CN107449470A - 基于视觉检测的微流量传感装置 - Google Patents

Abstract

一种基于视觉检测的流量传感装置，包括液体输入装置、液体输出装置、第一、二液体传输管、连接组件、取像装置及控制装置，液体输入装置具有第一、二输入口；输出装置具有第一、二输出口；第一液体传输管与第二输入口及第一输出口相连；第二液体传输管与第一输入口及第二输出口相连；连接组件上具有定位标记，液体可经第二输入口流向第一液体传输管，连接组件在第一液体传输管的带动下，推动第二液体传输管中的液体向第二输出口方向流动，液体还可经第一输入口流向第二液体传输管，连接组件在第二液体传输管的推动下，推动第一液体传输管中的液体向第一输出口方向流动；取像装置对定位标记进行取像；控制装置用于控制输入口、输出口的关闭或打开。

Description

基于视觉检测的微流量传感装置

技术领域

本发明涉及视觉检测领域，尤其涉及一种基于视觉检测的微流量传感装置。

背景技术

在现代医院的临床治疗中，微量注射泵的应用有助于减轻医护工作者的工作强度，提高安全性、准确性和工作效率，并提高护理质量，所以被广泛应用于临床。在临床中由于注射泵直接将液体输入患者血液系统，且大多数脱离了医护人员的监护，其临床风险性也随之增高，有时会给患者带来无法挽回的损害。

所以，微小流量的在线实时测量技术一直是医学领域的技术难题，即：如何将药物精准、均匀、持续地输入人体，调节输入的速度，严格控制药物用量，保证药物的最佳有效浓度，是在抢救危重患者时提高准确率、避免失误的有力保证。

目前常用的流量测试法有称重法，其主要利用电子天平作为主要检测设备，对单位时间内的液体流量进行称重，根据液体的密度来换算流量，而液体的密度与温度环境条件密切相关，这种方法对使用条件要求较高，测量时时间较长，由于电子天平可以选用的精度较高，由此带来的不确定度对测量结果的影响较小。但是，它适合于实验室环境，不适合现场校准或者测量使用。

还有一种是流量比对法，就是采用被检输液泵注射泵与输液泵注射泵检测仪串联，对被检设备进行检测校准，主要原理是利用输液泵注射泵检测仪的流量检测传感器输出的流量值与被检设备的流量进行同时比较，从而得到被检设备的校准值及误差。这种方法自动化程度高，操作简单，适合于现场的校准。

根据测量原理，流量比对测量法又分为体积测量法和液位测量法，体积测量法主要是通过测量单位时间内流过的液体体积来换算流量，技术实现比较复杂。

液位测量法主要是采用红外探测器及红外对管来检测液位的变化。每组红外对管隔间为8mm，共使用6-12组对管。如图1所示，其测量原理为：输液泵检测仪200通过将输液泵202设置某个流量，然后通过输液软管连接至检测仪200的液体输入口203，在检测仪200内部，三通电磁阀204对液体流向进行控制。当检测开始时，液体从入口203→三通电磁阀204→缓冲球206→红外对管208方向流动，这个过程称为“充水”。当液位到达最高端的红外探测器位置时，三通电磁阀204控制液体从红外对管208→缓冲球206→三通204→出口212方向流动，这个过程称为“放水”，即把测量管路里的水在重力作用下，自然放空，等待下一次测量。溢流管的作用是防止液位冲出最高测量位置，这种测量方法存在以下缺点：

1）反应速度慢，需要水位到了最顶上的探测器，或者经过一个红外对管才刷新数据，在小流量情况下，需要很长时间才有数据输出。

2）红外对管信号容易受到管壁液滴的影响，数据稳定性不好。

3）放水过程是靠液体自身的重力作用，经常会出现液滴挂在玻璃管壁上的某处，导致下一次测量时液位在该处出现瞬间变高等不确定性现象。

因红外线本身的特殊性，容易受到环境温度、可见光以及其他杂散因素的干扰，在研制红外传感器时就需要严谨的计算出红外二极管的排列位置，此外红外二极管与玻璃管表面的间距也需要精确计算，否则可能出现液体表面探测灵敏度不够等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能对管路中液体微小流量瞬时流速和累积流量进行测量的流量传感装置。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

