CN109433283B

CN109433283B - 一种智能实验试管套件及其使用方法

Info

Publication number: CN109433283B
Application number: CN201811480105.6A
Authority: CN
Inventors: 吉劼
Original assignee: Jinan Zhongjing Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Jinan Zhongjing Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2038-12-05
Also published as: CN109433283A

Abstract

本发明提供了一种智能实验容器套件，该套件包括：采集端，用于生成若干实验材料在实验容器内的电子信号，以及通过检测实验材料的图像生成容器态势的电子信号；控制端，用于根据采集端中关于实验材料和容器态势电子信号，生成对应的三维图像。通过一个套件可以“盛装”多种不同实验材料，可以对不同实验材料进行了解；有效获取实验容器的位置、倾斜度等态势进行感知。此外，本发明还提供了套件的使用方法。

Description

一种智能实验试管套件及其使用方法

技术领域

本发明实验设备领域，具体涉及一种智能实验容器套件及其使用方法。

背景技术

实验容器是实验的基本工具之一，在整个实验过程中为实验材料的盛装和混合提供必要容纳空间。目前的实验容器，针对的是实际操作的实验环境，需要实际添加实验材料进行实验过程的演示和操作。

然而，针对一些实验过程来说，有时候实验材料非常昂贵，有的实验材料带有毒性，如果没有经验的实验人员进行操作，容易造成较大的经济损失，也可能发生生命危险。因此，需要采用虚拟实验材料或试剂很有必要。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种智能实验容器套件及其使用方法，一个套件可以“盛装”多种不同实验材料，可以对不同实验材料进行了解；有效获取实验容器的位置、倾斜度等态势进行感知。

