CN103063610A - 基于双相机的冷镜式露点仪及其图像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双相机的冷镜式露点仪，其采用双光源双相机的光学系统设计，根据镜面不同位置的图像设计不同的光学采集方式，使用CCD相机进行图像采集，高分辨率和数据传输率保证了图像判定的准确性和灵敏度。此外，本发明还公开一种基于双相机的冷镜式露点仪的图像处理方法，其针对前述基于双相机的冷镜式露点仪不同光路设计采集的图像特征，使用与之相适应的图像处理和分析算法，快速准确地判断镜面结露的变化。

Description

基于双相机的冷镜式露点仪及其图像处理方法

技术领域

本发明涉及一种冷镜式露点仪，其应用于气体检测领域，尤其应用于高纯气体中微量水分的检测；此外，本发明还涉及该冷镜式露点仪的图像处理方法。

背景技术

气体湿度是指气体中水蒸汽的含量。气体露点温度是气体常用的湿度表示方法之一，是指用等压冷却的方法使气体中的水蒸汽冷却至凝聚相出现，或通过控制冷镜面的温度，使气体中的水蒸汽与(凝聚相)镜面露层的平展表面呈热力学平衡状态，准确的测出此时的温度即为该气体的露点温度，测量气体露点温度的仪器称为露点仪。

现有冷镜式露点仪的工作原理是：当被测气体进入结露室，并以一定流速掠过镜面(镜面温度高于该气体的露点温度)，干燥的镜面将光源的入射光近乎于全反射。露点仪进行测量时，首先根据光电检测器检测到的反射光的强度来控制制冷装置，使镜面温度下降，直至镜面出现冷凝(结霜或结露)，此时入射光在镜面上将会产生漫反射，反射光的强度则会相应改变，光电检测器感应到反射光信号的变化，锁定温度。此时的温度就是该气体的露点值。

目前大部分采用液氮制冷的冷镜式露点仪的感光器件均采用单一的感光器件如光电池、光敏二极管、光敏电阻及光电管等对镜面反射光线进行测量。该方法可靠性和抗干扰性较差，一般测量准确度为±2℃。如果要提高准确度，必须对温度控制精度提高。控制液氮制冷方法非常困难，增加了设计难度和成本。若改用其他制冷方式如热电制冷配合压缩机使用，虽然能够提高测量精度，但是体积庞大，失去了液氮制冷方式露点仪的便携性，目前除液氮制冷以外体积较小的冷镜式露点仪测量范围通常在20℃～-75℃，无法满足-80℃以下露点气体的测量。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种测量准确度高并基于双相机的冷镜式露点仪，并提出该冷镜式露点仪的图像处理方法。本发明通过使用双相机，从不同位置对镜面的结露情况进行判定，从而提高检测灵敏度，即使在控制液氮降温速度困难的情况下，通过快速反应补偿了降温速度带来的温度过冲误差，从而使得测量准确率能够达到±1℃以内。

本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是：一种基于双相机的冷镜式露点仪，包括图像采集和处理系统、制冷系统、气体检测系统和电气系统，图像采集和处理系统负责对镜面结露图像以及镜面反射光线散射图像进行采集和分析，从而判定气体露点温度；制冷系统采用液氮作为冷源，通过控制液氮容器中加热器件的功率调节降温速度；气体检测系统包括测量腔体、管路、流量计和调节阀门组成；电气系统包括电源模块、控制模块和显示模块，其中：

图像采集和处理系统用于判定镜面结露状态，主要包括两个CCD相机、两组光学镜头、两个准平行光源、光阑组件以及集成了图像采集单元和图像处理单元的主板；两个准平行光源之一安装在镜面的侧上方，其发出的光线以一定的角度照射到镜面上，反射后的光线通过光阑组件，经过镜头后被CCD相机捕获。另一个光源安装在镜面正上方，光源的上方安装镜头和相机，照射在镜面的光线反射后通过镜头被另一个CCD相机捕获；两个相机拍摄的图像通过USB2.0接口传输至主板的图像采集单元，图像处理单元对采集到的图像数据进行实时存储，并在露点测量分析软件的支持下进行图像分析处理。

本发明提供的基于双相机的冷镜式露点仪的图像处理方法，通过对采集的图像进行处理和分析，从而判断露点温度，控制电气系统正常工作，并提供友好的人机交互界面，包括如下步骤：双相机图像处理及分析步骤、测量流程控制步骤和人机互交界面设计，其中：

双相机图像处理步骤用于分析在不同镜面温度时，镜面上方图像和镜面反射光线图像的不同特征，根据图像特征采用直方图比对、轮廓比较、边缘检测和特征提取等图像处理算法判断镜面是否结露；

测量流程控制步骤主要包括采集并实时显示镜面温度，并根据图像处理和分析结果控制电气系统对镜面进行降温、升温和其他处理；

人机交互界面设计进一步包括如下步骤：实时显示两个CCD相机采集的图像；在测量过程中显示不同指示状态提醒用户当前仪器处于降温、升温、分析露点或者停止状态；显示露点测量结果；用户操作的按钮设计等内容。

