，再根据已知高度值h1＝15和h2＝60mm，从而计算出a，b系数。
a＝(h1-h2)/(x1-x2)
b＝(h2x1-h1×2)/(x1-x2)；
用待测试管代替所述的标准样本管然后照亮试管内液面及其内壁；数码相机的镜头对准试管内壁的整个一侧边缘段拍摄；通过所述的数码相机获得试管顶端内侧点距液面与试管壁交界面的距离，然后通过公式h＝ax+b计算所述的待测试管中液面的高度值。
Claims (3)
1.一种图像法液面探测方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)照亮待测试管内液面及其内壁；
(2)自待测试管底部一侧圆弧切点处向试管开口另一侧内边缘做连线并延长形成第一延长线，过试管开口一侧内边缘处做一平行于所述的第一延长线的第二延长线，一个数码相机的镜头平面垂直于所述的第一延长线和第二延长线设置并且其镜头对准试管内壁的整个一侧边缘段拍摄，获得试管内壁的图像；
(3)在所述试管内壁的图像上获得试管顶端内侧点距液面与试管壁交界面的距离，再根据该距离计算出所述的待测试管中液面的高度值。
2.根据权利要求1所述的图像法液面探测方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的计算通过公式h＝ax+b，其中式中的a，b为通过定标方法求解得到的常数，h为待测试管内的液面高度，x为通过所述的步骤(3)获得的试管顶端内侧点距液面与试管壁交界面的距离，所述的a，b的定标方法的步骤为：(a)用凝胶制作两只标准样本管，所述的标准样本管的管口直径以及高度与待测试管的管口直径以及高度相同；(b)分别设定所述的每只标准样本管的凝胶高度；(c)通过所述的步骤(1)至(3)获得每只标准样本管顶端点距液面与试管壁交界面的距离；(d)通过公式对a＝(h1-h2)/(x1-x2)和b＝(h2x1-h1x2)/(x1-x2)中的a，b值定标，其中式中的h1和h2为每只标准样本管中的凝胶高度，x1和x2为通过所述的步骤(c)测得的试管顶端点内侧距液面与试管壁交界面的距离。
3.一种实现权利要求1的图像法液面探测方法的装置，其特征在于：它包括一个数码照相机，所述的数码照相机的镜头平面垂直于第一延长线和第二延长线设置并且其镜头对准试管内壁的整个一侧边缘段，所述的第一延长线为自试管底部一侧圆弧切点处向试管开口另一侧内边缘做连线并延长形成，所述的第二延长线为过试管开口一侧内边缘处做一平行于所述的第一延长线形成，它还包括一个位于所述的试管侧壁或者试管开口上方的照明装置。
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