CN104237256B - 一种用于pH值检测的镜头清洗方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于pH值检测的镜头清洗方法与装置，图像采集装置盒内部垂直放置一块单一颜色的挡板，挡板与图像采集装置盒左侧壁之间设置热风烘干装置和镜头清洗装置，挡板与图像采集装置盒右侧壁之间设置图像采集装置，pH试卷纸落至挡板右侧时和标准纸分别位于热风出口的前、后侧；预先在MCU控制处理单元中存入洁净标准纸的平均标准参数值，采样时分别提取pH试卷纸和标准纸部分对应的图片，将标准纸各个像素的值与对照，判断出镜头是否存在污渍，若镜头有污渍，对镜头自动清洗并由热风装置对其烘干；本发明能智能处理因外部因素而引起的污染问题，缩短了采样时间，提高检测效率及采样质量。

Description

一种用于pH值检测的镜头清洗方法与装置

技术领域

本发明涉及液体的pH值自动检测领域，具体是用于pH值检测的镜头清洗方法与装置，主要用于需要pH值自动检测的工业工程应用领域。

背景技术

pH值是衡量水体质量的重要理化参数之一，工业上一般用pH检测仪来检测液体的pH值，通常有金属电极和玻璃电极两种，金属电极表面易形成污垢，长时间使用会影响检测精度，而玻璃电极下端的玻璃膜极易破碎，每次用完后要将其放入蒸馏水环境中，增加了电极维护的繁琐度。由于pH检测仪在使用时要求电极直接与液体接触，若清洗不当会对检测结果造成影响。为满足工业生产对pH值检测高精度的要求，出现采用专用pH试纸进行检测的方法，这种方法通过比色对照得出pH值，但容易受实验员主观因素影响，可重复性差。

中国专利公开号CN102879393A、名称为“一种基于图像处理的PH值检测方法和装置”的专利文献公开了将拍照设备应用于pH值参数检测技术，即通过CCD传感器对带有样液的pH试卷纸拍摄，由颜色块与pH值的对应公式得出溶液pH值，一方面避免了读数时人为因素产生的误差，另一方面为pH值检测提供高智能方案。然而，由于工业环境恶劣，空气中难免存在一些粉尘、悬浮颗粒等，加之检测箱体很难达到完全密封的状态，使得长时间使用后镜头表面产生污渍，一旦污渍没有被及时发现，必然会影响拍摄质量，降低检测精度，不仅浪费了采样时间，也严重影响了工业进程。通常情况下选用能够快速溶解污渍的化学药物对镜头表面进行清洗，每隔一定的时间清洗一次，清洗的频繁度由镜头污染程度决定，但这种定时清洗方式不能使镜头始终保持洁净状态。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术中将拍照设备应用于pH值参数检测时镜头清洗存在的问题，提供一种用于pH值检测的镜头清洗方法与装置，在装置内附加清洗设备，使镜头始终保持清洁状态，从而提高图像采集质量。

为达到上述目的，本发明一种用于pH值检测的镜头清洗装置采用的技术方案是：包括一个图像采集装置盒，图像采集装置盒内部垂直放置一块单一颜色的挡板，挡板与图像采集装置盒左侧壁之间设置热风烘干装置和镜头清洗装置，所述热风烘干装置包括热风装置盒、电阻丝、风扇和驱动电机，在热风装置盒内部，驱动电机水平输出轴固定连接风扇的转轴，风扇正右方是电阻丝，电阻丝正右方是热风装置盒右端面上开的热风出口，热风出口穿过挡板的开孔后正对着其右侧的镜头；所述镜头清洗装置由两个管道、两个法兰和两个电磁阀组成，两个管道分别布置在所述热风烘干装置的前、后侧，每个管道均与其同侧的电磁阀通过同侧的法兰紧密连接，管道的左端伸出图像采集装置盒的左侧壁外，管道的右端是清洗液出水口，清洗液出水口穿过挡板上的管道插口后指向镜头处；在挡板与图像采集装置盒的右侧壁之间设置图像采集装置，图像采集装置包括闪光灯和控制盒，闪光灯和控制盒均固定连接图像采集装置盒的右侧壁，控制盒内置有MCU处理器和CCD传感器，CCD传感器的正左侧是镜头；档板的右侧固定标准纸托架，与档板颜色相异的单一颜色的标准纸插在标准纸托架中；pH试卷纸落至挡板的右侧时和标准纸分别位于热风出口的前、后侧。