一种基于视觉检测的微流量传感装置，包括液体输入装置、液体输出装置、第一液体传输管、第二液体传输管、连接组件、取像装置、控制装置及计算及信号输出装置，其中液体输入装置具有第一输入口及第二输入口；液体输出装置具有第一输出口及第二输出口；第一液体传输管与第一输入口及第一输出口相连；第二液体传输管与第二输入口及第二输出口相连；连接组件用于连接第一液体传输管与第二液体传输管，其上具有一定位标记，其中，液体可经第二输入口流向第一液体传输管，连接组件在第一液体传输管的带动下，推动第二液体传输管中的液体向第二输出口方向流动，以形成第一液体流通通道，液体还可经第一输入口流向第二液体传输管，所述连接组件在第二液体传输管的推动下，推动第一液体传输管中的液体向第一输出口方向流动，以形成第二液体流通通道；取像装置用于对连接组件上的定位标记进行取像；控制装置用于根据取像装置获取的定位标记的位置信息，来控制第一输入口、第二输入口、第一输出口、第二输出口的关闭和开启，进而选择液体沿第一液体流通通道或第二液体流通通道流通，所述计算及信号输出装置用于将图像信息进行计算，转化为液体的流速和流量。

其中，所述第一液体传输管中具有第一活塞，所述第二液体传输管中具有第二活塞，所述连接组件包括一推杆，所述定位标记设于推杆外部，所述推杆用于连接第一活塞及第二活塞。

其中，所述微流量传感装置进一步包括一第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀，第一换向阀用于连接并控制第一输入口、第二输入口的打开与关闭，第二换向阀分别与第一输入口、第一液体传输管及第一输出口相连，并控制其打开与关闭，第三换向阀分别与第二输入口、第二液体传输管及第二输出口相连，并控制其打开与关闭，所述控制装置用于控制第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀的打开与关闭。

其中，所述控制装置包括一标准图像存储模块、即时图像存储模块、比对分析模块、控制模块，所述标准图像存储模块用于保存取像装置拍摄的定位标记位于第一液体传输管与第二液体传输管中间位置时的标准图像信息，即时图像存储模块用于存储取像装置即时获取的定位标记的图像信息，比对分析模块用于将定位标记的标准图像信息与即时图像信息进行比对，得到定位标记的位置信息，所述控制模块用于根据比对分析模块的比对结果，控制第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀的开通与关闭，使得液体从第一流通通道或者第二流通通道流通。

其中，当比对分析模块检测定位标记的位置信息为第一液体传输管满液时，控制模块控制第一流通通道流通，从而实现第一液体传输管放水模式，第二液体传输管为充水模式；当比对分析模块检测定位标记的位置信息为第二液体传输管满液时，控制模块控制第二流通通道流通，从而实现第二液体传输管放水模式，第一液体传输管为充水模式。

其中，所述取像装置还用于对定位标记在任意t时刻及t+1时刻的图像信息进行取像。

其中，所述流量传感装置进一步包括一数据处理模块，其可对取像装置获取的图像信息进行处理，并将图像信息转换成像素值，进而获取t时刻及t+1时刻的图像像素矩阵。

其中，所述计算及信号输出模块用于将数据处理模块获得的t时刻及t+1时刻的图像像素矩阵信息进行计算，进而得到液体传输管的活塞在t时刻到t+1时刻移动的像素量d，进而计算得到液体传输管液体的瞬时流量L以及累积流量S，并将计算结果输出。

其中，假设定位标记在t时刻的图像矩阵信息为Pt（x1,y1），在t+1时刻的图像矩阵信息为Pt+1(x2,y2) ，根据两点之间的距离计算公式得出在△t时间差内定位标记的像素差d的计算公式为：

。

其中，设取像装置的像素分辨率为f（1/cm），第一、二液体传输管的内径为r(cm)，输入的液体流速为L(ml/h)，则：

其中，累积流量S(ml)可以根据t0到t总时间段内，所有时间间隔内的像素移动值d之和来计算得到，计算公式为：

其中，所述流量传感装置还包括一压力测试模块，用于获取第一液体传输管及第二液体传输管中的液体压力。

本发明的有益效果是：通过设置两个液体流通通道，可在传感装置内部实现不同的液体流向，通过视觉的高分辨率图像技术，获取活塞的位置信息，进而在两个精密的液体传输管内实现微小流速以及累积流量的测量。

