嵌入式平台检测装置（精选四篇）
嵌入式平台检测装置 篇1
差压式气体泄漏检测作为泄漏检测的一种比较精确的方式被业界广泛地采用[1,2]。差压法的基本原理是检测一段时间内被测容器内的压力变化，再结合被测容器的容积大小来近似计算泄漏率[3,4,5]，这就使得它的应用范围非常有限。但是这种方法本质上是对泄漏率微分的近似，要受检测时间和检测压力的双重限制，所以在实际测试中要经过多次试验以选取最优搭配。因此在大多数情况下这种检测方法只适用于生产线上大批量的检测，而不能被灵活地应用在各种被测容积未知的场合。
然而基于差压式的容积补偿法却巧妙地避开了必须知道容积的限制，使得检测更加灵活。嵌入式容积补偿气体泄漏检测充分利用了高性能微处理器在数据分析处理上的优势，使得检测更为方便快捷。
本研究主要探讨基于嵌入式的差压式容积补偿气体泄漏检测装置的研究。
1 差压式容积补偿法的基本原理
差压式容积补偿气体泄漏检测法是在差压法的基础上发展起来的，其基本原理是在被测容器一侧加上补偿气缸，气缸的运动由步进电机和直线导轨的组合间接实现[6,7](容积补偿法结构图如图1所示)。电路上把MCU、差压传感器、位移传感器、温度传感器以及驱动电机等连接成闭环。在检测时，MCU不断地检测当前差压值，然后根据内置算法对步进电机进行相应控制，而步进电机随即又把自身的正、反转动通过直线导轨转化为对汽缸的正向或负向的容积补偿，如此反复。当系统处于动态平衡状态时，可以认为被测容器内的压力恒定。此时，泄漏率就等于补偿气体的流量，也即气缸体积的变化率。
容积补偿法泄漏率计算公式如下:
式中:d—气缸直径，mm;l—气缸进给位移，mm;ΔVL—容积补偿量，m L。
容积补偿法不仅继承了比较差压法的高精度，而且理论上不需要知道被测容积大小，当两个容器容积相差不大时都可以通过延长测试时间以抵消温度的影响。因此用容积补偿法检测泄漏率时，系统的测量精度主要取决于差压传感器的分辨率和系统的频响特性，在条件允许的情况下要尽可能选择窄量程、高分辨率的差压传感器，同时注意改善系统频响特性。
2 系统硬件整体设计
系统硬件框图如图2所示。
2.1 ADC转换电路设计
2.1.1 4 m A～20 m A模拟信号前端处理
考虑到所用的差压变送器和温度变送器的输出信号都是4 m A～20 m A电流环信号，而AD7949是一款接收4/8差分或单极性电压信号的14位A/D转换器，这就需要首先把电流信号转化为单极性电压信号。一般情况可以考虑直接串250Ω电阻得到1 V～5 V电压，但这样一来就不能充分利用A/D转换器的转换量程，相当于损失了20%的精度。况且通常PulSAR型A/D转换芯片即使工作正常也不能100%达到标称的分辨率，例如AD7949标称14位，但是有效分辨率(No missing codes)只有13位。所以本研究综合以上因素，把4 m A～20 m A转换为0～5 V(如图3所示)。
2.1.2 ADC电源设计和通讯隔离
系统整体采用单一5 V电源供电，为了降低干扰，控制部分和ADC电路部分隔离供电。其中，控制执行部分使用5 V和3.3 V供电，ADC部分的使用经过隔离变压转换后的±9 V。
AD7949芯片采用2.7 V～5.5 V电源供电，为了减少干扰，该系统的模拟部分、数字部分以及参考电压部分分别单独供电，最后用磁珠把模拟地和数字地在一点连接起来。需要注意的是，参考电压选择最大5.0 V(BUF-5V0)，而模拟部分电源采用5.25 V，这是因为如果参考电压和供电电压用同一个电源，就会影响参考电压的稳定;其次参考电压选的越高则单位分辨LSB越大，这对提高精度是很有利的。
主控制器通过SPI接口控制AD7949读/写，采用ADu M3471进行通讯隔离。ADuM3471在A/D转换电路一侧为5 V供电，在主控制器一侧为3.3 V供电。为了抵消信号线路上的电感，可在每条讯号线上接1 000 p F的电容。另外，最好在数据输出端DO接上拉电阻以保证通讯可靠。
2.2 LCD和控制驱动电路
群创7寸屏是一款分辨率为800×480且性价比很高的显示器，工作频率为3.84 MHz，采用FPC标准40接口跟主控制器连接。由于GPIO输出电压3.3 V不能直接驱动电磁阀和步进电机，必须使用电平转换电路把3.3 V转换为5 V，再用ULN2003复合晶体管阵列提高输出电流以驱动电磁阀、比例阀和步进电机。
