一种理化实验液体体积读数操作自动评测装置和方法与流程

本发明提供了一种理化实验液体体积读数操作自动评测装置和方法，属于行为操作自动评测。

背景技术：

1、理化实验操作中经常需要准确读取液体体积，读取液体体积要求使用眼平法（即眼睛视线与凹液面最低处保持水平）读数，确保准确度，这个方法锻炼了学生的观察力、仔细程度和准确性，通过这种实验操作，学生不仅可以学到科学知识，还能够培养实际动手操作的能力，提高观察和判断的准确性，为将来更高级的实验操作和科学研究打下基础。

2、理化实验操作需要操作者准确掌握读取液体体积的方法，可以使用图像处理和计算机视觉技术来实现自动评测。自动评测系统可以帮助教师更好地了解学生的实验操作水平，帮助学生自我纠正错误，也为学生提供了一种更加科学、客观的评估方式。图像处理和计算机视觉技术虽然可以较准确识别出眼睛和凹液面等，但是由于摄像头安装位置和不同的设置参数等很难精准的判断出操作者视线是否与凹液面最低处保持水平，进而较难准确的判断出操作者液体体积读数操作是否精确。现代传感器技术通常具有高度的精准度，可以较准确地测量出液体的体积，但较难反映操作者整个操作过程。

技术实现思路

1、本发明为了解决实时监测和评估操作者理化实验液体体积读数操作的规范性和准确性的问题，提出了一种理化实验液体体积读数操作自动评测装置和方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种理化实验液体体积读数操作自动评测装置，包括液体体积量具，重力传感器模块和用于采集理化实验液体体积读数操作摄像装置，所述重力传感器模块用于测量没加液体前的空量具的质量和加入已知密度液体体积后量具总质量，所述摄像装置用于对操作者进行理化实验液体体积读数操作过程进行视频数据采集，上述重力传感器模块和摄像装置采集的数据同步传输至上位机。

3、一种理化实验液体体积读数操作自动评测方法，包括如下步骤：

4、步骤一、分析理化实验液体体积读数的规范操作和典型错误操作，规范操作包括接近目标读数时，将量具放平，胶头滴管正确滴加液体即垂直悬空正上方，正确读出液体的体积数即视线与凹液面最低处保持水平；典型错误操作包括滴加时胶头滴管未垂直、胶头滴管深入量具、读数时视线未与凹液面最低处保持水平；

5、步骤二、实验台上划分液体体积读数操作区，读数操作区面积大于量具底座面积，读数操作区安装重力传感器模块，使用天平的砝码对重力传感器进行校准，将用于液体体积测量的空量具放置于重力传感器之上，测量空量具质量，记为m1，通过无线传输模块传输到上位机；

6、步骤三、通过摄像装置对实验人完成的理化实验液体体积读数规范操作和典型错误操作进行视频采集，对视频数据进行稀疏等时间间隔采样，获得一系列操作图片，作为理化实验液体体积读数操作图片数据集；

7、步骤四、通过理化实验液体体积读数操作图片数据集对理化实验液体体积读数操作深度学习网络操作物体识别模型进行训练，得到理化实验液体体积读数操作深度学习网络操作物体识别模型；

8、步骤五、通过已经训练好的理化实验液体体积读数操作深度学习网络操作物体识别模型对操作者的操作结果图片进行识别，识别出操作者的理化实验液体体积读数操作物体及操作物体的空间位置，并记录操作时间点；

9、步骤六、加入液体，进行液体体积读数时，需将量具放到液体体积读数操作区，测量加入已知密度液体体积后量具总质量，记为m2，通过无线传输模块传输到上位机；

10、步骤七、根据识别出操作者的理化实验液体体积读数操作物体及操作物体的空间位置、时序关系和重力传感器模块数据，对理化实验液体体积读数操作进行总结归纳，建立理化实验液体体积读数操作评测模型；

11、步骤八、根据理化实验液体体积读数操作评测模型对操作者的操作进行评测，给出操作者操作评测结果，操作是否规范，操作不规范给出相应的原因和建议。

12、所述重力传感器模块包括：重量传感器、放大电路、滤波电路、模拟数字转换器、msp430处理器、无线传输、用于集成上述部件的外壳等。物体放到重力传感器上面后，会产生压力，并且施加给重力传感器。重力传感器受到压力后发生形变，阻抗随之发生变化，转变为变化微弱的模拟信号输出。该微弱的模拟信号经放大、滤波和模拟数字转换后得到便于处理的数字信号输出到微处理器进行处理，换算成物体的质量，通过无线传输到上位机。

13、所述步骤七中理化实验液体体积读数操作评测模型分为胶头滴管滴加操作评测模型和眼平法读数评测模型，其建立和评判标准如下：

14、接近目标读数时，将量具放平，胶头滴管正确滴加液体（垂直悬空正上方），此操作涉及到多个操作物体量具、胶头滴管，且操作物体位置有空间逻辑关系，通过正确识别操作物体以及判断他们空间位置关系建立胶头滴管滴加操作评测模型；

15、胶头滴管滴加液体规范操作要求胶头滴管垂直悬空量具正上方滴加，通过操作图片中能够正确识别到量具a(x,y,w,h)、胶头滴管b(x,y,w,h)，x,y,w,h代表对应物体的中心横、纵坐标、水平宽度和高度；然后判断量具a和胶头滴管b垂直位置关系，画面识别到量具a(x,y,w,h)和胶头滴管b(x,y,w,h)，量具a与胶头滴管b空间位置关系满足ay-ah/2-bh/2-by>thy且abs（bx-ax）<thx，abs为取绝对值运算，thx为量具a和胶头滴管b水平距离判决阈值，小于阈值thx，表明胶头滴管垂直于量具上方，否则表明胶头滴管未垂直于量具上方，thy为量具a和胶头滴管b垂直距离判决阈值，大于阈值thy，表明胶头滴管悬空于量具上方，否则表明胶头滴管未悬空于量具上方，深入量具内部，满足上述条件，则胶头滴管滴加液体操作规范，否则操作错误，大于阈值thx，表明错误操作为胶头滴管未垂直于量具上方，小于阈值thy，表明错误操作为胶头滴管未悬空于量具上方；

16、眼平法读取液体的体积数时要求视线与凹液面最低处保持水平，此操作涉及到多个操作物体量具、凹液面和眼睛，同时涉及到体积的数值，通过正确识别操作物体以及操作者体积读数和重力传感器的测量数据建立眼平法读数评测模型；

17、眼平法读取液体的体积数时要求视线与凹液面最低处保持水平，通过操作图片中能够正确识别到量具a(x,y,w,h)、凹液面c(x,y,w,h)和眼睛d(x,y,w,h)且识别不到胶头滴管b(x,y,w,h)，表明此时操作者正在进行液体体积读数，操作者液体体积读数记为v0，将液体体积和量具总质量记录为m2，计算重力传感器模块测量的液体体积v1=（m2-m1）/ρ,计算v0与v1的差值，满足abs（v1-v0）<thv，abs为取绝对值运算，thv为操作者液体体积读数与传感器检测液体体积误差判决阈值，小于此判决阈值，表明正确读数，否则读数错误，未能用眼平法正确读数。

18、本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明将传感器技术、图像处理和计算机视觉技术相结合，通过分析液体体积读数操作中的规范操作和典型错误操作，将规范操作和典型错误操作映射为液体体积读数操作评测模型，实时监测和评估操作者液体体积读数操作的规范性和准确性并提供个性化的操作反馈和改进建议，帮助操作者准确掌握液体体积读数操作技能。