CN102879393B - 一种基于图像处理的pH值检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像处理技术的pH值检测方法和装置，单片机发出脉冲信号送至步进电机，步进电机带动连接杆旋转，pH试卷纸的外端下落，至待检测液喷射口中心处时，待检测液经待检测液喷射口喷射至pH试卷纸上，pH试卷纸继续下落至图像采集装置盒内的通槽中心处时，在照明灯的光照条件下，CCD传感器对pH试卷纸拍摄，完成色变信号的图像采集；采集的图像输入单片机预处理，转化为HIS色彩空间，提取该空间下色变信号颜色块的H，I，S三个特征值数据，将三个特征值输入至预先建立的颜色块与pH值关系模型内，计算得出pH值，实现了pH值的在线自动检测，避免了人工读数过程中人为因素的影响。

Description

一种基于图像处理的pH值检测方法和装置

技术领域

本发明涉及一种基于图像处理技术的pH值检测方法和装置，主要应用于需要pH值检测的现代工业生产过程。

背景技术

pH值检测在工业上常用于生产过程的质量控制，环境保护等场合。工业上测量pH值一般有锑电极和玻璃电极两种传感器，锑电极系属金属电极，由于其表面集聚氧化物，长时间使用会影响精度和重复性，必须定期清洗，而锑本身是有毒的，不能用于食品、酿酒、制药等生产过程，适用场合有限，玻璃电极起初用于实验室pH值测量，后来发现并应用于工业场合，它的关键部分是敏感的玻璃膜。玻璃电极有各种结构形式，比如：球泡形、圆锥形、平板形等，分别用于不同的检测场合，玻璃电极的精确度，线性度均较好，但是机械强度低，易破碎，液接触端面易沾污。

在多数情况下，工业介质或多或少都有一定污染性，如悬浊液，乳浊液，易结晶溶液，粘度大的溶液及含油污，纤维，颗粒的溶液等，这类介质常会污染玻璃-甘汞电极的玻璃。隔断氢离子的电离过程或者干扰甘汞电极盐桥的畅通；对于锑-固体电极，亦会在锑表面结垢，导致电极零点的漂移，灵敏度降低，响应时间延长，使得测量不准确，乃至完全失效。

解决上述问题的方法是附加清洗装置。有的用超声波振荡器产生超声波，借助于被测液对电极工作部分进行连续清洗，破坏污染物在电极表面的结垢条件；有的用机械刷子或者刮片式清洗，由马达驱动做反复运动，刮除电极表面的结垢，这些方法对电极寿命有影响；有的用化学药物清洗，采用的清洗液应能迅速高效地溶解被测液结垢，这种清洗方式跟电极表面结垢程度和使用时间有关，每隔一定的时间进行一次清洗，以上方法给实际测量都带来很大的不便。

因此，宁愿采用专用的pH试纸测量pH值，即在规定的时间内，通过人的感官比色判断pH值。这种方法由于主观因素，会受个人能力、情绪、疲劳程度、光线等条件的影响，其客观性、准确性较差，且测量pH值的测量过程不能实现自动化。

发明内容

针对目前工业生产过程中pH值测量过程存在的上述问题，本发明提出一种基于图像处理技术、免清洗维护的pH值检测的方法和装置，该方法和装置实现了pH值的在线自动检测，解决现有装置用于生产中pH值测量仪污染严重、清洗维护难、人工数据读取误差大等问题。

本发明一种基于图像处理的pH值检测装置采用的技术方案是：包括步进电机、垂直固定板、pH试卷纸、连杆、取样装置盒和图像采集装置盒，取样装置盒的一侧设有待检测溶液的入口通道和检测废液排出口，步进电机固定连接垂直固定板且输出轴水平连接连杆，pH试卷纸套在连杆上，pH试卷纸的下方是取样装置盒，取样装置盒的正下方是图像采集装置盒，一块薄板垂直放置在取样装置盒和图像采集装置盒内，pH试卷纸下降通过取样装置盒上表面上的开口落入取样装置盒内，贴着光滑的薄板下落至图像采集装置盒内；在图像采集装置盒内的薄板上开有一个通槽，照明灯和CCD传感器分别布置在所述通槽的两侧，照明灯的光照通过通槽；待检测溶液的入口通道内嵌有电磁阀，入口通道最靠近pH试卷纸的一端是待检测液喷射口，电磁阀连接单片机，CCD传感器通过图像采集电路连接单片机。