本发明一种用于pH值检测的镜头清洗方法采用的技术方案是：是具有以下步骤：

步骤1：pH值检测之前，MCU处理器控制闪光灯开启，并控制CCD传感器对一张洁净的标准纸拍照，对所得图像进行处理得出标准图像，提取出标准图像中每一像素的值，计算出值的平均值,,；

步骤2：pH值检测时，将采得样液的pH试卷纸落至镜头前，开启闪光灯并利用CCD传感器对pH试卷纸和标准纸同时拍摄，得到pH试卷纸和标准纸的样本图片，提取标准纸图像部分的每一像素的值，将提取到的每一位像素的值与所述平均值,,作比较，得出每一像素的差异度，再将每一像素的差异度分别与设定的差异阈值9%作比较，将差异度大于差异阈值9%的像素点定为污染像素点，计算出所有差异度中的污染像素点的个数c，计算出判断依据，当时，则镜头无污染，求出pH试卷纸的值并得出pH值；当时，则认定镜头有污染；m为标准纸提取的像素点总数，为设定的整体差异值5%；

步骤3：镜头有污渍时，MCU处理器触发电磁阀打开，液体从清洗液出水口喷在镜头上对镜头清洗；

步骤4：清洗结束后，MCU处理器控制电阻丝加热及控制驱动电机带动风扇工作，风扇吹出的风经电阻丝加热由热风出口直接吹向镜头，完成热风烘干。

本发明与已有方法相比，具有如下优点：

1、本发明克服了传统清洗方法的不足，采用与洁净标准纸图像对照检测的方法，自动检测判断镜头是否存在污渍，能够在第一时间发现镜头污渍，利用清洗液对镜头污渍进行自动清洗，智能处理因外部因素而引起的污染问题，缩短了采样时间，提高检测效率及采样质量。

2、本发明采用一种基于图像处理的污渍检测方法，结合图像采集和颜色识别技术，将颜色采集信息直接传输给单片机，取代了传统人工检测识别污渍的方法，避免很多人为因素的影响，其结果更加准确。

3、本发明采用CCD传感器进行采样，具有解析度高，成像质量好等优点，使检测结果更有代表性，符合工业生产对pH值检测高精度的要求。

4、本发明在清洗时两侧安装的清洗装置同时打开，喷出的清洗液正对镜头，增加清洗力度，使设备经常保持清洁状态，增加设备使用寿命。清洗后自动烘干，使其尽快投入使用，避免定期进行人工清洗的繁琐步骤，同时提高检测效率。

5、本发明操作简单，实用性强。

附图说明

图1是本发明一种用于pH值检测的镜头清洗装置的整体结构主视示意图；

图2是图1的俯视示意图；

图3是图1中pH试卷纸11与标准纸20位置关系的右视放大图；

图4是图1中MCU处理器18的构成及其外接图；

图5是本发明一种用于pH值检测的镜头清洗方法的流程图。

附图中各部件的序号和名称：1.图像采集装置盒，2.电阻丝，3.风扇，4.上夹板，5.驱动电机，6.通风口，7.下夹板，8.电磁阀，9.法兰，10.挡板，11.pH试卷纸，12.闪光灯，13.CCD传感器，14.固定螺丝，15.支撑架，16.废液排出口，17.管道，18.MCU处理器，19.镜头，20.标准纸，21.热风出口，22.清洗液出水口，23.控制盒，24.标准纸托架，25.热风装置盒，26.管道插口。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明一种用于pH值检测的镜头清洗装置包括一个图像采集装置盒1，图像采集装置盒1为方形，在图像采集装置盒1内部垂直放置一块挡板10，挡板10为单一颜色，具有材质轻薄，快速吸水的特性。挡板10放置于靠近图像采集装置盒1左侧壁的1/3处。

在挡板10与图像采集装置盒1左侧壁之间设置热风烘干装置和镜头清洗装置。热风烘干装置包括热风装置盒25、电阻丝2、风扇3和驱动电机5，在图像采集装置盒1左侧壁上开有通风口6，热风装置盒25的上下壁分别通过上夹板4和下夹板7固定在通风口6处的图像采集装置盒1的左侧壁上。上夹板4和下夹板7均为木质材料，相互平行。通风口6通过热风装置盒25左端面上的通孔与热风装置盒25内部实现空气连通。在热风装置盒25内部从左到右依次地固定设置驱动电机5、风扇3和电阻丝2，驱动电机5的水平输出轴固定连接风扇3的转轴，由驱动电机5带动风扇3旋转，在运行时方便空气流动，使风扇3可以正常工作。在风扇3正右方是电阻丝2，电阻丝2的正右方是热风装置盒25右端面上开的热风出口21，热风出口21穿过挡板10的开孔后正对着其右侧的镜头19。在热风出口21周围用塑料泡沫与挡板10固定，使其始终保持正对镜头19的状态。