通讯电路采用两个RS232，一个作为主控制台，一个作为和其他PC通讯接口。USB电路作为烧写和数据下载接口，RST电路使用一片MAX811，能在需要复位时产生一个High-Low动作迫使系统复位。
3 系统软件设计
系统软件基于Linux2.6.30内核开发[8,9,10]，部分驱动设计如下。
3.1 SPI总线的AD7949驱动
AD7949是一款可编程的模数转换芯片，可以通过内置的14 bit配置寄存器CFG对转换模式进行配置。这里配置CFG[13:0]=0x3e4e，表示选择的模式为:
(1)输入单极性以GND为参考的信号，按序采样;
(2)采用内部附加电阻形成1/4带通滤波;
(3)采用外部参考电压，不使用内部缓冲，不开启温度检测;
(4)不读回配置寄存器CFG的内容。
因为差压信号和位移信号都是低频信号，本研究采用内部1/4带通滤波，但是这样一来采样速度也下降了3/4，所以实际上最大采样速度为62.5 kSPS。另外要注意的是，在刚上电时CFG的值是不确定的，需要通过两次空转换来更新CFG寄存器的值。
AD7949的驱动属于字符型驱动，程序主体有:
(1)AD7949驱动模块的加载及卸载:
其中，static int_initAD7949_init(void)是初始化函数，主要完成两个工作，首先配置SPI相关寄存器，选择SPI的工作方式并申请动态设备号。接着初始化AD的工作方式，即往CFG寄存器中写入控制字节。
(2)内核与驱动的接口file_operations的实现[11,12]。
file_operations结构体中的函数是驱动与内核的接口，用户层就是通过这些函数来实现Linux系统调用。结构体file_operation中的指针是一个函数跳转表，指针所指向函数的初始化是设计驱动的重点所在，这些指针所指向的函数定义了对硬件设备的操作。应用层通过主设备号(major)和次设备号(minor)由系统调用找到相应的驱动程序，然后找到file_operations结构体和相应设备操作的函数指针。驱动的实现也就是完成这些指针指向函数对设备读写控制等的操作。该设计采用SPI接口对AD7949进行访问，相应的file_operations结构体如下:
其中，AD7949_read是把转换后结果从内核空间读入到用户空间;AD7949_write则是把数据从用户空间传递到内核空间，主要实现对CFG的写操作。AD7949_open完成对AD7949初始化操作，AD7949_release注销释放节点。
3.2 I2C总线的AT24C04和DA5602驱动
在Linux内核中，因为一条总线上可能要同时挂载多个设备，而对每个设备编写一个特定的驱动的方法显然不合理[13]。纵观Linux内核可知，普遍体现着一种分层的思想，I2C驱动也不例外，即在主控驱动跟设备驱动中间加上一层通用的接口，这样特定的设备驱动只需访问中间层通用的接口就可以了。这种分层的写法在嵌入式S3C2440中移植的Linux内核中的具体实现，就是在i2c-s3c2410.c和设备驱动i2c-dev.c中间隔了一层i2c-core.c驱动程序调用接口。Linux内核提供的i2c-dev.c有两种读写时序，如表1、表2所示。
其中，read(),write()函数只适合于单开始时序，而不适合于多开始时序。另外read(),write()只适用于i2c算法的情况，而不适合于smbus算法的情况，但是ioctl()两者都可以适用，综上分析对设备的读/写即可用ioctl()来实现。
本研究采用一片4 K外扩EEPROM芯片AT24C04来存储数据。DA5602为数模转换芯片驱动比例阀用的，这两款芯片都是采用I2C协议读写，因此它们的驱动程序的核心部分是类似的。对AT24C04和DA5602的驱动可以直接在应用层实现，关键是用ioctl()对以下两个数据结构进行操作:
另外需要注意的是，由于几种设备共用I2C总线，为了实现各部分的可靠工作，必须给SCLK和SDO加上拉电阻。
4 实验结果分析对比
本研究选择一套在PC机上使用VS2010开发的控制系统作为对照组实验，该系统使用研华USB4716数据采集卡采集数据，并且经过标定。在实验中，两套系统使用同一套气路装置，包括两个固定容积为800 m L的被测容器和标准容器和电磁阀等。测试中嵌入式系统设定阈值为±5 Pa，环境温度为26℃，分别在0.3 MPa和0.4 MPa气压下进行测试，相应的差压及位移变化曲线分别如图4、图5所示。