附图说明

图1是现有输液泵检测仪的示意图。

图2是本发明具体实施例流量传感装置的示意图。

图3是本发明具体实施例流量传感装置中控制装置的原理图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以下，将结合附图，对本发明作进一步具体的描述。

如图2所示，为本发明具体实施例流量传感装置100的示意图，其包括液体输入装置102、第一换向阀104、第二换向阀106、第一液体传输管108、第二液体传输管110、连接组件112、第三换向阀114、取像装置116、输出装置118、控制装置120以及压力检测模块122。

其中，液体输入装置102为外部液体输入接口，用于提供液体的输入，第一液体传输管108、第二液体传输管110一般为精密玻璃管，也可以为其他材质的液体传输管径，用于传输液体输入装置102输入的液体。

所述输入装置102具有一第一输入口1022及一第二输入口1024，所述输出装置118具有第一输出口1182及第二输出口1184，所述第一换向阀104用于连接并控制第一输入口1022、第二输入口1024的打开与关闭。所述第二换向阀106分别与第一输入口1022、第一液体传输管108及第一输出口1182相连，并控制其打开与关闭。所述第三换向阀114分别与第二输入口1024、第二液体传输管110及第二输出口1184相连，并控制其打开与关闭。

所述第一液体传输管108与第二液体传输管110通过连接组件112相连，所述第一液体传输管108中具有第一活塞1082，所述第二液体传输管110中具有第二活塞1102，第一活塞1082、第二活塞1102可在液体的流动力带动下，分别在第一液体传输管108与第二液体传输管110中移动。

所述连接组件 112包括一推杆1124及设于推杆1124外部的定位标记1122，其中，所述推杆1124用于连接第一活塞1082及第二活塞1102，第一活塞1082与第二活塞1102在第一液体传输管108与第二液体传输管110中移动时会带动推杆1124移动，进而带动推杆1124上的定位标记1122移动，在不同时刻，定位标记1122的位置信息会不同。

所述第一换向阀104、第二换向阀106、第三换向阀114均为四通球换向阀，可实现多通道流通。

所述取像装置116一般为摄像头，可对连接组件112上的定位标记1122在位于第一液体传输管108与第二液体传输管110中间时进行取像，并定义为标准图像信息，当流量传感装置100启动时，取像装置116也会对定位标记1122的位置信息进行取像，当液体在第一传输管108与第二传输管110流动时，取像装置116还可在不同时刻对定位标记112进行取像。

请参阅图3，所述控制装置120包括一标准图像存储模块1202、即时图像存储模块1204、比对分析模块1206、控制模块1208，其中，所述标准图像存储模块1202用于保存取像装置116拍摄的定位标记1122的标准图像信息，即时图像存储模块1206用于存储取像装置116即时获取的定位标记1122的图像信息。所述比对分析模块1206用于将定位标记1122的标准图像信息与即时图像信息进行比对，判断定位标记1122的位置信息，所述控制模块1208用于根据比对分析模块1206的比对结果，控制第一换向阀104、第二换向阀106、第三换向阀114的通道开通与关闭，以控制液体的流向。

进一步地，所述流量传感装置100还包括一压力测试模块122，用于获取第一液体传输管108及第二液体传输管110中的液体压力，当第一输入口1022、第二输入口1024、第一输出口1182及第二输出口1184都处于关闭时，液体输入装置102还在继续输入，第一换向阀104的水压是不断增大的，所述压力测试模块122可根据压力的情况提供报警的作用，另外，所述压力检测模块122还可以用于检测第一换向阀104、第二换向阀106、第三换向阀114的密封压力性能。在正常测量模式下，可以获取管路内部液体压力，这个压力值显示了活塞与管壁的摩擦力的情况。如果压力值过大，说明液体传输管的管壁与活塞之间太紧，如果压力值过小，说明活塞和管壁之间有空隙或存在活塞漏水的情况。

另外，所述微流量传输感装置100还包括若干软性导管，用于换向阀、液体传输管、输入口、输出口之间的连接。

测量前，首先通过取像装置116对定位标记1122的位置信息进行取像，并保存为标准图像信息，从标准图像信息可以获取定位标记1122的特征以及图像的每像素之间代表的实际距离，即后续计算时需要用到的“像素分辨率f（1/cm）”。