镜头清洗装置由两个管道17、两个法兰9和两个电磁阀8组成，两个管道17分别布置在热风烘干装置前、后侧。每个管道17均与其同侧的电磁阀8通过同侧的法兰9紧密连接。管道17的左端伸出图像采集装置盒1的左侧壁外，两个管道17均向镜头19方向倾斜，管道17的右端是清洗液出水口22，清洗液出水口22穿过挡板10上相应的管道插口26后指向镜头19处。管道17右端的管道口直径为0.15cm。

在挡板10与图像采集装置盒1的右侧壁之间设置图像采集装置，图像采集装置包括闪光灯12、CCD传感器13、控制盒23以及镜头19，控制盒23为硬质塑料，由固定螺丝14固定在支撑架15上，支撑架15平行于地平面，并且固定连接图像采集装置盒1的右侧壁，用来支撑控制盒23。控制盒23内置有MCU处理器18和CCD传感器13，MCU处理器18由螺丝紧紧固定在控制盒23右壁上，通过引线与CCD传感器13相连，CCD传感器13的正左侧是镜头19，CCD传感器13对准镜头19。镜头19正对热风出口21的中心。闪光灯12固定在控制盒23上方的图像采集装置盒1的右侧壁上，为拍照过程提供充足的光照条件。

在镜头清洗装置和控制盒23的下方设置废液排出口16，使得镜头清洗之后的残余液体能够及时排出。

参见图3和图1，对应于热风出口21的挡板10的开孔正对着其右侧的镜头19，热风出口21的直径为0.4cm，挡板10的相应开孔的直径为0.6cm。从热风出口21吹出的热风可通过档板10上的开孔指向镜头19。在档板10的右侧固定标准纸托架24，标准纸托架24为透明色，通过螺丝固定在挡板10上，标准纸20插在标准纸托架24中。标准纸托架24的底部和前后两边各设有凹槽，标准纸20可从上面插入标准纸托架24中。标准纸20为单一颜色，与档板10的颜色相异，其表面平滑，不易沾染污渍，且不易弯折。pH试卷纸11如专利公开号为CN102879393A中所示的结构竖直落至挡板10的右侧，与标准纸托架24前后相平行，并且，pH试卷纸11和标准纸20分别位于热风出口21的前、后侧，热风出口21的中心到pH试卷纸11和标准纸20的最近边缘的水平距离相等，热风出口21的中心距离到标准纸托架24上下边缘的垂直距离相等。标准纸托架24位于管道插口26的上方，可防止清洗液出水口22喷出的液体将pH试卷纸11打湿。

挡板10为拍照提供单色背景，镜头19正对热风出口21的中心，也即正对着pH试卷纸11与标准纸20之间的中线，使其达到最佳拍摄角度。

参见图4，MCU处理器18包括MCU控制处理单元、电源模块、无线通讯模块、报警装置和控制开关。MCU控制处理单元以不同的端口分别连接电源模块、无线通讯模块、报警装置、闪光灯12、电磁阀8、控制开关以及CCD传感器13，MCU控制处理单元经控制开关连接并控制驱动电机5和电阻丝2，驱动电机5驱动风扇3工作，MCU控制处理单元经无线通讯模块连接外部的PC机。MCU控制处理单元控制CCD传感器13进行采样时，由MCU控制处理单元控制闪光灯12，使闪光灯12始终处于工作状态，当判断出镜头19有污渍时，MCU控制处理单元直接触发电磁阀8，通过电磁阀8来控制清洗装置的自动通断。MCU控制处理单元启动控制开关，使电阻丝2与风扇3处于工作状态。

参见图5，本发明一种用于pH值检测的镜头清洗装置在工作时，依次地进行自动检测、清洗与烘干过程。预先在MCU控制处理单元中存入洁净标准纸的平均标准参数值，采样时对pH试卷纸11和标准纸20进行拍照，分别提取pH试卷纸11和标准纸20部分对应的图片，存储为RGB格式，将标准纸20各个像素的值与已存入MCU控制处理单元内的标准参数值进行分析对照，从而判断出镜头19是否存在污渍。若镜头19没有污渍，则直接提取pH试卷纸11图片的平均值，通过颜色块与pH值关系模型得出溶液pH值。若检测出镜头19有污渍，针对已经污染的镜头19进行自动清洗并由热风装置对其烘干。具体实施步骤如下：