从图4(b)、5(b)中可以看出，在检测时间为180 s，检测压力为0.3 MPa和0.4 MPa的条件下气缸活塞杆位移分别为2.65 mm和3.14 mm。被测容器的泄漏率可由公式(1)计算出来，计算结果如表3所示。
5 结束语
(1)由以上分析可知，在0.3 MPa和0.4 MPa的实验条件下，差压在±4 Pa范围内波动，气缸位移曲线与预期结论一致呈直线趋势，实验结果表明系统运行稳定。
(2)在相同的检测压力下，基于嵌入式的容积补偿测试与PC机测试的泄漏率存在微小差异，但是误差都在3.5%以内，因此该系统的检测结果可靠性比较高。
车载摄像头障碍物检测嵌入式平台 篇2
行车安全是汽车交通发展的永恒主题, 随着各国车辆的数目迅速增加, 公路上的交通事故, 特别是恶性交通事故发生率居高不下, 交通安全问题日益突出, 为此安全辅助驾驶技术受到前所未有的重视。它是智能交通研究领域的一个重要组成部分, 体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多学科领域理论技术的交叉与综合, 是未来车辆不断发展的主要趋势。
本文提出了一个基于视觉感知的汽车安全智能预警系统, 通过使用嵌入式软件进行图像算法编程实现, 完成道路路况和障碍物检测任务, 指导车辆在道路上安全行驶。采用摄像头获取前方路况图像, 摄像头放置于汽车驾驶位置上方的倒后镜之后。图像信息的处理由车载的主机设备进行。对突发的路况变化和障碍物出现, 进行实时检测, 并作出预警, 提高驾驶安全性。
系统架构方案
本文使用前视摄像头, 实时拍摄前方的图像。摄像头拍摄所得的图像进入本系统进行图像分析处理。考虑到图像分析的计算量比较大, 因此使用含DSP核的芯片来作为主芯片进行图像算法处理。具体细分的系统架构图如图1所示。
图2给出了一种基于DSP的路况检测系统, 该系统通过采样及数据缓冲电路进行图像采集, 通过视频A/D转换将模拟视频信号转换成数字信号, 利用DSP对采集到的图像进行处理, 实现运动物体的自动跟踪、报警及录像, 获得车载预警装置参数实现对预警信号发送的控制, 同时通过数据缓冲及D/A转换、视频合成电路实现图像的显示功能。该系统利用DSP芯片的快速运算能力, 有效解决了提升了图像处理效率。
检测识别方案
本文着重对降低目标检测算法的计算量、提高系统实时性进行研究, 主要工作包括:
(1) 图像预处理
针对的环境主要是行驶在结构化道路上的车辆的前方障碍物, 背景影响和天气影响是最需要解决的两大问题。本方案拟采用滤波对雾天或雨天场景的退化图像进行处理从而达到增强和清晰化的效果, 采用线性拉伸提升目标与背景的对比度。
(2) 缩小目标搜索范围
针对交通道路特点, 建立自适应梯形搜索框, 作为障碍物目标检测的感兴趣区域。其中自适应梯形搜索框中, 由随机Hough变换检测到道路分道线作为梯形两斜边, 由摄像头焦距高度等参数计算梯形上下两边, 整个梯形随着汽车行驶会不断自适应变化。
(3) 加快特征训练速度
在特征训练过程中, 建立正负样本训练方法, 以障碍物特征作为正样本, 非障碍物特征作为负样本, 同时进行训练。目的在于加快训练速度, 提高准确率。
(4) 提高检测效率
在目标检测过程中, 建立菱形搜索方法进行特征匹配, 克服传统的全搜索方法造成的巨大运算量。匹配窗口的中心点不再是从上到下从左到右地运动, 而是会向匹配成功度最高的方向运动, 其轨迹会显现成一系列菱形。
结束语
本文研究利用智能信息处理理论处理道路路况检测问题, 目的是在于提出一种为汽车驾驶员在行车中的驾驶行为进行辅助以及危险路况进行预警的方法, 用以降低交通事故的发生率, 减少生命与财产的损失。
嵌入式平台检测装置 篇3
关键词：Adaboost,级联分类器,FFC,PowerPC 405
0 引言
目前,人脸检测技术已经在智能化人机界面、视频监控、人脸识别和基于内容的检索等领域得到了广泛应用。Viola 和Jones提出的Adaboost人脸检测方法在PC平台上具有较好的检测效果。人脸检测技术在数码相机、手机和摄像机等便携式设备上的使用越来越广泛,而基于Adaboost的人脸检测算法计算复杂度比较高、训练的分类器过于庞大并且检测过程中访存次数很多,不适合在嵌入式平台中运行。所以,如何在训练和检测方面进行改进,使系统能够达到实时而又准确的效果,是本文将要阐述的重点。