本发明公开了如下技术方案：

一种智能实验容器套件，该套件包括：

采集端，用于生成若干实验材料在实验容器内的电子信号，以及通过检测实验材料的图像生成容器态势的电子信号；

控制端，用于根据采集端中关于实验材料和容器态势电子信号，生成对应的三维图像。

进一步的，所述的采集端包括：

实验容器模型，用于固定安装实验材料生成模块、容器态势感知模块、控制模块；

实验材料生成模块，用于模拟并生成不同类型、不同体积实验材料的电子信号；

容器态势感知模块，用于实时测量实验材料的图像信息，并将图像信息发送至控制模块；

控制模块，用于根据图像信息计算容器态势，并将容器态势和实验材料的电子信号发送至控制端。

进一步的，所述的实验材料生成模块包括：

流体物，用于模拟实验材料在实验容器模型内的流动情况，为容器态势感知模块提供拍摄对象；

压力传感器若干，每一个压力传感器通过电子标识指代一种实验材料，并检测持续压力时间发送给控制模块。

进一步的，所述的流体物内添加有着色剂，用于区分流体物和实验容器模型的外壁。

进一步的，所述的容器态势感知模块包括：

摄像头，该摄像头的拍摄角度与实验容器模型的底部90度垂直，用于拍摄流体物的截面图像；

位置传感器，用于测量流体物的体积变化。

进一步的，所述的的容器态势感知模块还包括：

光源，用于提供自然或红外光线，增加摄像头拍摄图像的清晰度。

进一步的，所述的控制模块包括：

实验材料识别单元，用于根据压力传感器的电子标识，识别实验材料的信息；

实验材料体积生成单元，用于根据压力传感器受压持续时间，计算实验材料的初始体积；

实验材料体积监测单元，用于根据位置传感器对于液位的实时测量信号，记录实时的实验材料体积；

容器倾角测量单元，用于根据单张拍摄的图像，结合流体物表面积计算实验容器模型的倾角；

容器振动测量单元，用于根据振动前后的两张图像，结合Huausdorff距离计算实验容器模型的振幅；

通讯单元，用于将上述单元的识别和计算结果发送至控制端。

本发明还公开了一种智能实验容器套件的使用方法，其基于上述套件实现，所述方法包括：

步骤1：根据实验材料，用手指按压对应压力传感器一定时间，直至控制端的模拟三维图中生成该实验材料的初始体积；

步骤2:根据实验过程，按照步骤1的方式按顺序添加不同实验材料；

步骤3:模拟实验材料的化学特性进行反应，通过位置传感器实时测量不同实验材料混合后的体积；

步骤4：对实验容器模型进行倾斜，并实时测量倾斜的倾角，验证不同倾斜角度对实验的影响；

步骤5：晃动实验容器模型，并测量振动幅度，验证不通振动幅度对实验的影响。

进一步的，步骤4中，测量倾角的方法为：

1)在试管倾斜的不同角度下，用摄像头获取流体物表面图像I，统计图像中每一个代表流体物的像素点，计算得到表面面积S；

2)建立面积S与倾斜度θ之间的索引关系表；

3)根据实际测量的流体表面积，从索引关系表中检索出倾斜度θ。

进一步的，步骤5中，测量振动幅度的方法为：

1)在时刻k和时刻k+1，利用摄像头分别拍摄图像I_k和I_k+1；

2)利用公式(1)：d＝max(h(I_k),h(I_k+1))和公式(2)：

计算I_k和I_k+1之间的Huausdorff距离d。

有益效果：

采用虚实融合方法，一个试管套件可以“盛装”不同实验材料，具有低成本、多功能、易操作等优势；不仅可以感知用户操作态势(用户选择)，而且可以感知试管模型与实验材料态势(试管位置与倾斜度、材质在试管内的真实感仿真效果)，为实验提供智能化实验设备。

附图说明

图1为本发明实施例套件的原理框图；

图2为本发明实施例方法的整体流程图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而该些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本发明明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本发明的保护范围的理解。

实施例

如图1所示，本发明实施例提供了一种智能实验容器套件，该套件包括采集端和控制端。

所述的采集端用于生成若干实验材料在实验容器内的电子信号，以及通过检测实验材料的图像生成容器态势的电子信号，具体来说，采集端包括以下结构：

实验容器模型，实际上就是依照标准的实验容器1:1制作的模型，用于固定安装实验材料生成模块、容器态势感知模块、控制模块。

实验材料生成模块，包括流体物和压力传感器，用于模拟并生成不同类型、不同体积实验材料的电子信号。其中，流体物，用于模拟实验材料在实验容器模型内的流动情况，为容器态势感知模块提供拍摄对象，同时，为了更好的区分流体物和实验容器模型的外壁，流体物内添加有着色剂。压力传感器有若干个，每一个压力传感器通过电子标识指代一种实验材料，实验材料基本信息包括实验材料名称、物理性能、化学性能、状态(液体/气体/固体/浓度/温度等)典型实验必须的基本特征，同时，压力传感器需要检测持续压力时间发送给控制模块，压力的持续时间T与对应的虚拟试管中的实验材料的数量或体积V呈正比例关系:V＝βT。其中，β是经验参数，可以根据实际情况进行预先设定。

容器态势感知模块，包括摄像头、位置传感器、光源，用于实时测量实验材料的图像信息，并将图像信息发送至控制模块。其中，摄像头的拍摄角度与实验容器模型的底部90度垂直，用于拍摄流体物的截面图像，为了提高拍摄图像的清晰度，还增加了一个光源，提供自然或红外光线。位置传感器通过液位高低的变化，用于测量流体物的体积变化。

控制模块用于根据图像信息计算容器态势，并将容器态势和实验材料的电子信号发送至控制端。其具体组成包括：

实验材料识别单元，用于根据压力传感器的电子标识，识别实验材料的信息；实验材料体积生成单元，用于根据压力传感器受压持续时间，计算实验材料的初始体积；实验材料体积监测单元，用于根据位置传感器对于液位的实时测量信号，记录实时的实验材料体积；容器倾角测量单元，用于根据单张拍摄的图像，结合流体物表面积计算实验容器模型的倾角；容器振动测量单元，用于根据振动前后的两张图像，结合Huausdorff距离计算实验容器模型的振幅；通讯单元，用于将上述单元的识别和计算结果发送至控制端。

控制端，用于根据采集端中关于实验材料和容器态势电子信号，生成对应的三维图像。主要原理是在屏幕上渲染并呈现虚拟试管(通过计算机技术建模渲染得到的可以在显示器上呈现的试管模型)。同时，根据材料的基本信息，在虚拟试管内渲染所选择的材料，并采用动画等技术在屏幕上可视化(例如摇晃)，可视图像摇晃的幅度与实验容器内流体物的振动幅度d成正比例关系。

如图2所示，本发明还公开了一种智能实验容器套件的使用方法，其基于上述套件实现，所述方法包括：

步骤1：根据实验材料，用手指按压对应压力传感器一定时间，直至控制端的模拟三维图中生成该实验材料的初始体积，压力的持续时间T与对应的虚拟试管中的实验材料的数量或体积V呈正比例关系:V＝βT。其中，β是经验参数，可以根据实际情况进行预先设定。实验材料基本信息包括实验材料名称、物理性能、化学性能、状态(液体/气体/固体/浓度/温度等)典型实验必须的基本特征。