测量时，启动流量传感装置100，通过取像装置116对定位标记1122进行取像，并与标准图像存储模块1202中标准图像信息进行比对，当比对结果为定位标记1122靠近第一液体传输管108时，表明第一液体传输管108中的液体少于第二液体传输管110中的液体量，控制模块1208控制第一换向阀104与第一输入口1024连通，关闭第二输入口1022，同时控制第二换向阀106与第一输入口1024及第一液体传输管108连通，关闭第一输出口1182，控制第三换向阀114与第二输出口1184及第二液体传输管110连通，关闭与第二输入口1022的连接。即：液体从第一输入口1024中输入，经过第二换向阀106后进入第一液体传输管108中，液体流动带动第一活塞1082移动，进而推动推杆1124向第二液体传输管110方向移动，推杆1124的移动会带动其上的定位标记1122的位置发生变化，推杆1124中带动第二液体传输管110中的第二活塞1102移动，而使第二液体传输管110中的液体经第三换向阀114后流到到第二输出口1184处流出，即形成第一流通通道。当比对结果为定位标记1122靠近第二液体传输管110时，表明第二液体传输管1110中的液体少于第一液体传输管108中的液体量，控制装置120控制第一换向阀104与第二输入口1022连通，关闭第一输入口1024，同时控制第二换向阀106、第一液体传输管108及第一输出口1182连通，控制第三换向阀114与第一输入口1022及第二液体传输管110连通，关闭与第二输出口1184的连接。即：液体从第二输入口1022中输入，经过第三换向阀114后进入第二液体传输管110中，液体流动带动第二活塞1102移动，进而推动推杆1124向第一液体传输管108方向移动，推杆1124的移动会带动其上的定位标记1122的位置发生变化，推杆1124会带动第一液体传输管108中的第一活塞1082移动，进而使第一液体传输管108中的液体经第二换向阀114流到第一输出口1182处流出，而形成第二流通通道。当第一液体传输管108充满，第二液体传输管110中的液体被排空后，或者第一液体传输管108排空，第二液体传输管110液体充满时，通过取像装置116检测定位标记1122的位置，对各个换向阀进行控制，实现液体流向的更改，推杆1124和定位标记1122往复运动。

所述流量传感装置100还包括图像处理模块124及计算及信号输出模块126，在上述液体从第一液体传输管108中流到第二液体传输管110中或从第二液体传输管110中流到第一液体传输管108中的过程中，取像装置116可在任意t时刻及t+1时刻对定位标记1122进行取像，所述图像处理模块124可对所述图像信息进行处理，并得到定位标记1122在任意t时刻及t+1时刻的图像矩阵信息，所述计算及信号输出模块126再将两个时间的图像矩阵信息进行计算分析，进而可以得出液体的流速L和累积流量S，其具体的处理方式为：

假设定位标记1122在t时刻的图像矩阵信息为Pt（x1,y1），在t+1时刻的图像矩阵信息为Pt+1(x2,y2) ，根据两点之间的距离计算公式：

计算出时间间隔内的定位标记移动的像素量。

设取像装置116在此模式下的像素分辨率为f（1/cm），第一液体传输管108及第二液体传输管的内经为r(cm)，输入的液体流速为L(ml/h)，则：

其中，所述第一液体传输管108及第二液体传输管110为高精度玻璃管，不圆度在0.015mm内，内径r的公差小于0.02mm。

累积流量S(ml)可以根据t0到t总时间段内，所有时间间隔内的像素移动值d之和来计算得到，计算公式为：

。

本发明通过视觉检测技术，在不同时间及时获取定位标记1122的图像信息，进而计算出液体传输管中的流速L及流量S，同时，通过设置两个液体流通通道，可在流量传感装置内部实现不同的液体流向，进而在至少两个精密的液体传输管内实现流速的检测。另外，本发明的流量传感装置还可应于各种管径的流速测量，当需测量大流量的液体传输速度时，将液体传输管换成直径较大的传输管即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于视觉检测的微流量传感装置，其特征在于，包括：

液体输入装置，具有第一输入口及第二输入口；

液体输出装置，具有第一输出口及第二输出口；

第一液体传输管，与第一输入口及第一输出口相连；

第二液体传输管，与第二输入口及第二输出口相连；

连接组件，用于连接第一液体传输管与第二液体传输管，其上具有一定位标记，其中，液体可经第二输入口流向第一液体传输管，连接组件在第一液体传输管的带动下，推动第二液体传输管中的液体向第二输出口方向流动，以形成第一液体流通通道，液体还可经第一输入口流向第二液体传输管，所述连接组件在第二液体传输管的推动下，推动第一液体传输管中的液体向第一输出口方向流动，以形成第二液体流通通道；

