CN109655451A - 一种便携式比色检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式比色检测装置，包括：具有LED闪光灯、CCD摄像头、显示屏和中央处理器的智能终端、光学暗箱和将所述光学暗箱安装于智能终端上的适配器，光学暗箱中的纸芯片支架用于放入纸芯片，所述纸芯片包含多个测试区和校正区，在所述纸芯片不同测试区添加不同待测的分析物，智能终端的中央处理器利用LED闪光灯、光学暗箱以及CCD摄像头先获取纸芯片图像，再对图像进行数据处理，最终得到每一个测试区的待测分析物的定量指标，从而能够实现同时对多种分析物实现快速定量比色检测分析。

Description

一种便携式比色检测装置

技术领域

本发明涉及比色检测领域，具体涉及一种便携式比色检测装置。

背景技术

比色检测是通过比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量的方法，由于操作简单、分析速度快和成本低等特点，被广泛用于冶金、地质、金属材料中微量的金属和部分非金属元素的测定。根据读取方式的不同，常用的比色法有两种：目视比色法和光电比色法。目视比色法由于受主观因素影响比较大，往往其结果只能做一个定性的判断。光电比色法消除了主观误差，采用了滤光片来提高选择性，但是其测量的准确度、灵敏度和应用范围都不尽人意。

紫外-可见分光光度计采用棱镜或光栅作为色散元件、氢灯和钨灯分别作为紫外光源和可见区光源、光电倍增管作为检测器，解决了光电比色法测量准确度一般、灵敏度低和应用范围小等不足。

除了满足准确度、精度和灵敏度之外，设备是否能实现原位快速检测也是人们关注的重点。“原位”要求设备具有很好的便携性、“快速”要求设备具有较好的实时性。芯片实验室的出现为实现装置的便携性提供了可能，可消费的“芯片”加上可供人理解的“读码器”可以大大减小设备的物理尺寸，目前有以美国海洋光学、荷兰爱万提斯、日本滨松等为代表的公司或者团队开发了很多芯片级的比色检测设备。这些设备虽然可以做到手掌大小，但是它们仍然需要一个独立完整的硬件系统，包括光源、电路、外显设备等，增加了设备的成本。

随着技术的进步，手机已经不再是一个简单的通信工具，而是具有综合功能的便携式电子设备。为了实现与现实的结合，智能手机内置了多种传感器，包括光线传感器、距离传感器、重力传感器和磁场传感器等。其中，智能手机的闪光灯和相机系统为实现比色检测提供了光源系统和检测系统，辅助一些简单的附件，加上手机终端软件，即可实现整个比色系统的搭建，降低了系统的设备成本。与目前流行的比色检测设备相比，基于手机的比色装置不需要独立的显示设备，具有更低的成本和更好的便携性。另外，通过移动互联网，手机比色检测装置还可以直接上传数据，无需附加的网络设备。

为了减少检测所需的样本量、方便样本的存储和运输，近几年很多科研工作者研发了基于试纸条（或纸芯片、膜芯片）和智能手机的比色检测系统。这些系统可以对显示试剂样品的颜色进行定性或者定量的判定。但这些系统也存在很多不足，比如：需要PC电脑来控制图像采集和处理工作、不能同时实现多元检测、对试纸条、纸芯片、或者膜芯片的背景要求比较高等。

发明内容

本发明提供一种便携式比色检测装置，能同时对多种分析物实现快速定量比色检测分析。

一种便携式比色检测装置，包括：具有LED闪光灯、CCD摄像头、显示屏和中央处理器的智能终端的智能终端、光学暗箱和将所述光学暗箱安装于所述智能终端上的适配器，所述光学暗箱是不透光的，所述光学暗箱中设置有一个匀光片、一个凹透镜、一个凸透镜和一个纸芯片支架，所述匀光片使所述智能终端的所述LED闪光灯发出的光变得均匀，所述凹透镜对经过所述匀光片的光进行扩散，经过所述凹透镜扩散后的光在纸芯片上发生反射，反射后的光经过所述凸透镜后聚焦在所述智能终端的所述CCD摄像头上，所述CCD摄像头对经过所述凸透镜聚焦后的光进行成像；所述纸芯片支架用于放置纸芯片；所述纸芯片包含多个测试区和校正区，在所述纸芯片不同测试区添加不同待测的分析物，在所述测试区使所述分析物发生比色反应，每个所述测试区对应有校正区，所述校正区是与所述测试区最邻近的空白区域；

打开所述智能终端的所述LED闪光灯，利用所述智能终端的所述CCD摄像头进行成像， 所述智能终端的中央处理器获取所述纸芯片的彩色图像，把所述彩色图像转换成位图，在 所述位图中分割出每一个测试区和与所述每一个测试区对应的校正区，分别提取所述测试 区和所述校正区内每一个像素的R、G、B值，按照公式(R+G+B)/3计算所述测试区内每一个像 素的R、G、B的均值，按照公式(R+G+B)/3计算所述校正区内每一个像素的R、G、B的均值， 按照公式计算每一个测试区的光暗比ODR；按照待测分析物的定量指标与 光暗比之间的校正关系、根据测试区的光暗比获取每一个测试区的待测分析物的定量指 标，将获取的所述定量指标显示在所述智能终端的显示屏上。