1 人脸检测系统框架
人脸检测技术是指对于给定的图像或视频, 判断其中是否存在人脸, 如果存在, 则进一步确定人脸的个数、具体位置以及大小的过程。检测过程如下:
(1)首先加载级联分类器与待检测图像。
(2)将待检测图像转化为灰度图像,即把原来YUV格式的每点像素值用8位灰度值表示。
(3)对灰度图像进行积分图计算。
(4)对图像进行分步式检测,检测过程由一定规格的子窗口按一定策略对整幅图像分类,然后逐渐扩大子窗口直到不比当前待检测灰度图像小;子窗口对待检测灰度图像的检测过程,事实上就是由简单到复杂的过程,首先选择人脸特征中比较明显的分类特性,去掉大部分没有人脸的子窗口,之后通过每一级分类器筛选,最终判断是否整幅图像含有人脸。
(5)最后根据判断结果合并处理人脸重复区域来确定人脸位置和大小。
2 系统的改进方法
一个完整的检测系统在嵌入式平台上实现需要训练、检测和移植三个部分。而传统的Adaboost算法的训练过程相当复杂,并且非常耗时,产生的级联分类器也非常庞大,考虑到嵌入式平台存储空间小的特点,本文对分类器训练进行改进;另外,检测的过程往往涉及到大量的浮点运算,大大影响了检测速度,因此需要对数据进行浮点格式定点化的操作,来实现快速的人脸检测。
2.1 Adaboost人脸检测算法介绍
Adaboost人脸检测算法是一种基于积分图、Adaboost算法和级联分类器的方法。考虑到计算量和复杂度的问题,多数人脸检测系统都使用灰度组合的特征对人脸进行建模,而不是直接以单个像素的灰度值作为特征。在本文中,使用Haar-like特征,图1是四种最基本的Haar-like特征结构,每个特征即是一个用于人脸检测的弱分类器。
图1中特征的特征值按照公式
Adaboost算法是一种分类器算法,其基本思想是利用大量的分类能力一般的弱分类器通过一定的方法叠加起来,构成一个分类能力很强的强分类器,再将若干个强分类器串联成为分级分类器完成图像搜索, 最终分类器的级数依赖于系统对错误率和识别速度的要求。
级联分类器就是训练后生成的参数矩阵,传统的训练对训练窗口内的所有弱特征进行筛选,生成一系列分类能力比较好的强分类器,进而生成级联分类器。但是这个过程需要多角度的训练样本、并且数量非常庞大,譬如24*24窗口就包含117 941个弱分类器,如果每个弱分类器都要比较上万个样本,将占用很大的内存空间。对于传统的训练方法,在Pentium 4 1.7GHz,内存512M的情况下,耗费2周,训练完一个包含2000多个特征的20级分类器,可以看出结果并不适合嵌入式平台的内存空间小的情况。
2.2 新的分类器训练方法
针对传统方法带来的问题,本文只是选用了图1提到的最基本的4种特征进行扩展。并且基于人脸的整体和局部特征进行筛选,除掉边缘特征。这样只是选用了5000多个弱特征进行训练,整体训练时间大大减小。
本文选取3000张正样本,4000张负样本建立训练样本库;其中正样本基本都是正脸,部分是小角度倾斜的人脸,负样本为不包含人脸图像的图像样本,且采用的正样本的尺寸与负样本的尺寸相同。样本训练过程可如下所述:
(1)强分类器训练的过程要求每一级强分类器命中正样本率不得低于99.5%。
(2)输入选定特征的集合,使用每个特征对训练样本库进行分类。在每次迭代中,根据弱分类器的判断结果与样本的权重分布,选择一个错误率最小的弱分类器作为本次迭代产生的弱分类器h(n),之后更新每个训练样本的权值,更新的策略为增大h(n)所错分的样本的权值,这样,在下一次的迭代中,这些被错分的样本将予以更大的重视,在经过T次迭代后,共产生T个弱分类器,组合后便是一个分类能力较强的强分类器,其中,每一弱分类器即为一特征值。
(3)将强分类器串联在一起形成级联分类器。串联时应遵循“先重后轻”的级联分类原则,即将由更重要特征构成的结构较简单的强分类器放在前面。
生成了一个8级、共包含102个弱分类器的级联分类器。在检测时第一级分类器可以快捷地排除掉60%的非人脸子图像。
2.3 定点化操作