步骤1：在pH值自动检测之前，MCU控制处理单元控制闪光灯12开启，并控制CCD传感器13对一张洁净的标准纸20进行拍照，经图像采集电路输入MCU控制处理单元，CCD传感器13拍摄的图片自动存储为RGB格式，并对所得的图像进行滤波、边缘检测、分割、去噪处理，即得出标准图像，提取出标准图像中每一像素的值，设为，，……，，n为洁净的标准纸提取的像素点数。通过求平均值的方法计算出图像标准值,,为：

，

，

，

其中为区间的整数，将所得的,,值存入MCU控制处理单元，为后续标准纸采样所得值作参照。

步骤2：pH值自动检测时，采得样液的pH试卷纸11落至镜头19前，开启闪光灯12使图像采集装置盒1内亮度满足拍照条件，利用CCD传感器13对pH试卷纸11和标准纸20同时拍摄，即所得样本图片有pH试卷纸11的图片和标准纸20的图片，将图片存储为RGB格式，对采集到的整个样本图进行滤波、边缘检测处理，并分割出标准纸20所对应的图像部分进行去噪处理，提取标准纸20图像部分的每一像素的值，设为，，……，，m为样本的标准纸20图像部分提取的像素点数，将提取到的每一位像素与先前所存标准值作比较，得出每一像素的差异度为：

，

，

……，

，

其中为区间的整数，将（）分别与设定的差异阈值9%作比较，并将差异度大于差异阈值9%的像素点认定为污染像素点，通过单片机内部程序计算所有差异度（）中的污染像素点的个数c，由c在提取的像素点数m中所占的比例与设定的整体差异值来判断镜头是否存在污染，设定为5%，则计算出判断依据为：

，

其中：为污染像素点的个数，m为提取的像素点总数，为设定的整体差异值5%，当判断得出时，认定镜头19无污染，对初步处理后的样本图像分割出pH试卷纸11图片部分，进行去噪处理，用上述提取像素点求平均值的方法求出pH试卷纸的三个特征值，将其输入至颜色块与pH值关系模型内，对比查找，计算得出pH值，并通过无线通讯模块传入PC机便于观测，即完成图像处理过程。当判断得出时，即认定镜头19有污染，执行步骤3实现自动清洗。

步骤3：当检测到镜头19有污渍时，MCU控制处理单元自动触发前后两侧的电磁阀8，使其完全打开，同时利用MCU控制处理单元内部定时器计时30s，由于清洗装置的管道17倾斜向上对准镜头19，清洗液出水口22直径小，液体以一定的速度从清洗液出水口22喷出，清洗液能够准确喷在镜头19上，增加清洗力度，保证镜头19完全清洗干净，残余液体通过废液排出口16排出装置，30s后关闭电磁阀8，完成装置清洗功能。

步骤4：清洗结束后，由MCU控制处理单元打开控制开关，使电阻丝2及驱动电机5工作，同时开启内部定时器计时1min，电阻丝2通电快速加热，风扇3在驱动电机5的带动下开始工作，此时风扇3吹出的风经电阻丝2加热由热风出口21直接吹向镜头19，热风通过热风出口21作用于镜头19表面清洗液，增加液体的蒸发速度，使得镜头19上残留的清洗液在热风的作用下快速蒸发，1min后由MCU控制处理单元控制关闭控制开关，完成热风烘干过程。

烘干结束后，再返回步骤2，再次对镜头19进行自动检测。若清洗3次仍判断出，则定义为标准纸20有污渍，启动报警装置，立即更换标准纸20。

整个过程一方面有效解决了因镜头19污染发现不及时而出现采样质量低的问题，另一方面由于全程操作智能化，大大减少了人工维护带来的不必要的麻烦，同时也增加了设备使用寿命。

Claims (9)