本发明一种基于图像处理的pH值检测装置的检测方法采用的技术方案是：具有如下步骤：

A、单片机发出脉冲信号送至步进电机，步进电机带动连接杆旋转，pH试卷纸的外端下落，至待检测液喷射口中心处时，单片机停止发送脉冲波信号，步进电机停止旋转，单片机控制电磁阀开启，待检测液经待检测液喷射口喷射至pH试卷纸上，关闭电磁阀；

B、单片机继续发出脉冲信号控制步进电机旋转，使得pH试卷纸继续下落，至图像采集装置盒内的通槽中心处时，再一次停止发送脉冲波信号，使pH试卷纸停止下落；在照明灯的光照条件下，CCD传感器对pH试卷纸拍摄，完成色变信号的图像采集；

C、采集的图像输入单片机，将图像进行预处理，转化为HIS色彩空间，提取该空间下色变信号颜色块的H，I，S三个特征值数据，将三个特征值输入至预先建立的颜色块与pH值关系模型内，计算得出pH值。

本发明与已有的方法技术相比，有以下优点：

    1.本发明所述的一种基于图像处理的pH值检测方法通过单片机定时发送脉冲波开启电磁阀对待测液体在不同时刻的待测溶液进行采样，使得结果具有代表性。

2.本发明所述的一种基于图像处理的pH值检测方法采用的是管道喷洒的方法，采用电磁阀来控制喷射口的开启和关闭，完成采样过程，代替了以往使用的pH值测量仪接触式的读数方法，避免由于长期接触，测量仪器上产生污垢，免去了定期检查清洗维护的过程，延长了设备的使用寿命，节约了成本，提高了经济效益。

3.本发明所述的一种基于图像处理的pH值检测方法，结合了图像采集和颜色识别技术，将采样后的图片直接传输入计算机内，存储为RGB图片格式，进行数字信号处理，计算得出结果，取代了传统的读数方式，避免了人工读数过程中人为因素的影响，或其他外在环境因素给pH值测量仪带来的检测干扰。

4.本发明所述的一种基于图像处理的pH值检测装置，无需添加太多的复杂程序，或者接线处理，只需要将采集到的图片直接输入到计算机中，利用数字信号处理技术进行简单的处理就好。通过修正识别算法可以进一步加快检测的时间，修改过程简单，方便灵活，节省了时耗。

5.本发明所述的一种基于图像处理的pH值检测装置，加入了步进电机装置，利用单片机发送脉冲信号驱动步进电机运动，具有瞬间启动和急速停止的优越特性，耗电量小。控制脉冲波的发送频率，使得pH试卷纸做下落运动，实现了pH值检测的全自动化。

附图说明

图1 为本发明一种基于图像处理的pH值检测装置的结构示意图；

图2为 图1中取样装置盒6和图像采集装置盒7内部结构左向示意图；

图3为本发明一种基于图像处理的pH值检测系统装置的分解示意图；

图4为本发明一种基于图像处理的pH值检测装置的电路连接及工作原理示意图；

图5为本发明一种基于图像处理的pH值检测装置的pH值检测方法的流程图。

图中：1.步进电机；2.垂直固定板；3.轴承；4. pH试卷纸；5.连杆；6.取样装置盒；7.图像采集装置盒；8.入口通道；9.检测废液排出；10.薄板；11.塑料泡沫；12.电磁阀；13.待检测液喷射口；14.CCD传感器；16.照明灯。

具体实施方式

如图1所示，为本发明一种基于图像处理的pH值检测系统的整体装置结构示意图，包括步进电机1、垂直固定板2、轴承3、pH试卷纸4、连杆5、取样装置盒6和图像采集装置盒7。在取样装置盒6的一侧设有待检测溶液的入口通道8和检测废液排出口9，垂直固定板2的规格为50cm*70cm。步进电机1和轴承3均固定在垂直固定板2上，步进电机1输出轴连接连杆5，相对于垂直固定板2，连杆5水平设置，步进电机1带动连杆5旋转。pH试卷纸4卷成筒状套在连杆5上，连杆5旋转时带动pH试卷纸4同步运转。pH试卷纸4的下方是取样装置盒6，pH试卷纸4下降可通过取样装置盒6上表面上的开口落入取样装置盒6内。取样装置盒6的正下方是图像采集装置盒7。垂直固定板2和取样装置盒6，图像采集装置盒7可以做成统一的整体结构。