浮点转定点(Floating Point to Fixed Point Conversion,FFC)是数字信号处理中常用的提高运算速度的方法。 在人脸检测计算中,为了提高检测性能,需要将浮点数转换为整数。在Adaboost人脸检测算法中,只涉及float类型的浮点操作,而且数据的精度可以控制在n(n=24)位内,基于这些特点,本文采用了以下浮点操作定点化方法:在一定的精度要求下,直接对数据位进行操作,提取指数和尾数,然后对尾数执行移位操作。其转换关系可以描述为:float型浮点数转换为n(n≤24)位精度整数。这种转换方式取得很好的效果。
2.4 检测窗口处理
由于本文的训练器主要是采用正面的人脸特征生成,所以本文的级联分类器适用于门禁及大头照等正面采集图像情况下。同时,在针对大尺寸图像时,考虑到实际检测过程中,一方面,采用双线性插值法对待检测窗口进行SCALE处理,让其达到门禁窗口效果;另一方面,考虑到边缘一般不会含有人脸,人脸检测窗口最小值为20*20几乎很少出现,所以在检测算法中,对这一部分进行了优化处理。实验效果跟检测图像SCALE处理前几乎一样。
3 检测平台与实验分析
3.1 Xilinx Virtex II PRO开发板
本文采用的实验平台采用Xilinx Virtex II PRO开发板,其中嵌入了IBM PowerPC处理器硬核。它将高性能IBM PowerPC处理器以及多重Gigabit级的序列式收发器整合内建于Virtex-II架构的解决方案,这款PowerPC内核是一个32位的RISC的CPU,运算速度达到300MHz。XUP V2PRO开发板不但可以验证现在的软件,而且也可以为进一步的软件硬化做验证。
3.2 实验过程
为了验证训练后的级联分类器和其他优化方法后的检测效果,需要对其进行分别测试。测试集主要包含三个部分,AT&T测试库、实验室同学库、网上搜索图片库。
(1)利用AT&T的人脸测试库测试图片,其中包含一部分倾斜度小于15°的人脸,类似于大头照。
(2)实验室的同学可以分为正面人脸、小角度倾斜、低头、戴眼睛、遮挡情况。
(3)网络上的图片的背景是多样性的,可以更好地检测分类器的优劣。如表1所示。
检验整体优化策略是在开发板上接上视频输入,人脸保持正面、倾斜低于15°,背景不是很复杂,采集图像为176*144,窗口步长增大为1.2和检测结果合并个数设定为3的情况下,视频测试时间为30秒,检测效果和实验室图库效果一样。
表2为基于Power PC的嵌入式平台优化前后的对照:
3.3 实验结论
通过对各种图像的检测,本文得出下面的分析结论:
(1)检测速度。本文的优化方法能够使人脸检测系统在IBM PowerPC嵌入式平台上达到15fps的检测速度。
(2)检测定位。如图2 所示,人脸的区域比较小,侧重点主要集中在眼镜、眉毛、鼻子、嘴唇的器官上,没有耳朵等信息特征表现。这是由于本文的训练分类器主要是围绕上面几个主要部位区域上。
(3)检测率和虚警率。通过实验可以看到,对于正面的人脸、小角度倾斜的情况下,检测率比较高,可以满足平常的嵌入式应用。检测过程中漏检的人脸往往是头像过小、戴眼镜、人脸图像不完整或偏转角度过大等情况。
4 结束语
本文从嵌入式平台进行分析,得出Adaboost人脸检测算法难以在嵌入式平台上用纯软件方法实时实现。进而改进检测用的级联分类器的训练,提出可以迅速提高分类能力、特征数量大大减小的一种方法。同时通过浮点定点化及图片SCALE处理等优化方法,在基于PowerPC 405的验证平台上,取得了15fps的检测速度。同时,大大降低了存储空间需求和存储访问操作次数,满足嵌入式系统的需求。
参考文献
[1]Viola andJones M.Rapid Object Detection usinga Boosted Cascade ofSimple Features[C]//Conference on Computer Vision And Pattern Rec-ognition,Kauai,Hawaii,2001(1):511-518.
[2] Yang MH,Kriegman D, Ahuja N. Detecting faces in images: A survey[J]. IEEE Trans Pattern Analysis and Machine intelligence,2002,24(1):34-58.
[3] Viola P, Jones M. Robust real time object detection[J].International Journal of Computer Vision,2004,57(2):137-154.