在本发明中，通过适配器将光学暗箱安装于智能终端上，光学暗箱中的纸芯片支架用于放入纸芯片，所述纸芯片包含多个测试区和与测试区对应的校正区，在所述纸芯片不同测试区添加不同待测的分析物，智能终端的中央处理器利用LED闪光灯、光学暗箱以及CCD摄像头先获取纸芯片图像，再对图像进行数据处理，最终得到每一个测试区的待测分析物的定量指标，从而能够实现同时对多种分析物实现快速定量比色检测分析。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种便携式比色检测装置的组装图；

图2是本发明实施例中的一种便携式比色检测装置的部件结构图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种便携式比色检测装置，在本实施例中智能终端具体为智能手机，以下进行详细说明。

参见图1和图2，便携式比色检测装置包括具有LED闪光灯和CCD摄像头、显示屏和中央处理器的智能手机1、适配器2、用于装载并固定匀光片的匀光片支架3、用于装载并固定凹透镜的凹透镜支架4、用于装载并固定凸透镜的凸透镜支架5、用于装载并固定纸芯片的纸芯片支架6和光学暗箱7。

光学暗箱7不透光，通过适配器2固定在智能手机1上。

匀光片、凹透镜、凸透镜和纸芯片分别放置于匀光片支架3、凹透镜支架4、凸透镜支架5和纸芯片支架6。

以智能手机1的LED闪光灯作为光源、智能手机1的CCD摄像头作为光线的接收器，沿着光路方向，光学暗箱7中各个元件的放置顺序为匀光片支架3、凹透镜支架4、纸芯片支架6、凸透镜支架5。

匀光片支架3、凹透镜支架4、纸芯片支架6和凸透镜支架5都通过可插拔的放置设置在光学暗箱7中。

匀光片支架3中的匀光片设置在智能手机1的LED闪光灯的正前方，凹透镜支架4中的凹透镜设置在匀光片的正前方，且匀光片、凹透镜的中心与LED闪光灯的中心在同一个水平线上，凸透镜支架5中的凸透镜设置在智能手机1的CCD摄像头的正前方，凸透镜和CCD摄像头的中心也在同一水平线上。

由于智能手机1的LED闪光灯发射出来的光在物理空间上呈现高斯分布，直接照射达不到均匀照明的效果，所以在其前方设置一个具有匀光作用的匀光片，使LED闪光灯发出的光变得均匀。

因为装置旨在同时对多种分析物实现快速定量比色检测分析，纸芯片包含多个测试区和校正区，在纸芯片不同测试区添加不同待测的分析物，在测试区使分析物发生比色反应，每个测试区对应有校正区，校正区是与测试区最邻近的空白区域，该区域的颜色不受分析物的影响，纸芯片支架6中的纸芯片的物理尺寸较大，在确保纸芯片能被全部照明的前提下，为了缩短光学暗箱7的整体高度，在匀光片的正前方设置了具有散光作用的凹透镜。

在确保智能手机1的CCD摄像头能准确聚焦的前提下，为了减小光学暗箱7的整体高度，在智能手机1的CCD摄像头的正前方设置了具有聚焦作用的凸透镜。

匀光片使智能终端的LED闪光灯发出的光变得均匀，凹透镜对经过匀光片的光进行扩散，经过凹透镜扩散后的光在纸芯片上发生反射，反射后的光经过凸透镜后聚焦在智能终端的CCD摄像头上，CCD摄像头对经过所述凸透镜聚焦后的光进行成像。

进一步的，匀光片的直径为6mm，厚度为1mm。

进一步的，凹透镜为双凹透镜，直径为6mm，厚度为3mm，焦距为-6.37mm。

进一步的，凸透镜为平凸透镜，直径为10mm，厚度为3mm，焦距为10mm。

进一步的，凹透镜与匀光片的距离等于凹透镜的一倍焦距的绝对值。

进一步的，凸透镜与CCD摄像头之间的距离为凸透镜的一倍焦距值。

把制作好的纸芯片放入纸芯片支架中，把纸芯片支架插入光学暗箱中，打开智能手机的LED闪光灯，调用智能手机的CCD摄像头进行拍照，智能手机的中央处理器获取纸芯片的彩色图像。

完成对带有待测分析物的纸芯片拍照过后，智能手机的中央处理器首先把获取的 纸芯片的彩色图像转换成位图 (Bitmap格式)，在位图中分割出每一个测试区和与每一个 测试区对应的校正区，分别提取测试区和校正区内每一个像素的R、G、B值，按照公式(R+G+ B)/3对R、G、B进行平均值计算，记测试区内每一个像素的R、G、B的均值为，校正区内每一个 像素的R、G、B的均值为，按照公式计算每一个测试区的光暗比ODR，按照 待测分析物的定量指标与光暗比之间的校正关系，根据测试区的光暗比获取每一个测试区 的待测分析物的定量指标，将获取的定量指标显示在智能手机的显示屏上。

