CN105548165B - 试纸反射仪及试纸表面测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种试纸反射仪，利用同轴光源的45度角半反半透镜性能，得到较高照度均匀性的平行光输出，使得处于水平载物台上的试纸接受垂直方向的均匀入射光照射，同时在试纸垂直方向设置高分辨率灰度照相机，这样使得垂直方向的反射光强度通过滤光片后用高分辨率灰度照相机记录下来。水平出射通过45度半反半透镜变成与水平载物台上试纸变成垂直方向入射光，垂直的入射光减少了试纸表面的凹凸结构对散射光强度和散射光角度的影响，使得显色物接受最大程度的光照。同时垂直方向的散射光通过45度角半反半透镜和滤光片后，某一波长的散射光的强度被其上部的高灵敏度灰度照相机记录。
Description
技术领域
本发明属于试纸反射定量检测领域，特别涉及一种通过LED同轴光源或者类似水平均匀入射光源，滤光片和高灵敏度灰度照相机和灰度值以及灰度区域面积测量技术制作的新型的小型试纸反射仪及试纸表面测量方法。
背景技术
借助于在试纸或者其他固体表面的颜色变化，包括颜色种类和颜色的深浅，来进行未知成分的定性，定量检测具有悠久的历史。已经发展出了针对在水体，生物体，土壤，空气等各种介质中所含有的重金属，阴离子，生物大分子如毒素，激素等和极性分子，如农药，杀虫剂和废弃药物等目标成分的试纸颜色快速检测方法。
但是这些方法主要用于定性和半定量检测。半定量是指通过比对标准色阶-浓度图来估算所测成分的浓度。由于人眼对不同颜色的深浅度（灰度）敏感性不同，而且不同的人对相同的灰度也往往认识不同。另一方面，目标成分与显色剂，大部分是有机化合物，结合成的结合物，其与显色剂的稳定性受环境因素，如温度，湿度，光照等因素影响，其颜色深浅不仅会随时间变化，而且颜色本身会改变。因此不同的显色-测量时间，往往给出不同的定量结果。这些因素就给定量造成的很大误差。
因此，为克服这些影响因素，需要发展出一种自动识别在试纸或者固体表面上不同颜色的灰度值，而且能够尽快完成灰度测量的小型试纸反射仪，以实现快速，准确的试纸颜色定量测量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种试纸反射仪及试纸表面测量方法。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种试纸反射仪，利用LED同轴光源的45度角半反半透镜性能，得到较高照度均匀性的平行光输出，使得处于水平载物台上的试纸接受垂直方向的均匀入射光照射，同时在试纸垂直方向设置高分辨率灰度照相机，这样使得垂直方向的反射光强度通过滤光片后用高分辨率灰度照相机记录下来。
从LED同轴光源发出的水平光由45度角半反半透镜反射后变成垂直入射处于水平载物台上的试纸。垂直的入射光减少了试纸表面的凹凸结构对散射光强度和散射光角度的影响，使得显色物接受最大程度的光照。同时垂直方向的散射光通过45度角半反半透镜和滤光片后，某一波长的散射光的强度被其上部的高灵敏度的灰度照相机记录。高灵敏度的灰度照相机灰度分辨率大于10个比特。通过调节照相机的焦距，快门和光圈，使得试纸上的灰度区域被最清晰地记录下来。因此通过垂直入射光和对垂直方向散射光强度的测量，最大程度消除了试纸表面的细微结构对显色物质接受光照射的影响，获得的垂直方向的散射光液最大程度包含显色物质的浓度信息。水平载物台在载物区域内，使用均匀扩散且完全以试样浸润的试纸，自然平整贴于玻璃上；玻璃以漫反射涂层作为基底；载物区域外，以黑色吸光材料进行遮盖。
试纸反射仪还包括控制及数据处理系统，所述控制及数据处理系统分别连接有光源系统和数据采集系统；所述控制及数据处理系统包括亮灭控制模块，光源校准模块，数据存储模块，定标子模块，测量子模块，数据存储模块，显示及人机交互模块；所述光源系统包括所述水平均匀入射光源及所述滤光片；所述数据采集系统包括所述灰度照相机，所述水平载物台及接口模块。
一种试纸表面测量方法，由高分辨率灰度照相机获得的图像，经过光电转换，通过网格化灰度值扫描获得各个灰度值的单元格数，由单元格在试纸上的面积，即可计算出不同灰度值区域的面积。由于试纸的质地的不均匀性，某一浓度下的显色物质在试纸表面分布不均匀。对于确定灰度-浓度关系的定标阶段，需要通过获得不同灰度单元格数的分布曲线，具有最多单元格数的灰度值，就是这个浓度下的灰度值。对于未知浓度溶液，这就需要对这一显色物质在试纸上的所有分布区域，对其相应的灰度和面积进行测量，从而计算出试纸上所有该显色物质的量，通过如下公式就可计算出该物质溶液的浓度：
上述公式中，Ci是指某一灰度区域的浓度值，其从灰度-浓度关系式计算得到，A0是试液加到试纸上后，其所扩散到的最大面积。V是所加试液到试纸上的体积。
由公式可知，应用试纸-反射仪对未知浓度溶液进行测量，影响浓度计算的是灰度-浓度关系和相应灰度区域的面积，而加载到试纸上的溶液体积不影响浓度的计算。
本发明的有益效果是:
1、本发明采用LED同轴光源，水平出射光通过45度半反半透镜变成与水平载物台上试纸变成垂直方向入射光，垂直的入射光减少了试纸表面的凹凸结构对散射光强度和散射光角度的影响，使得显色物接受最大程度的光照。同时垂直方向的散射光通过45度角半反半透镜和滤光片后，某一波长的散射光的强度被其上部的高灵敏度灰度照相机记录。通过调节照相机的焦距，快门和光圈，使得试纸上的灰度区域被最清晰地记录下来。因此通过垂直入射光和对垂直方向散射光强度的测量，最大程度消除了试纸表面的细微结构对显色物质接受光照射的影响，获得的垂直方向的散射光液最大程度包含显色物质的浓度信息。这样的灰度照相方法，大大节省了获得试纸表面灰度信息的时间，防止了因显色物质和显色剂随时间和温度、湿度、光照等因素而变化造成的灰度测量误差。水平载物台在载物区域内，以均匀质地的试纸浸润试样后，自然平整贴于玻璃上；玻璃以漫反射涂层作为基底；载物区域外，以黑色吸光材料进行遮盖。
2、本发明采用固定部件，结构简单，体积小，整个仪器无任何移动部件，具有很强的环境适应，既可以用于现场在线检测，也可以用于实验室检测使用。在一定程度上代替分光光度计的使用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为试纸反射仪结构示意图；
图2为试纸反射仪控制系统示意图；
图3为本发明的一个实例，Cu2+-PAR溶液在试纸上的灰度-浓度关系图（Log平均灰度)。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参照图1、图2所示，首先水平均匀入射光源1，输出水平平行光，通过45度角的半反半透镜2，使得处于水平载物台3上的试纸4接受垂直方向的入射光照射；在试纸垂直方向设置灰度照相机5，使得垂直方向的反射光强度通过半反半透镜2后用灰度照相机5记录下来。
其中还包括，控制及数据处理系统6分别连接有光源系统7和数据采集系统8；所述控制及数据处理系统6包括亮灭控制模块61，光源校准模块62，数据存储模块63，定标子模块64，测量子模块65，显示及人机交互模块66；所述光源系统7包括所述水平均匀入射光源1及所述半反半透镜2；所述数据采集系统8包括所述灰度照相机5，所述水平载物台3及接口模块81，接口模块81为GiE接口或USB接口。
第二步，利用载有不同浓度物质溶液的试纸接受反射光强度测量，由高分辨率灰度照相机获得的图像，经过光电转换，通过网格化灰度值扫描获得各个灰度值的单元格数，通过获得不同灰度单元格数的分布曲线，具有最多单元格数的灰度值，就是这个浓度下的灰度值。利用获得的灰度-浓度关系，确定两者最佳的数学关系式。
第三步，对于相同物质的未知浓度溶液，用试纸担载溶液后进行反射光灰度和灰度区域面积计算。通过第二步已知的灰度-浓度关系，由测量的灰度计算出浓度，在各个浓度-区域面积计算出各个区域的物质的量，将所有的区域的物质的量加和后，由公式（1）就可计算出该物质的浓度：
上述公式中，Ci是指某一灰度区域的浓度值，其从灰度-浓度关系式计算得到，A0是试液加到试纸上后，其所扩散到的最大面积。V是所加试液到试纸上的体积。
本实施例是铜离子-PAR溶液中，通过500nm滤光片进行反射光灰度-浓度标定和未知铜溶液浓度的测量。通过配制铜离子的浓度分别为0，0.1，0.3，0.5，0.7，1.0，1.5，2.0ppm的Cu2+-PAR溶液，通过分别对担载它们的试纸灰度区域的测量，获得的灰度-浓度关系如图3所示。灰度的对数值与相应的浓度有较好的线性关系。
对一浓度为0.80ppm的铜溶液，使用试纸担载此溶液测量其不同灰度和相应的灰度区域面积，通过公式（1）计算获得此溶液中铜离子浓度，计算获得的浓度为0.82ppm, 相对误差为2.5%。可知使用试纸反射仪测量的浓度误差比较小。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种试纸表面测量方法，其特征在于：由灰度照相机获得的图像，经过光电转换，通过网格化灰度值扫描获得各个灰度值的单元格数，由单元格在试纸上的面积，即可计算出不同灰度值区域的面积；所述灰度值通过灰度-浓度关系确定，通过获得不同灰度单元格数的分布曲线，具有最多单元格数的灰度值，就是这个浓度下的灰度值，所述浓度的计算公式：
上述公式中，Ci是指某一灰度区域的浓度值，其从灰度的对数值-浓度关系式计算得到，Ai是试纸上具有Ci浓度区域的总面积，A0是试液加到试纸上后，其所扩散到的最大面积，V是所加试液到试纸上的体积；
其中，所述试纸表面测量方法采用试纸反射仪。
2.根据权利要求1中的试纸表面测量方法，其特征在于：所述试纸反射仪包括一水平均匀入射光源，输出水平平行光，通过45度角的半反半透镜，使得处于水平载物台上的试纸接受垂直方向的入射光照射；在试纸垂直方向设置灰度照相机，使得垂直方向的反射光通过滤光片后被灰度照相机记录下来；所述水平均匀入射光源为同轴光源；所述灰度照相机为高灰度分辨率照相机；所述灰度照相机灰度分辨率大于10个比特；所述水平载物台在载物区域内，使用均匀扩散且完全以试样浸润的试纸，自然平整贴于玻璃上；所述玻璃以漫反射涂层作为基底；载物区域外，以黑色吸光材料进行遮盖；还包括控制及数据处理系统，所述控制及数据处理系统分别连接有光源系统和数据采集系统；所述控制及数据处理系统包括光源控制模块，光源校准模块，数据存储模块，定标模块，测量模块，显示及人机交互模块；所述光源系统包括所述水平均匀入射光源及所述滤光片；所述数据采集系统包括所述灰度照相机；由灰度照相机获得的图像，经过光电转换，通过网格化灰度值扫描获得各个灰度值的单元格数，由单元格在试纸上的面积，即可计算出不同灰度值区域的面积。
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