嵌入式平台检测装置 篇4
水银血压计是临床上最常用的测量血压的装置,因其成本低廉、测量结果准确等优点被广泛使用。按照军队强制检定设备的要求及国家质监局发布的JJG 270—1995《血压计和血压表检定规程》的相关规定,需每年对水银血压计进行2次校准,确保其示值在允许误差±3.75 mm Hg(1 mm Hg=133.322 Pa)范围以内,以提高测量结果的准确率。
因水银血压计使用频繁,故障率相对较高,因此,定期计量检定血压计,对临床疾病的准确诊断具有重要意义[1]。当水银血压计需要周期性检定时,批量的血压计会在短期内被集中在计量检定室,因汞金属在常温下就可蒸发,批量集中会导致计量检定室内汞蒸气浓度的增高;其次,批量检定中如有水银量不足、需要添加水银的血压计,会导致检定人员直接接触到汞金属或汞蒸气。汞的危害巨大。汞蒸气无色、无味、有剧毒,具有高度的亲脂性,可以通过呼吸道或皮肤进入人体,然后积聚于肝、肾、大脑、心脏或骨髓等部位,造成神经性中毒和深部组织病变[2],危害人体健康。基于对工作人员及环境进行保护,免受汞金属的危害,我们研制出一套全密封式多功能水银血压计计量检测平台及配套水银标准加注装置,相对于以往开放式的防护装置,用该套装置检定水银血压计,方便易操作,隔离防护效果好,同时还能降解汞金属的危害,得到了水银血压计检测人员的一致肯定,现报告如下。
1 检测平台及加注装置设计
1.1 检测平台设计
1.1.1 主要结构
检测平台由操作检测室、储物室、气路、电路控制系统等部分组成。整机造型新颖、结构紧凑,具有密封性能好、温控精度高、稳定性好、使用方便、安全可靠等优点。
全密封式多功能水银血压计检测平台的实物图如图1所示。该检测平台是一个密闭的长方体,长1 200 mm,宽700 mm,高700 mm,整体布局大致分为左右两部分,如图2所示。平台左侧为检测操作室,长约815 mm,能实现完全隔离可视操作。左侧前方是血压计检测操作入口,血压计经此入口进出检测平台,通过活动隔离长袖手套密封式操作。血压计检测仪接入口在检测平台的最左面,与血压计检测操作室相连通。在检测平台的左下前侧开一小孔,孔内放置直径为7 mm的金属直通管并加以固定,确保检测空间的密封性。金属直通管一边与水银血压计相连接,另一边接水银血压计检测装置或三通管。我院目前使用的计量设备是血压计智能校验仪,放置在检测平台左侧,操作人员在平台转角处操作,同时便于记录检测原始数据。平台右侧上端为平台控制页面,设有温控开关、紫外线杀菌消毒开关、照明开关、电源总开关及负压吸引控制开关;右侧下端是一个与左侧检测操作室相通的储物小空间,内有负压吸引终端,可放置水银、硫磺粉、碘粉及酒精灯等一些备用物品。负压真空吸引泵位于检测平台的下方,使用的是天龙2XZ-1型的真空负压泵,抽气速率为1 L/s。
1.负压真空泵;2.操作窗入口;3.检测仪连接口;4.照明灯、紫外线灯;5.观察窗(操作检测室);6.控制面板;7.储物室及外门;8.检测台面
1.1.2 主要技术指标
该检测平台电器原理图如图3所示。
检测平台温控系统采用数字显示调节仪,能准确直观地反映箱内温度,确保血压计检定在规定的温度下进行;操作室内的紫外线杀菌灯可有效地避免附着在血压计上的病菌污染;电源总开关采用锁定开关,控制总电源和负压真空泵工作开关;操作室前窗采用透明玻璃制作,能清晰直接地观察室内操作情况,操作使用塑胶手套,可靠、舒适、灵活、使用方便。检测平台还具有超温报警功能,当平台内温度高于报警设定值时,能自动切断加热回路,并发出光报警信号。
注:K:总开关,K1:控温开关,K2:照明灯开关,K3:灭菌灯开关,K4:插座开关,K5:真空泵开关,K6:电磁阀开关;A:熔断器;BTA:控温仪;D1:照明灯,D2:灭菌灯;C:插座;R:加热器;K13:热熔保护器;Ep:真空泵;Ev1:电磁阀;T:温度传感器
检测平台的技术指标:(1)控温范围:血压计或血压表检定温度(20±5)℃;(2)操作室体积:820 mm×550 mm×660 mm;(3)工作电源:AC 220 V、50 Hz;(4)额定功率:1 000 W;(5)熔断器规格:10 A;(6)工作环境:温度10~30℃,相对湿度不大于75%,气压86~106 k Pa。
