CN104289259A - 一种基于机器视觉的移液器校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的移液器校准方法，通过相机采集移液管吸取的液体图像，进行相机标定、图像分割、边缘提取，获得图像标示刻度、液体液位值、液体截面积，换算成实际液体体积，计算单位标示刻度与液体液位值的百分比、检定体积与实际液体体积的差值，取移液器最大量程的10%、50%、100%为检定容量，分别测定三次以上移液数据，重复以上步骤计算校准系数的算术平均值，满足：配制体积=常数1×检定体积+校准系数。本发明通过机器视觉的方式对移液器存在的系统误差进行适当校准，避免了称重校准法称重过程中液体挥发产生的误差，以及节约高额的称重法校准设备投入，提高了校准精度并降低成本。

Description

一种基于机器视觉的移液器校准方法

技术领域

  本发明涉及移液器领域，特别是一种基于机器视觉的移液器校准方法。

背景技术

  移液器是用于准确转移一定体积的液体样本或试剂的微量加样器，自1956年出现以来，广泛应用于生物科技、药物开发、临床检验、环境保护、化学化工等多个领域。随着科学研究对微量液体的精确度、准确性与重复性要求的不断提高，同时，科研项目中加样实验工作量的加大，移液器已日益成为现代实验室必备的精密仪器之一。移液器一般分为手动移液器和电动移液器，其基本结构由显示窗、容量调节部件、活塞、活塞套、吸引管和吸液嘴等部分组成，电动移液器还包括链接推动活塞的电机，移液器采用的原理主要包括空气垫式原理和活塞正压式原理。

  移液器为了达到准确移液的标准，通常都需要进行出厂校准和用户校准。现行的移液器校准方法是称量换算法，通过在20~25℃下，称出由具有显示体积的移液器配制的蒸馏水的重量，校准的执行基于配制体积与设定体积是线性相关，满足：①配制体积=配制液体的重量×K(t)；②配制体积=常数1×设定体积+校正系数。

  现有称量换算法校准移液器配制体积存在如下缺点：用称重法校准时，在称量液体的称重过程中，由于液体的挥发，产生难以用系数补偿的误差；称重法采用的十万级称重设备乃至百万级称重设备，设备价格昂贵，同时对称重环境的温度、湿度、振动、噪声的要求非常高，普通实验室难以实现，亦无法广发应用于用户校准情况。

发明内容

  本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的移液器校准方法，解决背景技术校准方法存在的缺陷。

  本发明解决此问题所采用的技术方案：这种基于机器视觉的移液器校准方法通过相机采集移液管吸取的液体图像，进行图像处理获得液体液位值，重复测定统计，满足：配制体积=常数1×检定体积+校准系数。在对移液器存在的系统误差进行适当校准的同时，摒弃了称重过程，避免了称重校准法称重过程中液体挥发产生的误差，以及节约高额的称重法校准设备投入，提高了校准精度并降低成本。

  本发明提供的第一种技术方案包含以下步骤：

  步骤1：在20~25℃室温下，用标示刻度的移液管吸取已知密度的液体；

  步骤2：将移液管竖直放置于工业相机的镜头焦距范围位置；

  步骤3：通过工业相机采集包含有标示刻度的移液管、液体及背景的图像；

  步骤4：进行图像分割、边缘提取，获得图像标示刻度、液体液位值；

  步骤5：计算单位标示刻度与液体液位值的百分比，即为校准系数比；

  步骤6：取移液器最大量程的10%、50%、100%为检定容量，分别测定三次以上移液数据，重复以上步骤计算校准系数比的算术平均值，即为校准系数比’，对标称量程进行校准，满足：配制体积=常数1×检定体积+单位刻度×校准系数比’。

  此技术方案采用的标示刻度的移液管为标示有单位刻度的毛细吸液管。

  本发明提供的第二种技术方案包含以下步骤：

 步骤1：在20~25℃室温下，用移液管吸取已知密度的液体； 

  步骤2：采用标准标定板对相机进行标定；

  步骤3：将移液管放置于标定范围位置；

  步骤4：通过工业相机采集包含有移液管、液体及背景的图像；

  步骤5：进行图像分割、边缘提取，获得液体截面积，通过标定及移液管容积换算成实际液体体积；

  步骤6：计算检定体积与实际液体体积的差值，即为校准系数；

  步骤7：取移液器最大量程的10%、50%、100%为检定容量，分别测定三次以上移液数据，重复以上步骤计算校准系数的算术平均值，即为校准系数’，对标称量程进行校准，满足：配制体积=常数1×检定体积+校准系数’。

附图说明

  图1：基于机器视觉的移液器校准装置的原理图。

图2：标示有单位刻度的毛细吸液管及其液位示意图。

  图3：移液管及液位示意图。

具体实施方案

  为了便于理解本发明，下面将结合附图对本发明进行更全面的描述。

  附图中给出了本发明一个较好的实施例，但在本发明原理的总框架内，可以有许多不同形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。

  除非另有定义，本发明所使用的技术和科学术语属于本发明技术领域的相关术语。本发明所使用的术语只为描述具体的实施例，并不限制本发明。

  参阅图1原理图所示，这种基于机器视觉的移液器校准装置包括机器视觉系统、移液器、图像处理及数据计算终端。

  机器视觉系统包括工业级相机、镜头和光源。本实施例的相机采用嘉恒牌OK_AC1200-CCD彩色工业相机，Computar牌M2514-MP定焦镜头，嘉肯牌JK-R5000R环形光源。将镜头安装于工业相机上，将环形光源固定在镜头与待测移液器的移液管之间。计算终端安装有嘉恒牌OK_VGA40A(-E)图像采集卡的计算机，将工业相机的数据线连接到计算机主板上的图像采集卡上，实现相机图像采集及传输。