进一步的，在本实施例中，按照待测分析物的定量指标与光暗比之间的校正关系，根据测试区的光暗比通过插值计算获取每一个测试区的待测分析物的定量指标。

进一步的，根据用户的需要，智能手机的中央处理器可以对获取每一个测试区的待测分析物的定量指标进行保存、生成PDF版的测试报告和通过Email、蓝牙、社交工具等方式进行共享等。

校正区为最邻近测试区的一个空白区，该区域的颜色不受分析物的影响。由于光 照、纸芯片制造过程中不均一等影响，同一张纸芯片上每个区域的背景值并不绝对相等，采 取计算测试区的绝对值会存在较大的误差。以每一个测试区最邻近的空白区作为校正区， 采用相对值（即为文中所提到的ODR）克服了采用绝对带来的误差。

以上对本发明实施例所提供的一种便携式比色检测装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种便携式比色检测装置，其特征在于，包括：具有LED闪光灯、CCD摄像头、显示屏和中央处理器的智能终端的智能终端、光学暗箱和将所述光学暗箱安装于所述智能终端上的适配器，所述光学暗箱是不透光的，所述光学暗箱中设置有一个匀光片、一个凹透镜、一个凸透镜和一个纸芯片支架，所述匀光片使所述智能终端的所述LED闪光灯发出的光变得均匀，所述凹透镜对经过所述匀光片的光进行扩散，经过所述凹透镜扩散后的光在纸芯片上发生反射，反射后的光经过所述凸透镜后聚焦在所述智能终端的所述CCD摄像头上，所述CCD摄像头对经过所述凸透镜聚焦后的光进行成像；所述纸芯片支架用于放置纸芯片；所述纸芯片包含多个测试区和校正区，在所述纸芯片不同测试区添加不同待测的分析物，在所述测试区使所述分析物发生比色反应，每个所述测试区对应有校正区，所述校正区是与所述测试区最邻近的空白区域；

打开所述智能终端的所述LED闪光灯，利用所述智能终端的所述CCD摄像头进行成像， 所述智能终端的中央处理器获取所述纸芯片的彩色图像，把所述彩色图像转换成位图，在 所述位图中分割出每一个测试区和与所述每一个测试区对应的校正区，分别提取所述测试 区和所述校正区内每一个像素的R、G、B值，按照公式(R+G+B)/3计算所述测试区内每一个像 素的R、G、B的均值，按照公式(R+G+B)/3计算所述校正区内每一个像素的R、G、B的均值， 按照公式计算每一个测试区的光暗比ODR；按照待测分析物的定量指标与 光暗比之间的校正关系、根据测试区的光暗比获取每一个测试区的待测分析物的定量指 标，将获取的所述定量指标显示在所述智能终端的显示屏上。

2.根据权利要求1所述的一种便携式比色检测装置，其特征在于，通过所述适配器将所述光学暗箱安装于所述智能终端上，所述光学暗箱中的所述匀光片可插拔放置在所述智能终端的所述LED闪光灯的正前方。

3.根据权利要求2所述的一种便携式比色检测装置，其特征在于，所述光学暗箱中的所述凹透镜可插拔放置在所述匀光片的正前方，且所述凹透镜与所述匀光片的距离等于所述凹透镜的一倍焦距的绝对值。

4.根据权利要求3所述的一种便携式比色检测装置，其特征在于，所述凸透镜可插拔设置在所述智能终端的所述CCD摄像头的正前方，且所述凸透镜与所述CCD摄像头之间的距离为所述凸透镜的一倍焦距值。

5.根据权利要求4所述的一种便携式比色检测装置，其特征在于，所述匀光片的中心、所述凹透镜的中心与所述LED闪光灯的中心在同一水平线上，所述凸透镜的中心与所述CCD摄像头的中心在同一水平线上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种便携式比色检测装置，其特征在于，所述匀光片的直径为6mm，厚度为1mm。

7.根据权利要求6所述的一种便携式比色检测装置，其特征在于，所述凹透镜为双凹透镜，直径为6mm，厚度为3mm，焦距为-6.37mm。

8.根据权利要求7所述的一种便携式比色检测装置，其特征在于，所述凸透镜为平凸透镜，直径为10mm，厚度为3mm，焦距为10mm。

9.根据权利要求8所述的一种便携式比色检测装置，其特征在于，按照待测分析物的定量指标与光暗比之间的校正关系、根据测试区的光暗比获取每一个测试区的待测分析物的定量指标，具体为：

按照待测分析物的定量指标与光暗比之间的校正关系、根据测试区的光暗比通过插值计算获取每一个测试区的待测分析物的定量指标。

10.根据权利要求9所述的一种便携式比色检测装置，其特征在于，所述智能终端为智能手机或者平板电脑或者平板手机或者智能手表。