1.2 血压计水银标准添加台设计
1.2.1 设计背景
在计量检定的过程中,如遇到血压计的水银汞柱低于零刻度线或加压时汞柱断开不连贯的情况[3],则提示血压计水银量不足,需要添加水银。以往的做法是完全靠个人经验给血压计加水银,由于血压计内缺少水银的量不能事先预知,因此添加的水银量不能设定。在对添加量把握不足的情况下,只能先加少量,再计量检定,如果不够,再添加,如果多了,又要回收多余的水银。反复操作以上过程,直至加至合适的水银量为止,过程十分烦琐麻烦,且极易在操作过程中导致水银溢出,造成汞蒸气污染,极其不利于工作人员的身体健康及环境保护。因此,我们设计了与检测平台配套的加注水银装置(如图4所示),可以实现在血压计缺少水银量不能事先预知情况下,一次性添加合适的水银量。
1.2.2 主要结构及设计原理
血压计水银标准添加台长340 mm,宽108 mm。右侧和前方设计为固定血压计的挡板,高度约为50 mm,左侧高18 mm。其高度设计有精确要求,根据血压计关闭方式的原理测出。血压计正确的关闭方法是将血压计向右倾斜45°左右,待水银全部流入贮汞瓶,再关闭开关,此时水银全部锁在贮汞瓶中,不会倒流。而左侧高度的设计必须满足以下条件:水银量正常的血压计在向右倾斜的过程中,水银正好与玻璃管的出口持平,不会溢出。通过大量实验反复验证正常血压计的持平高度,得出最佳高度数据为18 mm。现已知三角形的2条边长,根据三角形的正弦定理可以求出相应夹角的度数,sinα=18 mm/108 mm,α=9.5°,即将血压计向右倾斜9.5°左右,贮汞瓶内的水银刚与出口持平。如果血压计缺少水银,将血压计放在水银添加座上,水银壶内的水银不能与出口持平,只要添加水银到与出口持平,即实现了在不能预知水银缺少量的情况下,添加最合适的水银量。
1.3 血压计水银标准加注器设计
1.3.1 设计背景
以往最常用的血压计添加水银工具是针筒注射器。用带针注射器从水银瓶吸取少量水银,添加到贮汞瓶出口处,一旦水银与出口刚刚持平,则水银量添加适合。但在添加水银的过程中,由于水银自身密度大(13.6 g/cm3),比空气密度重7倍,操作人员借助空气压力不能很好地控制水银的添加量,稍用力推带针注射器,实际的添加量可能会大于预计的添加量,造成水银添加过多,多余的水银又需要再次回收。虽然可以使用带针注射器回收多余的水银,但对于微小的水银珠回收效果不好。因此,我们设计了血压计水银标准加注器,熟练操作后,可以实现一次性准确添加水银合适量。
1.3.2 主要结构
血压计水银标准加注器实物图如图5所示。血压计水银标准加注器全长14.2 cm,由大小2个圆柱体连接而成。下端是直径约为5 cm的圆柱体,长度约2.4 cm,可截取大容量注射器针筒下半截完成此部分结构设计;上端是直径约为4 mm的圆柱体,长度约为11.8 cm,在距离顶端3.5 cm处,开一个小洞,主要用于控制负压吸引引力的大小,可与检测装置的负压吸引终端相连接。
2 检测平台及配套水银标准加注装置的操作与应用
2.1 检测平台检定血压计的操作流程
按照水银血压计的相关检定规程,经检测平台检测口放入水银血压计,开启检测平台的电源总开关,设置血压计计量检定的温度,让其在检测平台内静置2 h以后再进行检测。(1)打开照明开关,目测血压计外观和刻度,检查外壳是否坚固、涂层有无损伤、刻度是否正确清晰。(2)零位误差检查。在血压计贮汞瓶与大气相连通的情况下,其示值应在零刻度线位置,允许示值误差范围在-1.5~3.75 mm Hg之间。(3)灵敏度检查。观察血压计在快速放气的过程中,汞柱的波动值是否符合要求。血压计智能校准仪设定了固定的灵敏度检测程序,能自动完成检测,若是用压力发生器造压,也是用三通连接,位于检测操作室外部,因此,操作人员不会接触到金属汞。(4)气密性检查。通过隔离长袖手套将血压计袖带扎好,启动外部的智能校验仪或压力发生器造压,检查袖带是否漏气。(5)示值误差检定。将血压计的贮汞瓶连接管通过金属直通管与水银血压计智能校验仪(或三通管)相连通,工作人员在检测平台外启动血压计智能校验仪或压力发生器造压,通常以38 k Pa为起点,每隔8 k Pa作为一个检测点进行检定,检测点不少于5个(不含零点)[4]。操作人员通过检测平台下前方的可视窗口,读取5个点相应的数据,共进行2次降压检定,记录原始数据,计算示值误差,同时对其零位误差进行复查。此时,已经完成了水银血压计的计量检测,整个过程都是在一个完全密封隔离式的检测空间完成,汞金属及汞蒸气与操作人员完全隔离,保障了操作人员的身体健康。