如图2和图3所示的取样装置盒6和图像采集装置盒7的内部组成。一块薄板10垂直同时放置在取样装置盒6和图像采集装置盒7内。pH试卷纸4落入取样装置盒6内时贴着光滑的薄板10下落至图像采集装置盒7内，薄板10具有材质轻便、摩擦系数很小、且快速吸干的特点，在图像采集装置盒7内的薄板10上开有一个通槽。在采集装置盒7还设有照明灯16、CCD传感器14和传感器固定支架15，CCD传感器14固定放置在传感器固定支架15上，照明灯16和CCD传感器14分别布置在薄板10上通槽的两侧，通槽的作用是留给照明灯16的光照通过。待检测溶液的入口通道8内嵌有电磁阀12，电磁阀12四周通过塑料泡沫11加以填充固定，入口通道8最靠近pH试卷纸4的一端是待检测液喷射口13，待检测液喷射口13距离pH试卷纸4的水平距离约为1cm。

如图4，电磁阀12连接单片机，CCD传感器14通过图像采集电路连接单片机。步进电机1是一种利用了电磁铁原理，将接收到的脉冲信号转换成线位移或者角位移的电机。

在本发明装置中通过单片机编程来控制实现整套装置的运行，单片机发出脉冲波送至步进电机1，当步进电机驱动器每接收一个电脉冲信号，它就驱动步进电机1按设定的方向转动一个固定的角度，通过单片机连续发送多个脉冲波，使得步进电机1不停地朝着一个方向转动，实现步进电机1的持续运转，带动连接杆5上固定的pH试卷纸4进行同步运转，pH试卷纸4的外端顺势下落至取样装置盒6内。如图3所示，当pH试卷纸4下落距离为                                                

时，

是pH试卷纸4中心至待检测液喷射口13中心距离，单片机停止发送脉冲波信号给步进电机1，步进电机1停止旋转，pH试卷纸4停止下落。继而单片机发送脉冲波信号给继电器，继电器的输入端加上脉冲信号后达到一定电流值，输出端从断态变为通态，电磁阀12自动开启，待检测液流入待检测液喷射口13，喷射，完成待检测液喷射取样过程，单片机停止发送脉冲信号，继电器自动转化为断态，电磁阀12关闭。喷射后的残留液体从废液排出口9导出。单片机继续发送连续脉冲波信号给步进电机1，使得pH试卷纸4继续下落至图像采集装置盒7内，当下落距离为

时，

是待检测液喷射口13中心至薄板10上通槽中心之间的距离，再一次停止发送脉冲波信号，pH试纸4停止下落。在照明灯16的光照条件下， CCD传感器14进行拍摄，完成色变信号的图像采集。单片机再次继续发送脉冲波信号给步进电机1，pH试卷纸4再次下落，实现了一次完整的试纸取样和图像采集过程，重复上述操作，可进行多次的待检测液取样采集，实现了实时多点检测待测液的pH值，使得结果更具代表性，避免了由于人为影响造成的测量误差。

工业控制系统中，电磁阀用来调整流体介质的方向，流量，速度和通断等，应用广泛。在本发明装置中，电磁阀12是用来控制待检测液通断的自动化基础元件。电磁阀12由继电器控制，继电器是一种电控制器件，在电路中起着自动调节，安全保护的作用。单片机发送脉冲波，继电器的输入端加上脉冲信号到一定电流值后，输出端从断态转变为通态，电磁阀就自动开启导通，待检测液流通，注入待测液喷射口，完成喷射，单片机停止发送脉冲波，继电器输入端的脉冲信号撤销，继电保护断开，电磁阀12关闭，该发明装置的图像取样过程完成。利用电磁阀12配合电路来实现本发明中预期的控制，使得整个系统控制的精度和灵活性都得到了保证，可实现自动取样。通过单片机定时控制自动采样代替了以往接触式的采样过程，避免了测量仪器长期与待检测溶液直接接触产生污垢，免去了定期清洗维护过程，有效节约了成本，提高经济效益。