相对于现有技术，本发明在原采用液氮制冷的冷镜式露点仪基础上改进了光学系统，采用了双CCD相机代替硅光电池，使用图像处理的方法判断镜面结露状态，提高了测量灵敏度，将准确度由原来的±2℃提高至±1℃以内。

附图说明

图1是本发明双相机图像处理冷镜式露点仪光学系统设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明优选实施例提供的基于双相机的冷镜式露点仪，采用双CCD相机进行图像采集，CCD相机选用要求和特型包括：USB2.0数字图像接口，480Mb/s数据传输率；最大分辨率1296×964；最大帧频18fps。光源1选用球积分光源，光源使用具有积分效果的半球面内壁，均匀反射从底部360度发射出的光纤，使得图像的照度比较均匀。光源2选用点光源配合远心镜头发射出准平行光。光源2发出的准平行光经过镜面全反射后经过光阑组件中的透镜聚焦，在焦点处安装相应尺寸的遮光片。当镜面没有露水的时候，光源2产生的光线仅有小部分衍射光被相机2捕获。当镜面出现露水的时候，相机1从上方能够拍摄到镜面表面出现露水的清晰图像，提供给软件进行分析；镜面的露水同样会导致光源2产生的准平行光在镜面形成漫反射，从而使得更多的光线通过光阑组件被相机2拍摄到，这些图像同样被用于软件判断镜面露点的发生。

本发明优选实施例提供的基于双相机的冷镜式露点仪的图像处理方法使用的软件采用C++语言，利用图像处理算法分析判别不同状态下的镜面图像，最终判定镜面露点温度，该算法具有判断准确，反应迅速的特点，提高了仪器的灵敏度。软件针对相机1和相机2拍摄图像的不同特征，采用不同的算法进行处理和分析。相机1采集的镜面上方图像在镜面无露水时具有光照均匀，灰度变化小的特点，当镜面结露时，图像中会明显出现灰度变化，软件上采用灰度直方图比较的方法判断结露变化。具体方法有以下几点：①计算初始图像和当前图像的灰度直方图；②直方图归一化处理；③比较直方图，由于相机1采集的图像直方图属于稠密直方图，所以使用直方图交叉比较的方法，对比两个直方图每个灰度级别上的值，并取所以级别上最小的值相加，因此计算结果越接近1则说明两幅图像越相近。④判断实时采集的图像与初始图像的对比结果，当结果超过预设值时则说明镜面已经结露。相机2采集的光源2反射光线图像具有对比度高，轮廓清晰等特点，对图像的分析处理方法有以下几点：①首先使用边缘检测方法检测光阑形状；②由于光阑形状不会改变，所以在对比初始图像和结露时的图像时忽略光阑区域；③将图像反色，对图像的光晕部分使用形态学处理方法提取图像特征；④通过特征图像轮廓比较判断镜面结露。软件采用上述方法对双相机图像进行处理分析，只有两组图像均判断成功才锁定露点温度，且该算法简单灵活，实时性强，便于设定参数，提高了检测的灵敏度和可靠性。

Claims (2)

1.一种基于双相机的冷镜式露点仪，包括对镜面结露图像以及镜面反射光线散射图像进行采集和分析，从而判定气体露点温度的图像采集和处理系统，其特征是，该图像采集和处理系统包括两个CCD相机、两组光学镜头、两个准平行光源、光阑组件以及集成了图像采集单元和图像处理单元的主板；两个准平行光源之一安装在镜面的侧上方，其发出的光线以一定的角度照射到镜面上，反射后的光线通过光阑组件，经过镜头后被CCD相机捕获；另一个光源安装在镜面正上方，光源的上方安装镜头和相机，照射在镜面的光线反射后通过镜头被另一个CCD相机捕获；两个相机拍摄的图像通过USB2.0接口传输至主板的图像采集单元，图像处理单元对采集到的图像数据进行实时存储，并在露点测量分析软件的支持下进行图像分析处理。

2.一种基于双相机的冷镜式露点仪的图像处理方法，其特征是，包括如下步骤：双相机图像处理及分析步骤、测量流程控制步骤和人机互交界面设计，其中：

双相机图像处理步骤用于分析在不同镜面温度时，镜面上方图像和镜面反射光线图像的不同特征，根据图像特征采用直方图比对、轮廓比较、边缘检测和特征提取等图像处理算法判断镜面是否结露；

测量流程控制步骤包括采集并实时显示镜面温度，并根据图像处理和分析结果控制电气系统对镜面进行降温、升温和其他处理；

人机交互界面设计进一步包括如下步骤：实时显示两个CCD相机采集的图像；在测量过程中显示不同指示状态提醒用户当前仪器处于降温、升温、分析露点或者停止状态；显示露点测量结果；用户操作的按钮设计。

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