在批量血压计计量检测过程中,若有少量废弃水银或汞蒸气溢出,可以开启负压真空泵,通过医用软管端连接负压吸引,将其抽离检测操作室。在水银或汞蒸气排放之前,必须要经过连接中段的2个旋扭可分离的小玻璃瓶。一小瓶内放置硫磺粉,如果溢出了少量废弃水银,可以用软管连接到负压吸引终端,少量的废弃水银被吸入到小瓶内,与瓶内的硫磺发生反应生成无害的硫化汞。另一个为避光耐热玻璃瓶,内置碘粉,下端用酒精灯加热,碘粉加热后挥发成碘蒸气,可与汞蒸气发生反应生成稳定的粉末状碘化汞。经过这2步处理后的气体再排放到室外,可以最大限度地降低排放到空气中汞蒸气的浓度[5],很好地解决水银回收及污染的问题,基本上已经解除了水银对人体和环境的危害。
当完成一定数量的血压计的检测后,可以开启紫外线开关对操作检测区域进行灭菌消毒,以防血压计附着病菌的二次污染,真正做到保障工作人员的身体健康。
2.2 血压计水银标准加注装置的操作流程
在计量检定过程中,会检测到一些需要添加水银的血压计。造成水银泄露的原因主要有3个[6,7]:(1)因临床医护人员操作不当导致,例如测量过程中加压过大、拿放位置不当、携带时倾斜或未按照血压计正确关闭等错误操作方式;(2)水银血压计的密封橡皮圈老化,密封性变差导致水银溢出;(3)贮汞瓶开关松动导致水银溢出。我们应该从源头上减少水银泄露的发生,加强医护人员对水银血压计的操作培训,使其严格遵守操作规程,测量结束后,务必向右倾斜45°待水银全部流入贮汞瓶后,再关闭开关[8]。计量检定人员也要保证水银血压计每年2次检定的覆盖率和受检率,通过预防性维护最大程度地降低汞泄露的发生。
若发现缺少水银的血压计,可以按照以下操作流程添加水银:首先,关闭血压计贮汞瓶开关,取下玻璃管,放置在水银标准加注台面上,慢慢打开贮汞瓶开关。接着,将水银标准加注器顶端开口经软管与检测平台的负压吸引终端相连接,开启负压吸引开关。操作人员带上隔离手套,手持水银标准添加器,注射器针孔向上,用手按住小孔,形成负压,排空下端大圆柱体内的空气,只要下端圆柱体空间足够大,水银就会被吸引过去,而不会进入上端小圆柱体。待水银量合适时,再松开小孔,解除负压,水银此时在下端的大圆柱体内。然后,给血压计添加水银,操作人员翻转水银标准添加器,使注射器针孔向下,不需要用力推注射器添加水银,而是利用水银比重大的特点,让其自由下落滴入血压计贮汞瓶出口处,看到添加量合适后,马上用手堵住小孔,保持负压,实现水银量的准确添加。最后,将血压计向右倾斜45°左右,待水银全部流入贮汞瓶中,关闭贮汞瓶开关,装回玻璃管,再进行添加水银后的血压计检定。血压计水银加注示意图如图6所示。
2.3 应用分析
该装置2015年6月设计完成,年内2次的检定效果见表1。通过比较可知,在检定过程中使用该检测平台,可以有效减低汞蒸气对工作人员以及自然环境的危害,同时对需要加注水银的血压计,明显缩短了加注时间,减少了加注次数,提高了加注水银的校准精度[9]。
注:1 mm Hg=133.322 Pa
3 结语
该套装置实现了血压计整个检定和水银添加过程都在密闭可视隔离的状态下完成,操作熟练后,可实现一次性完成水银加注。该套装置最大限度地减少了工作人员与水银的直接接触,特别是批量血压计检定时,对保障其处于完好使用状态、维护保养、维修后计量检定以及保护环境等方面都具有重要意义和积极作用。
目前,因汞金属对人体和环境的危害性,国际上对水银血压计的使用采取了一些限制使用措施,我国也于2007年开始对含有水银的设备执行限制准入[10]。但因电子血压计的稳定性相对较差,性能容易受到电池等能耗因素的影响,不可否认,水银血压计目前还是医院无创测量血压使用最广泛的医疗器械之一。在水银血压计还不能完全退出市场的今天,相对于以往开放式的血压计检测防护装置,该套装置具有密封性能佳、隔离效果好、可操作性强、降低汞排放的优势,值得应用推广。
参考文献
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