步骤2:根据实验过程，按照步骤1的方式按顺序添加不同实验材料。该过程需要严格按照实际实验操作的添加步骤执行，充分体现实验的严谨性。

步骤3:模拟实验材料的化学特性进行反应，通过位置传感器实时测量不同实验材料混合后的体积。该步骤的化学反应是一个模拟过程，实际上是根据步骤1的实验材料信息，集合不同实验材料的化学反应式和体积，将反应前后的体积数值量化显示在控制端的虚拟模型中。

以上的三个步骤属于实验过程中的常态步骤，以下的步骤4和步骤5属于实验过程中的可选步骤，根据实际实验的需要进行操作。

步骤4：对实验容器模型进行倾斜，并实时测量倾斜的倾角，验证不同倾斜角度对实验的影响。

步骤4中，测量倾角的方法为：

1)在试管倾斜的不同角度下，用摄像头获取流体物表面图像I，统计图像中每一个代表流体物的像素点，计算得到表面面积S；该过程中，一开始S＝0；然后对于图像中的每一个像素点，判断是否为流体颜色。如果该像素点的颜色是流体颜色，则S＝S+1，直到图像I中所有像素点都处理完毕为止；最后，返回流体表面面积S。

2)通过对此测量的实际结果，建立面积S与倾斜度θ之间的索引关系表。

3)根据实际测量和计算的流体表面积，从索引关系表中检索出倾斜度θ。

步骤5中，测量振动幅度的方法为：

1)在时刻k和时刻k+1，利用摄像头分别拍摄图像I_k和I_k+1；

2)利用公式(1)：d＝max(h(I_k),h(I_k+1))和公式(2)：

计算I_k和I_k+1之间的Huausdorff距离d。

根据上述技术方案的原理，结合一个简单的中学化学实验说明具体应用时的场景：

首先，在一个塑料杯上，在杯子的侧壁内嵌一个压力传感器，用户的手自然握住杯子时，其大拇指正好可以自然压住该压力传感器；在该压力传感器上贴上标志“硫酸”。

其次，在该塑料杯底面设置位置传感器；在杯子盖口中心处设置一个微型摄像头和微型灯泡，摄像头的光轴方向正对杯底。将微型摄像头、微型灯泡、红颜色流体物密封起来，并用隔离罩将流体物与微型摄像头、微型灯泡隔离开。在塑料杯底部嵌入一个FPGA芯片(其上设置有蓝牙通讯设备)。传感器、摄像头等传感设备通过数据线路与FPGA芯片相连。FPGA一方面运行本发明关键算法，一方面将感知与计算结果通过通讯设备送到本地或远程计算机上进行进一步处理与显示。

FPGA芯片根据“硫酸”特性，在屏幕上的虚拟试管内呈现“硫酸”的颜色与浓度；当用户摇动实验容器模型时，屏幕上的虚拟试管随之摇动且其内的仿真“硫酸”随之晃动；当试管达到水平状态时，本地显示屏上的仿真“硫酸”将被倒出虚拟试管。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明的具体结构，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管说明书及附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims

1.一种智能实验容器套件，其特征在于，该套件包括：

控制端，用于根据采集端中关于实验材料和容器态势电子信号，生成对应的三维图像；

所述的采集端包括：

控制模块，用于根据图像信息计算容器态势，并将容器态势和实验材料的电子信号发送至控制端；

所述的实验材料生成模块包括：

2.根据权利要求1所述的一种智能实验容器套件，其特征在于，所述的流体物内添加有着色剂，用于区分流体物和实验容器模型的外壁。

3.根据权利要求1所述的一种智能实验容器套件，其特征在于，所述的容器态势感知模块包括：

位置传感器，用于测量流体物的体积变化。

4.根据权利要求3所述的一种智能实验容器套件，其特征在于，所述的容器态势感知模块还包括：

5.根据权利要求3所述的一种智能实验容器套件，其特征在于，所述的控制模块包括：

6.一种智能实验容器套件的使用方法，其基于权利要求5所述的一种智能实验容器套件实现，其特征在于，所述方法包括：

7.根据权利要求6所述的一种智能实验容器套件的使用方法，其特征在于，步骤4中，测量倾角的方法为：

2)建立面积S与倾斜度θ之间的索引关系表；

8.根据权利要求6所述的一种智能实验容器套件的使用方法，其特征在于，步骤5中，测量振动幅度的方法为：

1)在时刻k和时刻k+1，利用摄像头分别拍摄图像I_k和I_k+1；

2)利用公式(1)：d＝max(h(I_k),h(I_k+1))和公式(2)：

计算I_k和I_k+1之间的Huausdorff距离d。