  参阅图2（A）所示，本实施例的标示刻度的移液管采用标示有单位刻度的毛细吸液管。

  本发明第一个技术方案的实施例包括以下步骤：

  在20~25℃室温下，设定移液器最大量程的10%为检定容量，用标示刻度的移液管吸取已知密度的液体，将移液管竖直放置于工业相机的镜头焦距范围位置，移动位置直至计算机终端显示边缘清晰的图像。

  参阅图2（B）所示，通过工业相机采集包含有标示刻度的移液管、液体及背景的图像，并传输到计算机终端。通过SegmentImage算法对获得的图像进行分割，获得标示刻度的移液管分割图像、液体液位分割图像和背景分割图像，舍去背景分割图像。

  参阅图2（C）所示，对标示刻度的移液管分割图像进行边缘提取，确定单位刻度L₁和L₂的相对位置，计算L₁和L₂之间的像素距离P₁₂；对液体液位分割图像进行边缘提取，确定液位L₁和Y、L₂和Y的相对位置，计算L₁和Y之间的像素距离LY₁、L₂和Y之间的像素距离LY₂。

  满足公式：[LY₁/ P₁₂+(1- LY₂/ P₁₂)]/2，求得单位标示刻度与液体液位值的百分比，即校准系数比C_10n ，(n=1,2,3……)，重复测定三次以上移液数据，求得C₁₀₁、C₁₀₂、C₁₀₃……计算n次移液的校准系数比C_10n的算术平均值，即为校准系数比’C₁₀’。

  同理，分别设定移液器最大量程的50%、100%为检定容量，重复测定三次以上移液数据，计算n次移液的校准系数比C_50n、C_100n的算术平均值，即为校准系数比’C₅₀’和C₁₀₀’。 

  满足：配制体积=常数1×检定体积+单位刻度×校准系数比’，对标称量程进行校准。

  本发明第二个技术方案的实施例包括以下步骤：

本实施例的采用标准标定板为7*7标准标定板，通过GenCaltab算法对相机进行标定，获得世界坐标。

在20~25℃室温下，设定移液器最大量程的10%为检定容量，用移液管吸取已知密度的液体，将移液管竖直放置于工业相机的镜头焦距范围内的标定范围位置，移动位置直至计算机终端显示边缘清晰的图像。

参阅图3所示，通过工业相机采集包含有移液管、液体及背景的图像，并传输到计算机终端。通过SegmentImage算法对获得的图像进行分割，获得移液管分割图像、液体液位分割图像和背景分割图像，舍去背景分割图像。

对移液管分割图像进行边缘提取，拟合容积封闭曲线，求出封闭截面积，标定换算成实际截面积，已知移液管容积内径，计算得到10%检定容量下的移液管容积；对液体液位分割图像进行边缘提取，拟合体积封闭曲线，求出封闭截面积，标定换算成实际截面积，已知移液管容积内径，计算得到10%检定容量下的液位体积；计算检定体积与实际液体体积的差值，即为校准系数C_10n ，(n=1,2,3……)，重复测定三次以上移液数据，求得C₁₀₁、C₁₀₂、C₁₀₃……计算n次移液的校准系数比C_10n的算术平均值，即为校准系数比’C₁₀’。

同理，分别设定移液器最大量程的50%、100%为检定容量，重复测定三次以上移液数据，计算n次移液的校准系数C_50n、C_100n的算术平均值，即为校准系数’C₅₀’和C₁₀₀’。 

满足：配制体积=常数1×检定体积+校准系数’，对标称量程进行校准。

以上所述的实施例仅表达了本发明的系统和方法的一种实施方式，并不意味着对本发明专利范围的限制。对于本领域的技术人员来说，将系统定义的模块采用相同功能的其他设施替代或等效变形的公式，在未改变本发明的系统和方法的情况下，均属于本发明的保护范围，本发明专利的保护范围应以权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于机器视觉的移液器校准方法，其特征在于通过相机采集移液管吸取的液体图像，进行图像处理获得液体液位值，重复测定统计，满足：

配制体积=常数1×检定体积+校准系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的移液器校准方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：在20~25℃室温下，用标示刻度的移液管吸取已知密度的液体；

步骤2：将移液管竖直放置于工业相机的镜头焦距范围位置；

步骤3：通过工业相机采集包含有标示刻度的移液管、液体及背景的图像；

步骤4：进行图像分割、边缘提取，获得图像标示刻度、液体液位值；

步骤5：计算单位标示刻度与液体液位值的百分比，即为校准系数比；

步骤6：取移液器最大量程的10%、50%、100%为检定容量，分别测定三次以上移液数据，重复以上步骤计算校准系数比的算术平均值，即为校准系数比’，对标称量程进行校准，满足：配制体积=常数1×检定体积+单位刻度×校准系数比’。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的移液器校准方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：在20~25℃室温下，用移液管吸取已知密度的液体； 

步骤2：采用标准标定板对相机进行标定；

步骤3：将移液管放置于标定范围位置；

步骤4：通过工业相机采集包含有移液管、液体及背景的图像；

步骤5：进行图像分割、边缘提取，获得液体截面积，通过标定及移液管容积换算成实际液体体积；

步骤6：计算检定体积与实际液体体积的差值，即为校准系数；

步骤7：取移液器最大量程的10%、50%、100%为检定容量，分别测定三次以上移液数据，重复以上步骤计算校准系数的算术平均值，即为校准系数’，对标称量程进行校准，满足：

配制体积=常数1×检定体积+校准系数’。

4.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的移液器校准方法，其特征在于所述的标示刻度的移液管为标示有单位刻度的毛细吸液管。