1.一种用于pH值检测的镜头清洗装置，包括一个图像采集装置盒（1），图像采集装置盒（1）内部垂直放置一块单一颜色的挡板（10），其特征是：挡板（10）与图像采集装置盒（1）左侧壁之间设置热风烘干装置和镜头清洗装置，所述热风烘干装置包括热风装置盒（25）、电阻丝（2）、风扇（3）和驱动电机（5），在热风装置盒（25）内部，驱动电机（5）水平输出轴固定连接风扇（3）的转轴，风扇（3）正右方是电阻丝（2），电阻丝（2）正右方是热风装置盒（25）右端面上开的热风出口（21），热风出口（21）穿过挡板（10）的开孔后正对着其右侧的镜头（19）；所述镜头清洗装置由两个管道（17）、两个法兰（9）和两个电磁阀（8）组成，两个管道（17）分别布置在所述热风烘干装置的前、后侧，每个管道（17）均与其同侧的电磁阀（8）通过同侧的法兰（9）紧密连接，管道（17）的左端伸出图像采集装置盒（1）的左侧壁外，管道（17）的右端是清洗液出水口（22），清洗液出水口（22）穿过挡板（10）上的管道插口（26）后指向镜头（19）处；在挡板（10）与图像采集装置盒（1）的右侧壁之间设置图像采集装置，图像采集装置包括闪光灯（12）和控制盒（23），闪光灯（12）和控制盒（23）均固定连接图像采集装置盒（1）的右侧壁，控制盒（23）内置有MCU处理器（18）和CCD传感器（13），CCD传感器（13）的正左侧是镜头（19）；档板（10）的右侧固定标准纸托架（24），与档板（10）颜色相异的单一颜色的标准纸（20）插在标准纸托架（24）中；pH试卷纸（11）落至挡板（10）的右侧时和标准纸（20）分别位于热风出口（21）的前、后侧。

2.根据权利要求1所述用于pH值检测的镜头清洗装置，其特征是：MCU处理器（18）包括MCU控制处理单元、电源模块、无线通讯模块、报警装置和控制开关，MCU控制处理单元以不同的端口分别连接电源模块、无线通讯模块、报警装置、闪光灯（12）、电磁阀（8）、控制开关及CCD传感器（13）。

3.根据权利要求1所述用于pH值检测的镜头清洗装置，其特征是：热风出口（21）的中心到pH试卷纸（11）和标准纸（20）的最近边缘的水平距离相等，热风出口（21）的中心到标准纸托架（24）上下边缘的垂直距离相等。

4.根据权利要求1所述用于pH值检测的镜头清洗装置，其特征是：标准纸托架（24）位于挡板（10）上的管道插口（26）的上方。

5.根据权利要求1所述用于pH值检测的镜头清洗装置，其特征是：图像采集装置盒（1）左侧壁上开有通风口（6），热风装置盒（25）的上下壁分别通过上夹板（4）和下夹板（7）固定连接通风口（6）处的图像采集装置盒（1）的左侧壁，通风口（6）通过热风装置盒（25）左端面上的通孔与热风装置盒（25）内部连通。

6.根据权利要求1所述用于pH值检测的镜头清洗装置，其特征是：在镜头清洗装置和控制盒（23）的下方设置废液排出口（16）。

7.一种如权利要求1所述用于pH值检测的镜头清洗装置的清洗方法，其特征是具有以下步骤：

步骤1：pH值检测之前，MCU处理器（18）控制闪光灯（12）开启，并控制CCD传感器（13）对一张洁净的标准纸（20）拍照，对所得图像进行处理得出标准图像，提取出标准图像中每一像素的值，计算出值的平均值,,；

步骤2：pH值检测时，将采得样液的pH试卷纸（11）落至镜头（19）前，开启闪光灯（12）并利用CCD传感器（13）对pH试卷纸（11）和标准纸（20）同时拍摄，得到pH试卷纸（11）和标准纸（20）的样本图片，提取标准纸（20）图像部分的每一像素的值，将提取到的每一位像素的值与所述平均值,,作比较，得出每一像素的差异度，再将每一像素的差异度分别与设定的差异阈值9%作比较，将差异度大于差异阈值9%的像素点定为污染像素点，计算出所有差异度中的污染像素点的个数c，计算出判断依据，当时，则镜头（19）无污染，求出pH试卷纸（11）的值并得出pH值；当时，则认定镜头（19）有污染；m为标准纸提取的像素点总数，为设定的整体差异值5%；

步骤3：镜头（19）有污渍时，MCU处理器（18）触发电磁阀（8）打开，液体从清洗液出水口（22）喷在镜头（19）上对镜头（19）清洗；

步骤4：清洗结束后，MCU处理器（18）控制电阻丝（2）加热及控制驱动电机（5）带动风扇（3）工作，风扇（3）吹出的风经电阻丝（2）加热由热风出口（21）直接吹向镜头（19），完成热风烘干。

8.根据权利要求7所述用于pH值检测的镜头清洗装置的清洗方法，其特征是：

步骤4在烘干结束后，再返回步骤2，再次对镜头（19）进行自动检测，若清洗3次仍是，则标准纸（20）有污渍，应更换标准纸（20）。

9.根据权利要求7所述用于pH值检测的镜头清洗装置的清洗方法，其特征是：步骤2中，标准纸（20）图像部分的每一像素的值为，，……，，每一像素的差异度为：

，

，

，

将分别与设定的差异阈值9%作比较。