取像装置，用于对连接组件上的定位标记进行取像；

控制装置，用于根据取像装置获取的定位标记的位置信息，来控制第一输入口、第二输入口、第一输出口、第二输出口的关闭或开启，进而选择液体沿第一液体流通通道或第二液体流通通道流通；

计算及信号输出装置，用于将图像信息进行计算，转化为液体的流速和流量。

2.根据权利要求1所述的基于视觉检测的微流量传感装置，其特征在于，所述第一液体传输管中具有第一活塞，所述第二液体传输管中具有第二活塞，所述连接组件包括一推杆，所述定位标记设于推杆外部，所述推杆用于连接第一活塞及第二活塞。

3.根据权利要求2所述的基于视觉检测的微流量传感装置，其特征在于，所述微流量传感装置进一步包括第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀，第一换向阀用于连接并控制第一输入口、第二输入口的打开与关闭，第二换向阀分别与第一输入口、第一液体传输管及第一输出口相连，并控制其打开与关闭，第三换向阀分别与第二输入口、第二液体传输管及第二输出口相连，并控制其打开与关闭，所述控制装置用于控制第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀的打开与关闭。

4.根据权利要求3所述的基于视觉检测的微流量传感装置，其特征在于，所述控制装置包括一标准图像存储模块、即时图像存储模块、比对分析模块、控制模块，所述标准图像存储模块用于保存取像装置拍摄的定位标记位于第一液体传输管与第二液体传输管中间位置时的标准图像信息，即时图像存储模块用于存储取像装置即时获取的定位标记的图像信息，比对分析模块用于将定位标记的标准图像信息与即时图像信息进行比对，得到定位标记的位置信息，所述控制模块用于根据比对分析模块的比对结果，控制第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀的开通与关闭，使得液体从第一流通通道或者第二流通通道流通。

5.根据权利要求4所述的基于视觉检测的微流量传感装置，其特征在于，当比对分析模块检测定位标记的位置信息为第一液体传输管满液时，控制模块控制第一流通通道流通，从而实现第一液体传输管放水模式，第二液体传输管为充水模式；当比对分析模块检测定位标记的位置信息为第二液体传输管满液时，控制模块控制第二流通通道流通，从而实现第二液体传输管放水模式，第一液体传输管为充水模式。

6.根据权利要求1所述的基于视觉检测的微流量传感装置，其特征在于，所述取像装置还用于对定位标记在任意t时刻及t+1时刻的图像信息进行取像。

7.根据权利要求6所述的基于视觉检测的微流量传感装置，其特征在于，所述流量传感装置进一步包括数据处理模块，其可对取像装置获取的图像信息进行处理，并将图像信息转换成像素值，进而获取t时刻及t+1时刻的图像像素矩阵。

8.根据权利要求7所述的基于视觉检测的微流量传感装置，其特征在于，所述计算及信号输出模块，用于将数据处理模块获得的t时刻及t+1时刻的图像像素矩阵信息进行计算，进而得到液体传输管的活塞在t时刻到t+1时刻移动的像素量d，进而计算得到液体传输管液体的瞬时流量L以及累积流量S，并将计算结果输出。

9.根据权利要求8所述的基于视觉检测的微流量传感装置，其特征在于，假设定位标记在t时刻的图像矩阵信息为Pt（x1,y1），在t+1时刻的图像矩阵信息为Pt+1(x2,y2) ，根据两点之间的距离计算公式得出在△t时间差内定位标记的像素差d的计算公式为：

。

10.根据权利要求9所述的基于视觉检测的微流量传感装置，其特征在于，设取像装置的像素分辨率为f（1/cm），第一、二液体传输管的内径为r(cm)，输入的液体流速为L(ml/h)，则：

。

11.根据权利要求9或10所述的基于视觉检测的微流量传感装置，其特征在于，累积流量S(ml)可以根据t0到t总时间段内，所有时间间隔内的像素移动值d之和来计算得到，计算公式为：

。

12.根据权利要求1所述的基于视觉检测的微流量传感装置，其特征在于，所述流量传感装置还包括一压力测试模块，用于获取第一液体传输管及第二液体传输管中的液体压力。