参见图5，pH试卷纸4继续下落至图像采集装置盒7内，照明灯16使得光照条件充分，利用CCD传感器14拍摄pH试卷纸4上的色变图像，经图像采集电路输入单片机。CCD传感器14拍摄的图片自动存储转化为RGB彩色图片格式。在图像颜色识别过程中，首先应把色变信号从背景图像中分离出来。因为要实现自动识别，所以对于分离方法有较高要求，采用最大方差自动取阈法来完成效果较好。由于图片在输入，传送及处理过程中不可避免的会引入一些噪声和干扰，导致图像的质量下降，造成图像特征提取和识别时的困难或产生不良的视觉效果，因此分离后的试纸图像要进行预处理，提高图像的精度和准确度。这里采用中值滤波法进行去噪滤波处理，有效衰减噪声的同时，又能使边缘少受影响。CCD传感器14输出RGB彩色图像，RGB色彩空间虽然适用于显示装置，但是HIS色彩空间是从人的视觉系统出发，用色调，色饱和度和亮度来描述色彩处理和识别，更加符合人的视觉特性，因此在图像处理和计算机视觉中大量算法采用HIS系统，HIS系统中亮度信号I和色度信号H，饱和度信号S是可以分开处理而且相互独立的。

利用神经网络算法，预先训练大量HIS彩色空间下的颜色块，提取颜色块的色调H值，明亮度I值，饱和度S值数据进行多次试验，反复训练，建立非线性关系的颜色块与pH值关系模型。

HIS色彩空间和RGB色彩空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存在着转换关系，如下公式所示： 

其中

；

；；；

图片滤波去噪处理之后，通过上述转换关系的计算转化为HIS色彩空间，提取该空间下色变信号颜色块的H，I，S三个特征值数据。输入提取出的H，I，S三个特征值至预先建立的颜色块与pH值关系模型内，对比查找，计算得出pH值并输出该数据，即完成图像处理过程。结合图像采集，数字图像处理和颜色识别技术，用计算机高级语言代替了肉眼的颜色识别判断，实现pH值测试过程的全自动化和现代化，有效地提高了检测的效率和分析结果的准确度。

Claims (4)

1.一种基于图像处理的pH值检测装置，其特征是：包括步进电机（1）、垂直固定板（2）、pH试卷纸（4）、连杆（5）、取样装置盒（6）和图像采集装置盒（7），取样装置盒（6）的一侧设有待检测溶液的入口通道（8）和检测废液排出口（9），步进电机（1）固定连接垂直固定板（2）且输出轴水平连接连杆（5），pH试卷纸（4）套在连杆（5）上，pH试卷纸（4）的下方是取样装置盒（6），取样装置盒（6）的正下方是图像采集装置盒（7），一块薄板（10）垂直放置在取样装置盒（6）和图像采集装置盒（7）内，pH试卷纸（4）下降通过取样装置盒（6）上表面上的开口落入取样装置盒（6）内，贴着光滑的薄板（10）下落至图像采集装置盒（7）内；在图像采集装置盒（7）内的薄板（10）上开有一个通槽，照明灯（16）和CCD传感器（14）分别布置在所述通槽的两侧，照明灯（16）的光照通过所述通槽；待检测溶液的入口通道（8）内嵌有电磁阀（12），入口通道（8）最靠近pH试卷纸（4）的一端是待检测液喷射口（13），电磁阀（12）连接单片机，CCD传感器（14）通过图像采集电路连接单片机。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的pH值检测装置，其特征是： 待检测液喷射口（13）距离pH试卷纸（4）的水平距离为1cm。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的pH值检测装置，其特征是：垂直固定板（2）、取样装置盒（6）、图像采集装置盒（7）为一整体结构。

4.一种如权利要求1所述基于图像处理的pH值检测装置的检测方法，其特征是具有如下步骤：

A、单片机发出脉冲信号送至步进电机（1），步进电机（1）带动连接杆（5）旋转，pH试卷纸（4）的外端下落，至待检测液喷射口（13）中心处时，单片机停止发送脉冲波信号，步进电机（1）停止旋转，单片机控制电磁阀（12）开启，待检测液经待检测液喷射口（13）喷射至pH试卷纸（4）上，关闭电磁阀（12）；

B、单片机继续发出脉冲信号控制步进电机（1）旋转，使得pH试卷纸（4）继续下落，至图像采集装置盒（7）内的通槽中心处时，再一次停止发送脉冲波信号，使pH试卷纸（4）停止下落；在照明灯（16）的光照条件下，CCD传感器（14）对pH试卷纸（4）进行拍摄，完成色变信号的图像采集；

C、采集的图像输入单片机，将图像进行预处理，转化为HIS色彩空间，提取该空间下色变信号颜色块的H，I，S三个特征值数据，将所述三个特征值输入至预先建立的颜色块与pH值关系模型内，计算得出pH值。

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